Magnetische Störungen durch die elektrische Strassenbahn im physikalischen Institute der technischen Hochschule München. Von Privatdozent Dr. Karl T. Fischer. Magnetische Störungen durch die elektrische Strassenbahn im physikalischen Institute der technischen Hochschule München. 1. Als vor 2 Jahren in nur 150 m Entfernung vom physikalischen Institut unserer Hochschule eine elektrischeTrambahnlinie vorbeigeführt werden sollte – die sogen. Ringlinie –, erhob zwar dessen Vorstand Prof. Dr. H. Ebert keinen Einspruch gegen die Wahl des Oberleitungssystems, um der Entwickelung des Verkehrs seitens eines wissenschaftlichen Institutes nicht im Wege zu stehen, stellte aber die Bedingung, dass im Falle grössere Störungen eintreten sollten, die Trambahngesellschaft dem Institute eine entsprechende Summe zur Anschaffung von Galvanometern mit kräftigen, feststehenden Magneten und beweglicher Spule – Deprez-d'Arsonval-Typus – zur Verfügung stellen müsse – eine Bedingung, die sowohl das königl. bayerische Kultusministerium wie die Trambahngesellschaft als den einfachsten Ausgleich in der nicht leichten Interessenfrage anerkannten. Als später die Trambahnlinie in Betrieb genommen war und ich von Prof. Ebert veranlasst wurde, die Messung der Störungen vorzunehmen, habe ich die folgende Untersuchung angestellt, welche den Zweck hat, mit möglichst einfachen Mitteln den Gang der Störungen der magnetischen Deklination während mindestens 36 Stunden genau messbar mi verfolgen. Textabbildung Bd. 315, S. 657 Fig. 1 2. Zur Kennzeichnung der Situation dient Fig. 1, welche das Leitungsnetz der Münchener Strassenbahn darstelltDieselbe wurde mir in freundlichster Weise von der Trambahngesellschaft und Herrn Betriebsingenieur A. Reitz zur Verfügung gestellt.; soweit die Linien stark ausgezogen sind, erfolgte zur Zeit der Beobachtung (21. bis 23. Dezember 1899) der Betrieb elektrisch; auf den schwach gezeichneten Linien waren noch Pferde in Verwendung. Die Zuführung des Stromes geschieht durch eine blanke Oberleitung, die Rückleitung erfolgt durch das Schienendoppelgeleise; die Betriebsspannung ist die der städtischen Zentrale, welche die Trambahn mit Gleichstrom versorgt und beträgt 600 Volt. Von der Zentrale Z aus führen Kabel von dem angegebenen Querschnitt den Strom den Speisepunkten SP der Oberleitung zu, und von einigen Punkten des Netzes wird von den Schienen aus der Strom durch eigene Rückleitungskabel, die gleichen Querschnitt wie die Zuleitungskabel haben, zur Zentrale zurückgeführt. Die Zentrale Z liegt ziemlich weit im Osten der Stadt; der Beobachtungsort B, ein Kellerraum unseres physikalischen Institutes, ist 170 m von der Theresienstrasse, 350 m von der Augustenstrasse entfernt. Die verwendeten Trambahnwagen erfordern etwa 30 bis 40 Ampère Stromstärke zumAnfahren; die mittlere Stromstärke der Theresienstrassenleitung dürfte unter Tags auf rund 150 Ampère zu veranschlagen sein (genauere Zahlen sind darüber nicht vorhanden). Der Schienenquerschnitt des Doppelgeleises entspricht 2750 qmm Kupferquerschnitt und würde pro Kilometer 0,005 Ohm Widerstand geben, falls die Verbindungswiderstände, welche in unserem Falle unbekannt sind, nicht berücksichtigt werden. Der Boden, in den die Schienen eingelassen sind, hat Kiesgrund und ist stark kalkhaltig. Da die magnetischen Störungen durch Strassenbahnen hauptsächlich durch Erdströme verursacht sindVgl. Voller, Störungen magnetischer und elektrischer Messinstrumente durch elektrische Strassenbahnströme (Elektrotechnische Zeitschrift, 1895 Bd. 16 S. 288 bis 291).J. Edler, Untersuchungen des Einflusses der vagabundierenden Ströme elektrischer Strassenbahnen auf erdmagnetische Messungen (Elektrotechnische Zeitschrift, März 1900 Nr. 10)., so ist von vornherein klar, dass dieselben vom Wetter sehr abhängig sind; an den Beobachtungstagen lag fusshoher Schnee und die Lufttemperatur war seit mehreren Tagen – 5 bis – 10° C. Textabbildung Bd. 315, S. 657 Fig. 2 3. Das verwendete magnetische Instrument (Fig. 2) war ein aus dem mechanischphysikalischen Institut von Professor Dr. M. Th. Edelmann uns freundlichst zur Verfügung gestelltes, sehr empfindliches Variationsmagnetometer und hatte folgende einfache Einrichtung: Im Torsionskopfe T ist mit bifilarer Aufhängung, die mit Schraube B reguliert werden kann, an feinem Kokonfaden ein Glockenmagnet G gehalten, welcher in einer Kupferkugel K schwingt, und durch sie aperiodisch gedämpft ist; die Bewegungen des Glokkenmagneten können durch einen von dem Spiegel S reflektierten Lichtstrahl sichtbar gemacht werden; Spiegel S ist durch ein dünnes Aluminiumstängchen mit dem Glockenmagneten fest verbunden. Zum Schütze gegen Luftströmungen ist ein Gehäuse H aufgesteckt, welches zwei zu einander senkrecht stehende Fenster enthält, durch deren eines ein Lichtstrahl auf den Spiegel eintreten und durch deren anderes das Licht wieder austreten kann. MM1 sind zwei Magnete; sie können durch die Parallelführung PP und die Schneckenschraube A verstellt werden und dienen dazu, die Wirkung des Erdfeldes auf den Glockenmagneten abzuschwächen, d. i. den Glockenmagneten zu astasieren; die Astasierung muss so weit getrieben werden, dass sich der Glockenmagnet ostwestlich einstellt, und dass die richtende Kraft auf ihn hauptsächlich von der bifilaren Aufhängung ausgeübt wird. Textabbildung Bd. 315, S. 658 Fig. 3 4. Der Beobachtungsraum, welcher verdunkelt und mit schwarzer Farbe gestrichen wurde, lag 3 m unter der Erdoberfläche; seine Orientierung und die Aufstellung der Instrumente ist aus Fig. 3 ersichtlich. Von dem Faden der 16 kerzigen Glühlampe GEin Vorversuch mit einem durch Auer-Licht beleuchteten Spalt liess erkennen, dass die Glühlampe keine in Betracht kommende Störung verursacht; der Sicherheit wegen wurde daher für die grosse Versuchsreihe die Glühlampe verwendet. wird mittels der Sammellinse L von 115 cm Brennweite ein reelles Bild auf lichtempfindliches EntwickelungsbromsilberpapierGeliefert von Schäufelen in Heilbronn am Neckar. entworfen. Um während eines grösseren Zeitraumes die Bewegung des Lichtzeigers verfolgen zu können, ist, wie Fig. 4 zeigt, eine 10 m lange, 27 cm breite Rolle Bromsilberpapier mit Zwischenlage von schwarzem Papier auf der oberen Rolle aufgewickelt, von welcher es auf die untere abgerollt werden kann; beide Rollen sind aus Karton hergestellt, auf Messingächschen mittels Flanschen festgeklemmt und in ein aus Messingstangen hergestelltes Gerüste eingebaut; um das Papier gespannt zu halten, sind an den Achsen Walzen befestigt und über diese Darmsaiten mit den Gewichten P1P2 gewunden; um die Umdrehung der Rollen zu regulieren, ist eine gewöhnliche starke Ladenuhr mit 14 tägigem Gang verwendet, an deren Minutenzeiger ein Schlitzstück S angebracht ist, welches in das Gabelstück G eingreift, wenn die zwischen zwei Schienen geführte Uhr genügend genähert wird. Der Durchmesser der unteren Papptrommel ist = 19,0 cm, so dass ihr Umfang pro Minute um ungefähr 1 cm vorrückt. Da die Uhr zu schwach wäre, um die Papierrollen zu treiben, so ist das Gewicht P2 grösser gewählt als P1, und zwar um so viel grösser, dass dadurch nicht nur die Reibung der beiden Trommeln überwunden wird, sondern dass sogar noch auf die Uhr ein geringer Antrieb ausgeübt wird; es ist nur nötig, dieses Gewicht passend zu nehmen und den Stundenzeiger der Uhr fest aufzuklemmen, um einen durchaus gleichmassigen Gang der Uhr zu erzielen; ob die Uhr fürsich allein geht oder mit den Registrierwalzen verbunden ist, übt nur einen geringen Einfluss auf ihren Gang aus und hatte nur etwa 3 Minuten Gangdifferenz in 24 Stunden zur Folge. Die komplette Uhr in der angegebenen Weise zu benutzen, liefert die sehr wichtige Möglichkeit, am Zifferblatt der Uhr in jedem Moment absehen zu können, wie weit das Papier abgewickelt war, und ob der Apparat regelmässig funktionierte. Um das lichtempfindliche Papier gegen das Licht des Beobachtungsraumes zu schützen, sind die Rollen in einen Kasten aus schwarz ausgestrichenem Zinkblech eingesetzt, welcher eine vorn aufklappbare Thüre mit 2 mm breitem Schlitz trägt. Ausserdem ist zum besonderen weiteren Schütze noch eine Blende bB mit regulierbarer Schlitzweite – anfangs 0,5 mm, später 0,9 mm – in den Kasten, unmittelbar vor der unteren Rolle einschraubbar. Textabbildung Bd. 315, S. 658 Fig. 4 5. Zur Prüfung der Empfindlichkeit des Magnetometers wurde aus einem weit entfernten Zimmer ein Stabmagnet (15 cm lang, 1,5 cm Durchmesser) geholt, in den durch das Instrument gehenden Meridian unmittelbar vor den Registrierapparat gelegt (Fig. 3) und einigemal um 180° gedreht. Da das magnetische Moment dieses Stabes nach einem von Gauss angegebenen Verfahren (durch Ablenkungs- und Schwingungsversuche) vorher bestimmt werden konnte, so liess sich berechnen, um wie viel die magnetische Feldstärke an der Stelle des Magnetometers durch die Nähe des Stabmagneten geändert wurde; gleichzeitig wurde nachgesehen, welcher Ausschlag des Lichtzeigers durch den Magneten verursacht wurde. Natürlich wurden die Ablenkungsversuche angestellt, während der Registrierapparat in Gang war. Das Resultat einer solchen Aufzeichnung ist aus Fig. 5, Kurve I, zu ersehen. In A ist die Registrierkurve dadurch unterbrochen, dass ein Ablenkungsversuch eingefügt wurde. B C D E F G H sind Ablenkungsmarken; die geraden Linien sind nach der Entwickelung des Papiers einkonstruiert; um Anhaltspunkte für die Zeit zu gewinnen, zu welcher gerade eine bestimmte Stelle des Papiers vor den Schlitz trat, wurde von Zeit zu Zeit vor demselben ein Zündholz abgebrannt; solche Zeitmarken waren um so nötiger, als die pro Stunde abgewickelte Papierlänge sich nicht genau gleich blieb, da im Laufe der Zeit auf der unteren Rolle mehrere Lagen übereinander zu liegen kamen. Textabbildung Bd. 315, S. 659 Fig. 5.(Massstab 1 : 2). Die Kurve II entstand dadurch, dass nach einmaligem Ablauf des Papiers, dessen Enden an der unteren und oberen Trommel festgeklebt waren, der ganze Streifen bei rotem Licht zurückgedreht und – aus Sparsamkeitsgründen– auf demselben eine zweite Beobachtungsreihe registriert wurde. Bei dieser zweiten Kurve (27) wurde die Empfindlichkeit des Variometers um die Hälfte erhöht, was durch Verstellen von T und PP der Fig. 2 erreicht wurde. Textabbildung Bd. 315, S. 659 Fig. 6 6. In den folgenden Kurven (Fig. 6), welche Verkleinerungen von Pausen der Originalkurven im Massstab 1 : 3,3 sind, sieht man deutlich, wie die Störungen während der Nacht fast zu Null werden; die Beobachtungsreihe wurde am Donnerstag 21. Dezember 1899 abends begonnen und bis Samstag nachmittags fortgesetzt; die wichtigsten Partien der Kurven sind hier reproduziert. Nach 9 Uhr abends zeigen die Kurven bereits geringere Ausbiegungen, im Zusammenhang damit, dass von dieser Zeit ab auf den dem Polytechnikum benachbarten Linien 10 – Minuten – Betrieb herrschte (vgl. 920 bis 930, 940). Nach 10 Uhr nehmen die Störungen weiter ab; die punktierten Strecken sind in den Aufzeichnungen nicht klar zum Ausdruck gekommen; um 10 ½ Uhr treten wieder mehrere Kräuselungen ein, da um diese Zeit Theaterwagen liefen; nachdem um 11 ½ Uhr die letzte Tram die Theresienstrasse passiert hatte, wurde die Kurve nahezu zackenfrei; es sind daher für die Zeit zwischen 12 Uhr nachts und Freitag 3 Uhr morgens nur kurze Stücke reproduziert. Die grosse Ruhe während der Nacht benutzte ich, um mit meinem Kollegen Herrn Heinrich Alt zu untersuchen, wie weit elektrische Ströme, welche im Institute verwendet werden, Störungen verursachen. Seitens unserer Beleuchtungsanlage war eine solche zu fürchten, weil das Magnetometer sich nur 12 m weit von den Zuleitungen befand, und unser System aus drei parallel geführten Leitern mit blankem Mittelleiter besteht. Um 305 nachts schaltete Herr Alt vier Bogenlampen à 8 Ampère in dem nur 40 m entfernten Hörsaale für Physik der Reihe nach ein, liess die eine, dann zwei, dann drei, je ½ Minute, alle vier 2 Minuten lang brennen und schaltete dann so rasch wie möglich alle vier aus, während ich beim Magnetometer im Keller stand und alle 2 Minuten eine Zeitmarke durch Abbrennen eines Streichholzes fixierte. 313 wurde eine Serie von acht Glühlampen, welche zur Tafelbeleuchtung in demselben Hörsaal dienen, eingeschaltet. Die hierdurch hervorgerufenen Störungen sind deutlich in der Kurve zu erkennen. Einige andere Einflüsse, wie z.B. eines starken Ruhmkorff''schen Elektromagneten, der 80 m vom Beobachtungsort entfernt war und mittels einer im Institut befindlichen Akkumulatorenbatterie gespeist wurde, waren nur geringfügig. Nachdem wir eine Stunde lang Störungen des eigenen Instituts geprüft hatten, verlief die Kurve ziemlich geradlinig weiter. 419 kamen die Heizer, welche den grossen, nur 20 m vom Apparat entfernten Zentralheizungskessel zu bedienen hatten, und man erkennt deutlich die Wirkung, welche ihre Hantierungen auf das Variometer ausübten (vgl. 420, 427, 613). Die Zeiten, während welcher sie im benachbarten Raum arbeiteten, wurden selbstverständlich notiert, und entsprechende Zeitmarken angebracht. Gegen 650 morgens setzten mit dem Trambahnverkehr auch die grösseren Störungen wieder ein. Freitag, 22. Dezember, war aus zwei Gründen besonders geeignet, einmal, weil an der technischen Hochschule die Weihnachtspause bereits in ihre Rechte getreten war, und namentlich in unserem Institut grössere Störungen vermieden werden konnten, überhaupt in der Hochschule wenig Strom verbraucht wurde, und dann, weil an diesem Tage die Trambahnwagen unregelmässig liefen. In der Zeit von 8 bis 9 Uhr war der Trambahnbetrieb ganz unterbrochen, aber leider war gerade um diese Zeit das Uhrwerk stehen geblieben. In den folgenden Kurvenstücken sind die Zeiten 1127 und 1145 sehr interessant; es hatten um diese Zeit sechs Wagen in der Nähe des Polytechnikums angehalten und sich bald darauf wieder in Bewegung gesetzt. Während des ganzen Vormittags notierte Herr Alt und ich die Zeiten, in denen Trambahnwagen an der vom Uebungssaale unseres Instituts aus sichtbaren Haltestelle Arcis-Theresienstrasse hielten bezw. weiterfuhren; es liess sich aber keinerlei direkter Zusammenhang zwischen diesen Zeiten und den Zeiten maximaler Ausbiegung der Kurven finden. Das ist auch nicht zu verwundern, nachdem bekanntermassen hauptsächlich die im Erdboden fortgepflanzten Ströme die magnetischen Störungen bewirken und diesbezüglich für uns hauptsächlich die Spannungsdifferenz zwischen den Schienen in der Theresienstrasse und Ecke Augusten- und Dachauerstrasse massgebend ist (vgl. Fig. 1); und diese Spannungsdifferenz hing nicht bloss davon ab, wie viele Wagen bei uns vorbeipassierten, sondern auch wie viele in der Nähe der erwähnten Kreuzung sich bewegten. Da während des ganzen Tages Schneefall herrschte, so blieben die Kurven den ganzen Freitag über sehr unregelmässig, und glichen ganz dem zwischen 330 und 430 erhaltenen Probestück. 7. Messung der mittleren Aenderung der magnetischen Feldstärke in Richtung des Meridians infolge der Trambahnstörung: Wie schon erwähnt, wurde von Zeit zu Zeit ein Magnetstab von bekanntem magnetischem Moment M = 2300 Einheiten des gebräuchlichen Cent.-Gr.-Sek.-Systems in225 cm Entfernung, in den durch das Variometer gehenden magnetischen Meridian eingestellt und nach der Entwickelung des Papieres ersehen, welcher Ausschlag hierdurch hervorgebracht wurde. Es betrug derselbe für Kurve I 4 cm auf die Mittellage bezogen (die Entfernung von Spiegel und Papier ist aus Fig. 3 zu entnehmen). Die Aenderung der Feldstärke \Delta\,\frakfamily{H} am Orte des Variometers ist angenähert berechnet: \Delta\,\frakfamily{H}=2\,\times\,\frac{2300}{225}^3=0,0004 Einheiten des Cent.-Gr.-Sek.-Systems. Somit war die Empfindlichkeit des Variometers \frac{0,0004}{40}=0,00001\,\frac{\mbox{Feldstärkeeinheiten}}{\mbox{pro 1 mm Ausschalg}} Die mittlere Ablenkung, welche die Trambahn schon bei massigen Störungen hervorbrachte, d. i. Abstand zweier Umkehrstellen, betrug für Kurve I 1 cm = 10 mm; somit war die Trambahnstörung etwa ¼ so gross als die Störung durch den Magnetstab, und entspricht 0,0001 Feldstärkeeinheiten C. G. S. Da die Deklinationsfeldstärke des Erdmagnetismus = 0,2 C. G. S.-Einheiten ist, so betrug in unserem Falle die Störung der magnetischen Deklination durch die elektrische Trambahn 1/2000 der horizontalen Feldstärke des Erdmagnetismus, d. i. 1/20 % derselben. – Die Empfindlichkeit für die Kurve II betrug 0,000008\,\frac{\mbox{Feldstärkeeinheiten}}{\mbox{pro 1 mm Ausschlag}} und die maximalen Störungen am Freitag 0,00028 C. G. S. oder rund ⅛ %, entsprechend einem Maximalausschlag von 35 mm der Kurve II. Es sind diese Grössen zwar klein, allein unsere empfindlichen modernen Nadelgalvanometer, welche noch \frac{1}{10000000000000}=\frac{1}{10^{13}} eines Ampère, d.h. des Stromes, der eine 16 kerzige Glühlampe bei 55 Volt zum Leuchten bringt, zu messen gestatten, reagieren auf noch viel geringere Aenderungen der magnetischen Feldstärke. Glücklicherweise haben die Fabrikanten physikalischer Apparate (Carpentier, Paris, Edelmann, München, Siemens, Berlin) in den letzten Jahren Galvanometer mit feststehenden starken Magneten und beweglichen Spulen in solcher Feinheit herzustellen vermocht, dass dieselben – Deprez-d'Arsonval-Galvanometer – mit den alten Nadelgalvanometern konkurrieren können; da für die starken Magnete die genannten Störungen vernachlässigbar sind, so sind elektrische Strommessungen trotz der Trambahnstörungen in physikalischen Instituten mit grosser Präzision ausführbar; erst wenn die durch die Feldstörung in der geschlossenen Spule induzierten Stromstösse genügend stark sind, um Ausschläge zu verursachen, ist auch ein d'Arsonval-Galvanometer nicht mehr von magnetischen Störungen unabhängig. Feinere Untersuchungen des Erdmagnetismus jedoch sind in unserem Institute durch Trambahnstörungen schlechterdings unmöglich gemacht. München, im August 1900. Physikalisches Institut der kgl. technischen Hochschule.