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