Die Wärmewirkung des elektrischen
Stromes, bez. die des
Flammenbogens benutzte Staite 1849 zum
Schmelzen schwerflüssiger
Metalle,
die
Methode geriet aber in Vergessenheit und wurde erst 1880 von
WernerSiemens bei seinem elektrischen
Schmelzofen
[* 3] mit großem praktischen Erfolg benutzt. Die Gebrüder Cowles thaten dann 1885 den epochemachenden
Schritt, gewisse
Verbindungen unter Zuhilfenahme des elektrischen
Bogens (oder überhaupt der Wärmewirkungen des
Stromes mit oder ohne Zusatz
von
Kohle oder sonstigen chemisch reduzierenden
Substanzen) zu schmelzen und alsdann durch die vereinigte
Wirkung von
Wärme
[* 4] und elektrischer, bez. chemischer
Energie in ihre
Bestandteile zu zerlegen.
Dies
Verfahren hat zur Zeit gute praktische Erfolge aufzuweisen, und ihm schließen sich viele andre ähnlicher oder doch
nur wenig verschiedener
Natur an, die sich namentlich auf dieDarstellung von
Aluminium beziehen. Zu erwähnen
sind schließlich noch das elektrische
Schweiß- und Lötverfahren und die magnetische
Aufbereitung von
Erzen, welche mit einer
von
Siemens 1880 angegebenen, besonders rationell konstruierten
Maschine
[* 5] auf mehreren
Hüttenwerken Verwendung findet.
Eine weitere und schnellere Verbreitung der Elektrometallurgie
[* 6] in der
Praxis wird durch den Umstand gehindert, daß die
Erzeugung von elektrischer
Energie gegenwärtig noch sehr teuer ist, und daß ihre Verwendung mithin nur in solchen
Fällen
gerechtfertigt erscheint, wo andre Hilfsmittel der
Technik versagen. Die Dynamomaschinen sind freilich im stande, bis 95 Proz.
der ihnen zugeführten mechanischen
Arbeit in
Elektrizität
[* 7] zu verwandeln, aber zu ihrem Betrieb gehören
in der
RegelDampfmaschinen
[* 8]
(Wasser- und Windkraft kommt bis jetzt in verhältnismäßig untergeordnetem
Maße zur Anwendung),
und in diesen können nur bis 10 Proz. der zum Betrieb derselben verbrauchten
Wärme in mechanische
Arbeit umgesetzt werden.
Werden nun von dieser mechanischen
Arbeit durchschnittlich 90 Proz. in elektrische
Energie übergeführt, so
kommen also nur 9 Proz. der unter dem
Dampfkessel
[* 9] entwickelten
Wärme als elektrische
Energie zur Verwendung. In metallurgischen
Öfen
[* 10] werden dagegen 80 Proz. der zu ihrem Betrieb verwendeten
Wärme ausgenutzt, und mithin ist bei allen metallurgischen
Operationen, welche direkt durch Wärmewirkungen bewerkstelligt werden können, auf Verwendung von
Elektrizität zu verzichten.
Nur auf gewisse spezielle
Fälle
findet die Elektrometallurgie vorteilhaft Anwendung, so namentlich auf solche, bei denen es sich um Metallgewinnung
durch Reduktionsprozesse bei hohen
Temperaturen handelt. Die
Reduktion wird bekanntlich durch die
Wirkung von
Kohlenoxyd unter
Zuhilfenahme der bei
Verbrennung desselben zu
Kohlensäure erzeugten
Wärme durchgeführt. Die hierzu notwendige minimale
Wärmezufuhr ist in jedem
Falle verschieden, und wenn man sie mit
Hilfe der
Thermochemie berechnet, so ergibt sich, daß sie
in einzelnen
Fällen bedeutend größer ist als diejenige, welche unter den günstigsten
Bedingungen in unsern metallurgischen
Öfen erzeugt werden kann.
Dies ist z. B. der
Fall bei den
Oxyden desAluminiums,
Magnesiums und der
Erdalkalimetalle, und thatsächlich
ist die Gewinnung dieser
Metalle durch Reduktionsprozesse in gewöhnlichen metallurgischen
Öfen unmöglich. Auch unter den
metallurgischen
Prozessen auf nassem Weg gibt es mehrere, deren
Durchführung ohne Zuhilfenahme des
Stromes auf fast unüberwindliche
Schwierigkeiten stoßen würde; so namentlich bei der Reinmetallgewinnung, wo es sich um die
Entfernung
der letzten
Spuren fremder
Körper handelt; ferner bei einigen
Methoden der Metallgewinnung aus
Erzen, bei welchen man durch
Anwendung elektrometallurgischer
Verfahren die kostspieligen und mühsamen
Röst- und Schmelzprozesse ganz oder doch teilweise
entbehrlich machen kann. Im allgemeinen lassen sich die
Prozesse der Elektrometallurgie auf nassem Weg wegen des zu ihrer
Durchführung erforderlichen geringern Aufwandes an elektrischer
Energie verhältnismäßig ökonomischer durchführen als
die elektrometallurgischen
Prozesse aus trocknem Weg.
Ein bedeutender Fortschritt in der Elektrometallurgie würde sofort zu stande kommen, wenn die direkte Überführung
von
Wärme in
Elektrizität in befriedigender
Weise gelänge. Hierzu sind verschiedene
Anläufe gemacht worden. DieThermosäulen
gestatten in der primitiven Form, in welcher sie gegenwärtig gebaut werden, bereits die Überführung von 5,5
Proz. der zu ihrem Betrieb verwendeten
Wärme in
Elektrizität, auch werden vielleicht die
Versuche über Elektrizitätserzeugung
in feuerflüssigen
Elektrolyten ermöglichen, der
Lösung des genannten
Problems näher zu treten.
Vgl.
Balling,
Grundriß der
Elektrometallurgie (Stuttg. 1888);
Gore, The art of electric separation of metals etc. (Lond. 1890);
Borchers, Elektrometallurgie (Braunschw. 1891);
Vogel und Rösing, Handbuch der
Elektrochemie und Elektrometallurgie (Stuttg. 1891).
Maschinen, welche, mit elektrischem
Strom gespeist, mechanische
Arbeit leisten. Von der Zeit ab, wo man
mechanische
Energie in elektrische mittels elektrischer
Maschinen umzusetzen gelernt hatte, bedurfte es
lediglich nur noch eines äußern Anstoßes, um umgekehrt elektrische
Energie in mechanische überzuführen. Die notwendigsten
Bestandteile zu dieser Umsetzung waren im
Prinzip bereits durch die
Konstruktion der elektrischen
Maschinen gegeben; man brauchte
nur umgekehrt
Strom in die elektrische
Maschine zu senden, so begann die elektrischeMaschine sich zu drehen
und konnte zum Antrieb irgend welcher Vorrichtungen, also als
Arbeitsmaschine (als
Elektromotor), benutzt werden. Immerhin
aber war die
Umkehrung nur unmittelbar bei den
Gleichstrommaschinen und etwa bei den neuen Mehrphasenstrommaschinen möglich;
bei Wechselstrommaschinen dagegen nur unter gewissen
Bedingungen, oder wenn an der
Maschine noch besondere Vorrichtungen angebracht
waren (s. unten). Durch die bloße
Umkehrung war die
Konstruktion von Elektromotoren
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auch bei den Gleichstrommotoren nur im Prinzip gelöst. Eine fernere Ausbildung mußte ihr Hauptaugenmerk darauf richten, die
Motoren ihrer Aufgabe gemäß passend einzurichten. Anders sind die Anforderungen, welche man an eine stromgebende Maschine
stellt, anders jene, welche die mechanische Arbeitsleistung bezwecken. Und wenn z. B. auch
eine und dieselbe Gleichstrommaschine ebensogut als Maschine wie als Motor arbeitet und es auch eine ganze
Reihe von Fällen gibt, wo einfach gewöhnliche Gleichstrom-Lichtmaschinen als Motoren verwendet werden können, so gibt es
doch noch manche Punkte, welche besonders bei den Motoren von höchster Bedeutung sind.
Zunächst soll ein Motor möglichst wenig Bedienung und Beaufsichtigung erfordern. Diese Bedingung tritt
bei elektrischen Maschinen lange nicht so in den Vordergrund, da Bedienungspersonal schon an und für sich stets vorhanden
sein muß. Zu Erfüllung dieser Bedingung müssen z. B. bei Gleichstrommotoren die Bürsten am Kommutator auch ohne Verstellung
bei jeder Belastung möglichst ohne Funkenbildung arbeiten, was durch ein besonders kräftiges magnetisches
Feld erreicht wird.
Sie müssen ferner kompakt und solide gebaut sein, wenig Platz einnehmen und gegen äußere Einwirkungen (Feuchtigkeit, Staub
etc.) möglichst unempfindlich sein. Anderseits wird in vielen Fällen eine geringe Tourenzahl gefordert, da die meisten der
anzutreibenden Arbeitsmaschinen bei einer solchen arbeiten. Teilweise werden, wie z. B. bei elektrischen
Bahnen, sehr vielfache Forderungen, wie geringes Gewicht, hohe Leistung, geringe Rauminanspruchnahme, leichte Zugänglichkeit
zu den einzelnen Teilen, geringe Tourenzahl und hohe Zugkraft beim Anfahren zugleich gefordert; andre Betriebe verlangen eine
unveränderliche Geschwindigkeit trotz variabler Belastung u. a. Kurzum, der Motor muß seinen jeweiligen Zwecken angepaßt
sein, und diese sind zu verschieden und vielfältig, als daß man eine nur für Lichtzwecke bestimmte
Maschine allenthalben als Motor verwenden könnte.
Gleichstrommotoren sind lediglich Gleichstrommaschinen, in welche der elektrische Strom eingeleitet wird und die dann Arbeit
leisten. Bei Gleichstrom läßt sich also eine und dieselbe Maschine als stromerzeugende Maschine oder als Motor verwenden.
Immerhin ist das Bestreben nicht zu verkennen, einem Motor eine seiner speziellen Aufgabe angemessene
Gestaltung zu geben. Es ist ein ander Ding, Licht
[* 12] zu geben, als mechanische Arbeit zu leisten. Letztere z. B. verlangt eine mäßige
Tourenzahl der Antriebsmaschine, und so ist man denn auch bei der Konstruktion von Motoren vorwiegend daraufhin ausgegangen,
langsam laufende zu erzielen. Ferner sind in vielen FällenMotoren von l/20 bis 1 Pferdekraft am meisten gesucht, während man
Lichtmaschinen von dieser geringen Stärke
[* 13] nie bauen wird, da sie zu klein sind, um in Anlagen Verwendung zu finden.
Wechselstrommotoren sind elektrische Maschinen, welche, mit Wechselstrom gespeist, motorische Arbeit zu
leisten im stande sind. Vorausgeschickt sei, daß die Leistung motorischer Arbeit mittels gewöhnlichen Wechselstroms ein
Problem ist, welches wohl nie für alle praktisch möglichen Fälle gelöst werden wird. Es sind allerdings eine Unzahl verschiedener
Methoden angegeben worden, welche diesen Zweck erreichen sollen, allein bis heute gibt es nur zwei Arten
von Wechselstrommotoren, welche bis zu einem gewissen Grade und bedingungsweise praktisch brauchbar
sind, und zwar 1) die
Wechselstrommaschine als Motor und 2) den synchronen Motor der Firma Ganz u. Komp.; allein die Wechselstrommaschine hat den
fundamentalen Mangel, daß sie, mit Wechselstrom gespeist, erst dann als Motor arbeitet, wenn sie auf eine
bestimmte Geschwindigkeit gebracht worden ist, und der Motor von Ganz u. Komp. hat darin eine tiefgreifende Beschränkung,
daß er, wiewohl er von selbst anläuft, beim Anlaufen keine Zugkraft entwickelt, bis er eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht
hat, und daß er nicht mit hoher Spannung betrieben werden kann.
Die Wechselstrommaschine als Motor zu betreiben erfordert zunächst, daß die Elekromagnete mittels gleichgerichteten
Stromes erregt werden, ferner muß die Maschine auf eine solche Geschwindigkeit gebracht werden, daß die Ankerspulen des Motors
gleichzeitig (synchron) wie die Ankerspulen der stromgebenden Wechselstrommaschine vor den Elektromagnetpolen vorübergehen.
Schaltet man schon früher ein, so werden gegebenen Falles in einem Augenblick zwar die Ankerspulen von
den Magnetpolen in der gewünschten Richtung angezogen werden; ehe sich jedoch die Ankerspulen bis zu einer solchen Stellung
hinsichtlich der Magnetpole bewegt haben, daß eine Umkehrung der Stromrichtung den Ankerspulen zur Weiterbewegung notwendig
wird, tritt schon bei der Erzeugermaschine der Wechsel in der Richtung des Stromes ein, und die Motorspulen,
die eben noch nach einer bestimmten Richtung angezogen wurden, werden wieder abgestoßen; der Motor kommt zum Stehen.
Der Wechselstrom kann also bei einer Wechselstrommaschine nur dann eine Bewegung aufrecht erhalten, wenn die Ankerspulen des
Motors wie des Generators gleichzeitig vor den Magnetpolen vorbeigehen, dann allein trifft der Wechsel in der
Stromrichtung den Motoranker immer gerade in jenem Moment, wo er eines Stromwechsels bedarf. Ist diese Geschwindigkeit einmal
erreicht und wird in diesem Moment die Maschine eingeschaltet, so läuft sie als Motor mit der gleichen Geschwindigkeit weiter,
ohne daß plötzliche Belastungen sie aus ihrem Tempo zu bringen vermöchten.
Tritt jedoch eine plötzliche Überlastung ein und läßt der Motor infolgedessen nur äußerst wenig in seiner Umdrehungszahl
nach, so kommt er sofort zum Stillstand. Zwei Dinge sind somit zum Betrieb von Wechselstrommaschinen als Motoren dringend notwendig:
Der Wechselstrommotor von Ganz u. Komp., Budapest,
[* 15] konstruiert durch die bekannten Ingenieure Zipernowskij,
Déri und Blathy, wird lediglich durch Wechselstrom gespeist. Die Ankerwelle trägt einen Stromwender,
[* 16] auf welchem zwei Bürsten
gleiten, die mit der Magnetwickelung verbunden sind. Der Anker
[* 17] erhält direkt Wechselstrom. Das Prinzip ist folgendes: Wird
Wechselstrom eingeleitet, so erhalten Anker- und Magnetspulen in einem bestimmten Augenblick eine solche
Polarität, daß etwa der Anker in einer bestimmten Richtung angezogen wird. Diese Anziehung dauert noch alt, wenn
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