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transcript
Magnetische Induktioll in
Eisen nnd verwandten Metahell.
Von
J. A.. Ewing, ProfesSOI an der Uniyersitiit Cambridge.
Deutshe Moagabe
yon
Dr. L. Holborn und Dr. St. Lindeck.
Mit 163 in den Text gedruckten AMildungen.
Berlin. 1892. Miinchen.
Julius Springer. R. Oldenbourg.
ISBN-13:978-3-642-89245-5 e-ISBN-13:978-3-642-91101-9 DOl: 10.1007/978-3-642-91101-9
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1892
Vorrede ZUl' englischen Ausgabe.
In der neueren Zeit, namentlich aber wahrend des letzten Jahrzehnts, hat unsere Kenntniss von den Erscheinungen der magnetischen Induktion einen merklichen Fortschritt zu verzeichnen. Vielleicht hatte kein Wissenszweig grosseren Nutzen von der wohlthatigen Riickwirkung der Technik auf die Wissenschaft. Die Bemiihungen einer Anzahl von Beobachtern haben es moglich gemacht, eine zusammenhangende Darstellung der Erscheinungen der magnetischen Induktion und derjenigen Eigenscbaften zu bieten, welche die Gruppe der magnetischen Metalle auszeichnen. Natiirlich harren noch viele Fragen der experimentellen Beantwortung; doch kann schon jetzt ein Lehrbuch iiber den Gegenstand einigen Anspruch auf Zusammenhang und Vollstandigkeit machen.
Indem der IVerfasser sich dieser Aufgabe unterzog, hat er die Materie ;nicht vom Standpunkt des wissenschaftlichen Geschichtsschreibers aus in Angriff genommen. Er wollte mehr von den Entdeckungen als von den Entdeckern berichten. In vielen Fallen sind deshalb die Arbeiten friiherer Beobachter gar nicht oder nur ganz kurz erwahnt worden, well dieselben Fragen spater Gegenstand einer ausfiihrlicheren und abschliessenderen Untersuchung waren.
Es war das Bestreben des Verfassers, hinreichend viel Einzelheiten zu bringen, um dem Bediirfniss des wissenschaftlichen Lesers zu geniigen; gleichzeitig sollte es aber auch diejenigen nicht im Stiche lassen, welche aus ihm Zahlenangaben zum Zwecke technischer Verwerthung entnehmen wollen.
IV Vorrede zur englischen Ausgabe.
Ueberall wurden Litteraturhinweise auf die Originalarbeiten fiir diejenigen beigefUgt, welche sich eingehender mit dem Gegenstand beschaftigen wollen.
Nach einem einleitenden Kapitel iiber die fundamentalen Begriffe und die Terminologie folgt eine Darstellung derjenigen Methoden, welche gewohnlich zur Messung der magnetischen Eigenschaften der Metalle verwandt werden. Es werden dann Beispiele solcher Beobachtungsreihen fiir verschiedene Proben von Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt mitgetheilt. Die nachsten .Abschnitte handeln iiber magnetische Hysteresis und iiber. die charakteristischen Eigenthiimlichkeiten der 1nduktion in sehr schwachen und in sehr starken magnetischen Feldern; dabei werden weitere experimentelle Methoden und ihre Zahlenergebnisse erlautert. Der Einfluss der Temperatur und der von elastischen Kraften bilden den 1nhalt der beiden nachsten Kapitel. Hierauf wird der Begriff des magnetischen Kreises erklart, und es werden einige Versuche besprochen, die sich am besten nach dieser wesentlich neuen .Anschauung behandeln lassen. Den Schluss bildet ein .Abschnitt fiber die Molekulartheorie der magnetischen 1nduktion, und es sind gleichzeitig eine .Anzahl verschiedenartiger Beobachtungen erwahnt, welche durch die Molekulartheorie verstandlich werden.
Durch das ganze Buch hindurch ist sowohl der Begriff der 1ntensitat der Magnetisirung (I), als auch derjenige der magnetischen 1nduktion (B) benutzt worden. Von einigen 'Seiten wurde darauf hingewiesen, dass auf diese Weise eine unnothige und nur verwirrende .Alternative geboten werde, und dass, wenn wir an B festhalten, wir I nicht nothig haben. Der wissenschaftliche Werth und der praktische Nutzen der Grosse B ist freilich so augenfiillig, dass niemand von ihrer .Anwehdung abrath. "I" sollen wir fallen lassen. Der Verfasser kann sich hiermit keineswegs einverstanden erklaren. Es ist nicht zu viel gesagt, dass bei der Bezeichnung der magnetischen Eigenschaften eines Metalls die Grosse "I" von primarer Wichtigkeit ist. Die Erscheinung der Sattigung, die Molekulartheorie und die magneto-optischen Phanomene be-
Vorrede zur englischen Ausgabe.
weisen aIle ihre physikaJische Existenz und ihre fundamentale Bedeutung.
Der Verfasser ergreift auch hier die Gelegenheit, einer Anzahl seiner SchUler fUr die bereitwillige und werthvoIle Hiilfe zu danken, die sie ihm bei der Durchfiihrung von Beobachtungen iiber einige in diesem Buche behandelte Gegenstande geliehen haben. Die Herren Tanakadate, Fujisawa, Tanaka und Sakai in Japan, sowie W. Low, Cowan, D. Low und Fr ee in Dundee waren talentvolle und sympathische Mitarbeiter, deren Interesse so lebhaft als ihre Geduld unerschopflich war.
Einen Beweis, wie weit unser Gegenstand noch von einem voIlkommenen Abschluss entfernt ist, liefert, gerade als die letzten Seiten des Buches durch die Presse gehen, die Veroff'entlichung eines Versuches von Prof. J .. J. Thomson; er bewies namlich, dass Eisen durch so rap ide Aenderungen del' magnetischen Kraft noch stark magnetisirbar ist, wie sie bei del' Entladung einer Leydener :B'laschc erzeugt werden. Ferner wies er daraut' hin, dass das AuslOschen der elektrischen Schwingungen, wenn die Entladung durch eine Spule mit Eisenkern erfolgt, trotz del' ausserordentlich hohen :B'requenz del' Cyklen auf magnetische Hysteresis zuriickzufiihren ist. Unabhangig davon angestellte Versuche fiihrten Prof. Trowbridge zu demselben Schlusse. Die Anwendung, welche Prof. Thomson von Vakuumrohren ohne Elektroden, an Stelle von sekundaren Spulen, macht, eroffnet der magnetischen ]i'orschung neue, von ihm zuerst betretene Wege.
Cambridge, den 28. Nov. 1891.
Vorrede znr deutschen Ausgabe.
Eine genaue Kenntniss der Vorgange, die mit der Magnetisirung des Eisens und der verwandten Metalle verbunden sind, ist heut zu Tage fUr den Elektrotechniker ebenso wichtig wie fUr den Physiker. Trotzdem fehite es bis jetzt an einem Lehrbuche, das die Ergebnisse der experimentellen Forschung iibersichtlich zusammenstellte und es vielen erspart, auf die oft nur schwierig zuganglichen Originalarbeiten immer wieder zuriickzugehen.
Die vorliegende Uebersetzung schliesst sich iiberall an die englische Ausgabe an. Nur an wenigen Stellen sind von den Uebersetzern Anmerkungen beigefiigt, die drirch eckige Klammern als solche gekennzeichnet sind. Kapitel 1, 2, 3, 8, 10 und 11 sind von Dr. HoI born, die iibrigen von Dr. Lindeck iibersetzt worden. Der letzte Theil des Anhangs riihrt von Herrn Privatdocenten Dr. du Bois her, der sich auch an der Lesung der Korrektur freundlichst betheiligte und manche gute Rathschlage ertheilte.
Chariottenburg, September 1892.
Inhalt.
Erstes Kapitel.
Einleitung.
Seite
1. Einleitung . 2. Magnetische Pole, Achse und
Moment. 2 3. Magnetisches Feld und mag-
netische Kraft 3 4. Magnetische Kraftlinien 4 5. Gleichfiirm. magnetisches Feld 6 6. Kontinuitiit des magnetiscben
Zustandes 7 7. lntensitiit der Magnetisirung 7 8. Beziehung zwischen der lnten-
sitiit lund der Poistiirke m 8 9. Ringmagnet 8
10. Magnetisirungslinien 9 11. Magnetisirungslinien (Fort-
setzung). 9 12. Magnetiscbe Kraft innerhalb
des Metalls 11 13. Magnetische Induktion 11 14. Unterscbied zwischen magne
tischer lnduktion und magnetischer Kraft in dem Metall. 12
15. Beispiele 13 16. Magnetische Permeabilitiit 14 17. Permeabilitiit von paramagne
tischen und diamagnetischen Stoffen 15
Seite
18. Beispiele fiir die Permeabi-litiit 16
19. Magnetische Susceptibilitiit 18 20. Beziehung zwischen den Be
griffen Permeabilitiit und Sus-ceptibilitiit . 18
21. Fortsetzung 19 22. Einfluss der Form auf die
Magnetisirung . 20 23. Ein langer Stab im gleich
fiirmigen Felde, dessen Kraftlinien seIDer Liingsrichtung parallel sind 21
24. Analogie zwischen inducirtem Magnetismus und elektrischem Leitungsvermiigen 22
25. Beispiele fUr gleichfiirmige Magnetisirung; Ellipsoid. 23
26. Magnetisirung eines Ellipsoids (Fortsetzung) . 24
27. Vertheilung des freien Magnetismus in einem gleicbfiirmig magnetisirtell Ellipsoid 25
28. Moment des Ellipsoids 27 29. Anwendung auf den Fall einer
Kugel 27 30. Fortsetzung 29
VIII Inhalt.
Seite
31. Transversale Magnetisirung eines langen cylindrischen Stabes mit kreisformigem Querschnitt in einem gleichformigen Felde . . . . . 30
32. Diinne, senkrecht zu ihrer Ebene in einem gleichformigen Felde magnetisirte Scheibe. 31
. Selte
33. Liingliches Ellipsoid; Einfluss der Lange auf die magnetisirende Kraft. . . . . . 31
34. Remanenter Magnetismus und Remanenz . . . 33
35. Entmagnetisirende Kraft 33 36. Entmagnetisirende Kraft bei
Ellipsoiden. . . .. 34
Zweites Kapitel.
Magnetische Messungen: Die magnetometrische Methode.
37. Methoden fiir magnetische Messungen . 36
38. Eintheilung der Methoden: Magnetometrische und bal-listische Methode 37
39. Magnetometrische Methode. 38 40. Fortsetzung 40 41. Einzelheiten der magneto-
metrischen Methode 41 42. EntmagnetisirungdurchStrom-
wechsel . : 46 43. Regulirung des Stromes, der
die Wirkung der vertikalen Komponente der Erdkraft kompensiren soIl 46
44. Direktionskraft des Magneto-meters 47
45. Beispiel fiir die Untersuchung von Eisen nach der magneto-metrischen Methode 49
46. Magnetisirungskurve 51 47. Remaneter Magnetismus und
Koercitivkraft. 53 48. Riickwirkung des untersuch
ten Drahtes auf das magne-tisirende Feld 53
49. Differentiale Susceptibilitat und Permeabilitat 55
50. Bemerkungen zu der magneto-metrischen Methode 56
Drittes Kapitel.
Magnetische Messnngen: Die ballistische Methode.
51. Die ballistische Methode . 59 56. Berechnung von B aus bal-52. Erdinduktor 60 listischen Messungen 66 53. Aichung des ballistischen 57. Magnetische Kraft in Ringen 67
Galvanometers 62 58. Schlussjoch 68 54. Dampfung und Kalibrirung 59. Hopkinson's Anordnung der
des ballistischen Galvan 0- Schlussjochmethode. 69 meters 63 60. Doppeltes Schlussjoch. 70
55. Untersuchung von Ringen 61. Beispiel fiir die ballistische und Staben mit Hiilfe des Methode 71 ballistischen Galvanometers . 64
Inhalt. IX
Viertes Kapitel.
Beispiele.
Seite
62. Ballistische Methode mit Umkehrung des Stromes: Magnetisirung eines Eisenringes (Rowland). . . . . . . 74
63. Cyklischer Magnetisirungsprocess: Langer Eisendraht. 76
64. Magnetisirung von Eisenstaben verschiedener Lange. 78
65. Stab aus Schmiedeeisen . . 80 66. Magnetisirungvon mechanisch
gehitrtetem Eisen . . . . 81 67. Magnetische Eigenschaften
von Stahl . . . . . . . 82 68. Magnetisirung von Klavier
saitendraht. . . . . . . 84
Seite
69. Gusseisen . . . . ., 85 70. Unmagnetische Stahlsorten 85 71. Nickel . . . . . .. 86 72. Kobalt . . . . . .. 87 73. Kurven der Permeabilitiit und
Susceptibilitiit . . . . . 88 74. Kurven der Susceptibilitiit fiir
einen Draht aus Schmiedeeisen. . . . . . . . . 88
75. Kurven der PermeabilitiLt fiir Nickel . . . . . . . . 90
76. Kurven der Permeabilitiit fiir Kobdt . . . . . . . . 90
Fiinftes Kapitel.
Magnetische Hysteresis.
77. Magnetische Hysteresis. . 92 78. Wirkung der Hysteresis. . 93 79. Energievergeudung in Folge
magnetischer Hysteresis. . 97 80. Thermische Wirkung eines
Kreisprocesses . . . . . 101 81. Werthe fiir das fRdl . . 102 82. Energievergeudung beim Um
magnetisiren von masslg stark magnetisirten Metallen 104
83. Einfluss der Geschwindig-keit auf die magnetische Hysteresis . . . . . . 107
84. Einfluss von Erschiitterung 110 85. Versuche iiber den Einfluss
von Erschiitterongen bei der Magnetisirung eines weichen Eisendrahtes. . . . . . III
Sechstes Kapitel.
Magnetlsirung in schwachen Feldern.
86. Permeabilitiit bei schwachen magnetischen Kraften 116
87. Versuche von Lord Rayleigh 118 88. Magnetische Verzogerung in
schwachen Feldern 120
89. Weitere Versuche iiber den zeitlichen Verlauf der Magnetisirung . . . . . . . 123
90. Molekulare Akkommodation 127
x Inhalt.
Sieb entes Ka pi tel.
Magnetisirnng in starken Feldern.
Seile
91. :Nlagnetisirung in stark en Feldern. . . . . . . 128
92. Die Isthmus-Methode . . 130 93. Erste Anwendung der Isth-
mus-Methode . . 131 94. SpiHereBeobachtungen nach
der Isthmus-Methode . . 136 95. Theorie der Isthmus-Me
thode: Kegelwinkel fiir das Maximum der Koncentration 137
96. Maximum der magnetischen Kraft bei Verwendung von kegelfiirmigen Polschuhen. . .. 139
97. Kegelwinkel zur Erzielung eines miiglichst gleich-fiirmigen Foldes . 141
98. Weitere Versuche mit Schmiedoeisen. .. 142
Seite
99. Gusseisen und Stahl bei sehr hohen Feldstarken 143
100. Hadfield's Manganstahl bei hohen Feldstarken . 145
101. Nickel und Kobalt bei hohen Feldstarken . 146
102. Zusammenstellung der Ergebnisse der Isthmus-Methode. . . . . . . . 147
103. Apparat fUr die Isthmus-Methode. . . .. 149
104. Versuche von du Bois bei hohen Feldstarken; Optische Methode. 151
105. Resultate der optischen Messungen .... 153
106. Magnetisirung von Magnetit 155 107. Versuche mit Ellipsoiden. 155
Achtes Kapitel.
Einflnss der Temperatur anf den Magnetismns.
108. Aufhiiren der Magnetisirbarkeit bei hoher Tempe-ratur . 158
109. Aenderung des physikalischen Zustandes bei der kritischen Temperatur 159
110. Einfluss der Temperatur unterhalb ihres kritischen Werthes . 161
111. Hopkinson's Versuche iiber dieMagnetisirung desEisens bei verschiedenen Tempe-raturen 162
112. Whitworth's weicher Stahl 165 113. Whitworth's harter Stahl. 166
114. Hopkinson's Versuche mit Nickel 167
115. Einfluss von kleinen Tem-peraturanderungen 169
116. Einfluss von Temperaturanderungen bei konstanter magnetischer Kraft 171
117. Abwechselnde Erwarmung und Abkiihlung von magne-tisirtem Eisen . 172
118. Hysteresis der Magnetisirung in Folge von Tem-peraturanderungen 175
119. Hopkinson's Versuche mit Nickeleisenlegirungen 177
Inhalt. XI
Neuntes Kapitel.
Einlluss von elastischen ]{raften auf die Magnetisirung.
Seile
120. Einleitung 182 121. Einfluss eines longitudi
nalen Zuges auf die Susceptibilitat und die Rema-nenz von Nickel . 184
122. Einfluss von longitudinalem Druck auf die Susceptibi-litat u. Remanenz von Nickel 187
123. Einfluss der cyklischen Veranderung einer longitudi-nalen Zngkraft auf die Magnetisirung von Nickel. 190
124. Einfluss von longitudinal em Zug auf Eisen. 191
125. Weiches Eisen unter del' Wirkung von Zugkraften. 191
126. Gehartetes Eisen unter dem Einfluss eines Zuges 193
127. Wirkung eines Zuges auf bereits magnetisirtes Eisen 196
128. Hysteresis in der Wirkung elastischer Krafte 199
129. Einfluss von Erschiitterungen auf die Wirkung elastischer Kriifte 200
130. Einfluss der Belastung auf ausgegliihtes Eisen 201
131. Wirkung eines longitudina-len Zuges bei Kobalt 202
132. Beziehung zwischen der Wirkung elastischer Krafte auf den Magnetismus und den Dimensionsanderungen, die magnetische Metalle in Folge ihrer Magnetisirung erleiden . 203
133. Nachwirkung elastischer Krafte, die vor der Magne-tisirung wirksam waren 204
Seite
134. Versuche iiber die Nachwirkung elastischer Krafte 206
135. Andere Belege fiir das Auftreten der Hysteresis 1D
Folge von elastischer Be-einflussung . 209
136. Wirkung der Torsion auf die Magnetisirung 211
137. Magnetische Aeolotropie 212 138. Erzeugung einer longitudi
nalen Magnetisirung durch Torsion eines cirkular mag-netisirten Drahtes 214
139. Erzeugung von Torsion durch gleichzeitige cirkulare und longitudinale Maguetisirung . 215
140. Induktionsstriime, die bei del' Magnetisirung tordirter Stabe odeI' beim Tordiren magnetisirter Stabe auf-treten. 216
141. Gleichzeitige Wirkung von Zug und Torsion auf die Magnetisirnng von Eisen und Nickel. 219
142. Wirkung von cyklischer Torsion auf Nickel bei gleichzeitiger longitudinaler Dehnung 222
143. Deformation in Folge von Magnetisirung . 225
144. Einfluss von longitudinalem Zug auf die vorstehenden Erscheinungen. 229
145. Inn ere Krafte in einem magnetisirten Stabe oder Ringe in Folge del' Magne-tisirun g 230
XII Inhalt.
Seite
146. Zugkraft von getheilten Magneten . . . . 231
14 7. Beziehung zwischen Zug-kraft und Magnetisirung . 233
Seite
148. Bestimmung der Magnetisirung durch Messung der Zugkraft. . . . . . . 235
Zehntes Kapitel. Der magnetische Kreis.
149. Der magnetische Kreis. 238 150. Magnetische Induktions-
rahren; magnetischer Kraftlinienstrom und vollkommener magnetischer Kreis 239
151. Unvollkommener magneti-scher Kreis. 240
152. Linienintegral der magnetischen Kraft oder magnetomotorische Kraft .241
153. Werth des Linienintegrals der magnetischen Kraft 242
154. Gleichung fiir den magne-tischen Kreis 244
155. Beispiele; geschlossener Ring 247
156. Aufgeschnittener Ring . 252 157. Vergleichung eines aufge
schnittenen Ringes mit einem Ellipsoid 252
158. Graphische Darstellung fiir den Einfluss eines schmalen Einschnitts . 255
159. Graphische Darstellung fiir die Beziehung zwischen dem Kraftlinienstrom und der magnetomotorischen Kraft 257
160. Anwendung auf Dynamo-maschinen 259
161. Schlussjoch . 261 162. Magnetischer Widerstand
von Schnittflachen 263 163. Berechnung einer aquiva-
lenten Luftschicht 264 164. Einfluss von Druckkraften
auf den magnetischen Widerstand einer Schnitttlliche 267
165. VersuchemitrauhenSchnitt-tlachen 268
Elftes Kapitel. :Molekularlheorie.
166. Theorie von Poisson und W. Weber. 272
167. Experimentelle Beweise fiir die Weber'sche Theorie 273
168. Die Weber'sche Theorie (Fortsetzung) 274
169. Maxwell's Ablinderung der Weber'schen Theorie 275
170. Reibungswiderstand bei der Drehung der Molekular-magnete . 276
171. Die gegenseitige Wirkung der Molekularmagnete auf einander . 277
172. Gruppe von zwei Molekiilen 278 173. Gruppe von vier Molekular-
magneten 284 174. Stetige Vertheilung der
Molekiile in kubischer An-ordnung . 286
175. Uebereinstimmung der Theorie mit der Erfahrung 287
Inhalt. XIII
Seite
176. Remanenter Magnetismus. 289 177. Versuche iiber den rema
nenten Magnetismus des Eisens 290
178. Remanenz des Nickels. 297 179. Grosse der Remanenz, die
nach der Molekulartheorie miiglich ist . 298
180. Hysteresis und Energiever-lust 300
181. Energieverlust in den Eisenkernen von Transformatoren in Folge von Hysteresis 302
182. Abnahme der Hysteresis in Foige von Erschiitterungen und anderen Stiirungen 303
183. Die Molekulartheorie und der Einfluss der Tempe-ratur . 307
Seite
184. Zeitlicher Verlauf der Mag-netisirung 308
185. Einfluss von permanenten mechanischen Deforma-tionen 309
186. Einfluss der Wiederholung magnetischer Processe . 311
187. Einfluss von elastischer Deformation 318
188. Hysteresis in den Aenderungen der molekularen Konfiguration nicht magne-tisirter Kiirper. 321
189. Experimentelles Studium von Molekiilgruppen an Modellen 322
190. Ampere's Hypothese iiber die Natur der magnetischen Molekiile 324
Anh an g.
Apparat zurn Zeichnen von Magnetisirungskurven 328
Magnetisirung von Eisenstaben verschiedener Lange. 331
Bestimmung der Magnetisirung durch' Messung der Zug-kraft . . . . . . . . 332