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Verfahren zur Untersuchung und Feststellung gewisser physikalischer
Eigenschaften von Metallen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung
physikalischer Eigenschaften eines Metalls. Allgemein bekannt ist, daß; -zwischen
magnetischen und mechanischen, ebenso wie zwischen elektrischen und mechanischen
Eigenschaften der Metalle gewisse Beziehungen bestehen. Wäre z. B. ferromagnetisches
':Material zu untersuchen, so läßt sowohl eine elektrische Widerstandsuntersuchung
als auch eine magnetische Untersuchung Rückschlüsse auf gewisse mechanische Eigenschaften
des Materials ziehen, die für den ersten Versuch aber niemals genau so wie für den
zweiten Versuch auszufallen brauchen. Hierfür ein besonderes Beispiel: Bei Kohlenstahldraht
(kalt geschmiedet) sind Härte, Zugfestigkeit und Elastizität von zwei Faktoren abhängig,
erstens von der Kaltbearbeitung und Querschnittsverkleinerung und zweitens von der
chemischen Zusammensetzung, insbesondere vom Kohlenstoffgehalt. Nun ist die magnetische
Hysteresis des Stahldrahtes ganz wesentlich von der Kaltbearbeitung, jedoch weniger
von der chemischen Zusammensetzung abhängig, während andererseits der elektrische
Widerstand aber weit mehr von der chemischen Zusammensetzung als von der Kaltbearbeitung
des Drahtes abhängt. Von beiden Untersuchungsformen hat sich die magnetische Untersuchung
als vorteilhafteste erwiesen, jedoch bringt sie Unstimmigkeiten, sobald versucht
wird, zwischen magnetischen und mechanischen Eigenschaften zu unterscheiden oder
auch Beziehungen aufzustellen.
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Materialien, die magnetisch gleiche Eigenschaften haben, können gleichwohl
in anderer Beziehung ungleich sein. Einem der magnetischen und mechanischen Eigenschaften
des- Eisens ist gewöhnlich die Permeabilität bei bestimmter Magnetisierung oder
magnetischer Induktion zugrunde zu legen, da die magnetische Permeabilität eine
Funktion zum Verhältnis jener beiden Größen darstellt. Wären die Permeabilitäten
zweier Materialien für bestimmte Magnetisierung und Induktion einander gleich, so
brauchen sie trotzdem für andere Magnetisierung oder Induktion nicht immer einander
gleich sein. Sind sie ungleich, so weist das auf verschiedenartige mechanische Eigenschaften
hin. Es wäre aber auch möglich, daß zwei Materialien
für bestimmte
Magnetisierüng und Induktion gleiche Permeabilität zeigen und trotzdem ungleiche
Hysteresis aufweisen usw. Auch können zwei Materialien gemeinhin gleiche magnetische
Eigenschaften haben und dennoch hierin Unterschiede zeigen, da mit der Untersuchung
noch andere Faktoren eintreten. Bei Untersuchung im Wechselstrommagnetfeld z. B.
bedingen Wechselströme oder Stromänderungen in entsprechendem Maße auch Änderungen
der Magnetisierung, die man als »effektive« Änderung bezeichnen mag.
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Die Erfindung bringt eine ganz neue Einrichtung für den Vergleich
der magnetischen und elektrischen Eigenschaften verschiedener Materialien. Der Vergleich
kann mit einem oder mehreren Versuchen gezogen werden. Insbesondere werden Einrichtungen
verwendet, welche z. B. an Materialien mit ungleichen mechanischen Eigenschaften
zunächst äußerlich gleiche Eigenschaften zeigen lassen, damit der wirkliche Unterschied
dann bei Änderung der Versuchsanordnung besser in die Erscheinung tritt. Hierfür
wieder ein Beispiel: Vorausgesetzt werden zwei vollkommen gleichartig bearbeitete
kalt gewalzte Stahlstücke mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt. Die üblichen magnetischen
Untersuchungen würden für beide Materialien verschiedene Eigenschaften zeigen, würden
aber keineswegs eine genaue Unterscheidung und Bestimmung des Einflusses möglich
machen, welchen der Kohlenstoffgehalt allein und abgesehen von den durch die Kaltbearbeitung
bedingten Veränderungen ausübt.
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Die Erfindung ermöglicht z. B. eine Versuchsanordnung, derart, daß
die besondere, für die Kaltbearbeitung kennzeichnende Magnetisienung beider Materialien
gleich wird, wobei der Unterschied im Kohlenstoffgehalt einer zweiten Versuchsanordnung
zur Bestimmung überlassen bleibt. Die hierfür vorgeschlagene magnetische Untersuchung
macht es neben anderen wichtigen Vorteilen möglich, bei Beurteilung der mechanischen
Eigenschaften eines Materials genau zu unterscheiden und das Gerät um vieles empfindlicher
auf die wirklichen. magnetischen Eigenschaften eines Materials einzustellen.
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Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von ferromagnetischen
Materialien erweist sich als besonders vorteilhaft die Untersuchung mit einem Wechselstrom-
oder auch mit einem veränderlichen Magnetfeld. Die Untersuchung könnte als magnetische
angesprochen werden. Tatsächlich sind die hierbei beobachteten magnetischen Eigenschaften
jedoch durch den Widerstand des, Materials verändert und nicht unwesentlich von
letzterem.abhängig. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die zu untersuchenden Materialien
nicht aus Lamellen zusammengesetzt sind und durch das veränderliche Magnetfeld Wirbelströme
entstehen, welche die von Permeabilität und Hysteresis abhängige Magnetisierung
"beeinträchtigen. Die Größe der Wirbelströme ist wiederum vom elektrischen Widerstande
des Materials abhängig. An dieser Stelle soll hervorgehoben werden, daß die beim
Auftreten von Wirbelströmen beobachteten elektrischen Widerstände nicht unbedingt
in engerer Beziehung zu den mit gewöhnlicher Widerstandsmessung ermittelten Widerständen
zu stehen brauchen, da noch andere Faktoren, von denen einige bis jetzt noch nicht
genau ermittelt werden konnten, in Erscheinung treten. Die Beschreibung wird hierauf
noch weiter unten näher eingehen.
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Da die elektrische Leitfähigkeit und die rein magnetischen Eigenschaften
eines Materials von der mechanischen Beschaffenheit ganz verschiedenartig abhängen,
muß. ein Verfahren gegeben sein, das mit den im Versuch beobachteten elektrischen
und magnetischen Erscheinungen Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Materials
ziehen läßt. Die Erfindung bringt :nun sowohl ein Verfahren As auch die Einrichtungen,
mit welchen zur genauen Bestimmung physikalischer und chemischer Eigenschaften eines
Materials mehrere koordinierte Messungen ausgeführt werden.
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Ganz allgemein besteht die Erfindung darin, daß die Einwirkungen ermittelt
werden, welche ein Material auf verschiedene Reaktanzen eines vom Wechselstrom bzw.
von einem veränderlichen Strom durchflossenen Stromkreises ausübt. Das Gerät umfaßt
einen Stromkreis zur veränderlichen Magnetisierung eines oder mehrerer Materialieneinen
direkt oder induktiv damit gekoppelten zweiten Stromkreis mit Anzeigeinstrument
und Vorrichtungen zur Phasenverschiebung (durch Veränderung der Reaktanz) relativ
zum ersten Stromkreis und schließlich die Einrichtungen zum Anschluß an eine veränderliche
EMK.
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Zur Magnetisierung des zu untersuchenden Gegenstandes kann Wechselstrom
oder stetig zu verändernder Gleichstrom dienen. Bei solchen variablen Strömen haben
die elektrischen Eigenschaften, z. B. der Widerstand neben den rein magnetischen
Eigenschaften des Materials, einen großen Einfuß auf die Induktion im Magnetstromkreise,
demzufolge die Erfindung nun ein besonderes Verfahren bringt, um zwischenmagnetischen
und anderen Eigenschaften genau zu unterscheiden; von den letzterwähnten Eigenschaften
sind einige bislang noch nicht genau bekannt geworden. Durch Änderung der Konstanten
des Versuchsstromkreises kann jedenfalls in ganz einfacher Weise bestimmt werden,
welchen
Einruß z. B. die chemische Zusammensetzung, das Warmschmieden
oder das Kaltschmieden auf die Beschaffenheit des Materials und seine Brauchbarkeit
für bestimmte Zwecke hat. Einer der großen Vorteile des neuen Verfahrens ist, daß
bei direktem Vergleich der vor und nach Änderung der Konstanten des Versuchsstromkreises
beobachteten Werte keine besondere Rücksicht auf die Querschnittsfarm des Materials
genommen zu werden braucht.
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Abb. i zeigt schematisch eine Einrichtung, mittels welcher die Materialprüfung
in vorteilhafter Weise nach der Nullmethode durchgeführt wird, und zwar so, daß
hintereinander Untersuchungen vorgenommen werden. Zur Verwendung gelangt ein einfaches
Solenoid, das für die einzelnen Versuche gegenüber einem Widerstände ausgeglichen
werden kann.
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Abb. a zeigt schematisch eine Einrichtung,, mittels welcher die Materialprüfung
in vorteilliafter Weise nach der Nullmethode durchgeführt wird, und zwar so, daß
hintereinander Untersuchungen vorgenommen werden. Es wird ebenfalls wieder ein Solenoid
verwendet, das zur Einstellung für die einzelnen Versuche gegenüber einer Induktanz
ausgeglichen werden kann.
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Abb.3 zeigt schematisch eine Einrichtung, mittels welcher die Materialprüfung
in vorteilhafter Weise nach der Nullmethode durchgeführt wird, und zwar so, daß
hintereinander Untersuchungen vorgenommen werden. Das Solenoid weist hier primäre
und sekundäre Wicklungen auf. Die Einstellung für die einzelnen Versuche geschieht
durch Ausgleich gegenüber einem Kapazitätswiderstand.
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Abb. ,1 zeigt schematisch eine Einrichtung, welche mit Zeigerinstrumenten
arbeitet. Zur Verwendung kommt hier ein Solenoid mit primären und sekundären Wicklungen.
Zum Vergleich der Materialeigenschaften werden vorteilhafterweise getrennte Versuche
hintereinander vorgenommen.
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Abb.5 zeigt eine kleine Abänderung der Einrichtung nach Abb. q.. Hier
können zwei zu untersuchende Körper gleichzeitig eingeführt werden. Der eine balanciert
den anderen aus, um die Genauigkeit in der Ablesung geringer Unterschiede zu vergrößern.
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Abb.6 zeigt schematisch die weitere Ausführungsform einer Einrichtung
für gleichzeitige Untersuchung zweier Materialien nach der sogenannten Nullmethode.
Die Einstellungsmöglichkeit ist durch einen Gleitschieber gegeben.
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Abb.7 zeigt eine weitere Ausführungsform. Hier sind zwei Schieber
im Verein mit Solenoiden gegeben, die primäre und sekundäre Z#'ricklungen besitzen.
Abb.8 zeigt wieder eine andere Ausführungsform in Anlehnung an die Abb. 7. Hier
werden zwei Galvanameter verwendet, um gleichzeitige Einstellungen der Schieberkontakte
zu erhalten.
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Abb. g zeigt eine letzte Ausführungsform,, die sich ebenfalls an die
nach Abb. 7 anlehnt. Die elektrischen Verbindungen weichen hier von den in Abb.
7 dargestellten etwas ab. Statt der Solenoide werden Magnete verwendet, auf deren
Schenkeln sich primäre und sekundäre Wicklungen befinden.
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Abb. i zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der zur praktischen
Ausführung des Verfahrens geeigneten Einrichtung. Ein Solenoid A wird von einer
passenden Stromquelle veränderbarer EMK über eine veränderbare Induktanz D und einen
veränderbaren Widerstand R= und R4 erregt. Im Nebenschluß zum Solenoid A liegen
der Widerstand R4 und die festen Widerstände f und Re. Ein Galvanometer G, zu welchem-
zwecks Regulierung seiner Empfindlichkeit ein Widerstand R in Nebenschluß gelegt
ist, überbrückt den Knotenpunkt der festen Widerstände R5, R6 und die Verbindung
des Solenoides A mit dem Widerstand R4. Das Galvanometer G, zweckmäßig ein d'Arsonval-Galvanometer,
wird in der Feldwicklung F von einer geeigneten Stromquelle, beispielsweise von
E aus, über die einstellbare Induktanz D' und den einstellbaren Widerstand R3 erregt.
Der Feldkern H des Galvanometers kann massiv oder aus Lamellen zusammenbesetzt sein.
Bisweilen ist ein massiver Kern vorzusehen. -Durch Änderung der variablen Widerstände
und Induktanzen, die mit Solenoid A und Galvanometer G in Verbindung stehen, kann
eine solche Einstellung vorgenommen werden, daß die bewegliche Spule des Galvanometers
G von keinem Strom durchflossen wird, d. h. daß sich am Galvanometer kein Ausschlag
ergibt. Wird nunmehr ein magnetisches Material im Solenoid A eingeführt, so wird
für gewöhnlich ein Ausschlag zu bemerken sein. Dieser Ausschlag kann auf Null gebracht
werden, indem man den Widerstand R4 mittels des Schiebers P entsprechend verändert.
Die Stellungsänderung des Schiebers P, d. h. die Verschiebung aus einer Stellung,
die für ein bekanntes in das Solenoid eingeschlossenes Material den Nullwert ergibt,
bis zu einer Stellung, die für das zu untersuchende Material abermals einen Nullwert
ergibt, charakterisiert die magnetischen und elektrischen Eigenschaften verschiedener
Materialien. Dieses besondere Versuchsverfahren besteht in der allmählichen, schrittweisen
Änderung der Reaktanz des Stromkreises, während ein Material in das a
Solenoid
A eingeschoben worden ist. Die Anderung der Reaktanz hat so zu geschehen, daß der
durch die bewegliche Galvanometerspule fließende Strom zuerst durch die kombinierten
elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials und zweitens durch eine
Veränderung einer dieser Eigenschaften, beispielsweise der magnetischen, beeinflußt
wird.
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Praktisch wird beispielsweise nach Abb. i der Wert der Magnetisierungs-
und Feldströme auf das notwendige Maß gebracht" worauf ein bekanntes Material in
das Solenoid A eingeschoben wird. Alsdann werden die veränderbaren Induktanzen D
und D' eingestellt, bis das Galvanometer auf Null zeigt. Hierbei steht der Zeiger
P in der Mitte des Widerstandes R4. Das bekannte Material wird jetzt aus dem Solenoid
genommen und dafür das zu untersuchende eingeführt. Schlägt das Galvanometer ans,
so ist am Zeiger P eine Einstellung vorzunehmen, bis das Galvanometer wieder auf
Null zeigt. Die Größe der Verschiebung von P ist ein Maß für gewisse magnetische
und elektrische Eigenschaften des Untersuchungsgegenstandes; wenn für denselben
Untersuchungsgegenstand die Reaktanz des Versuchsstromkreises verändert wird, was
durch Wiedereinstellung der Reaktanz D auf einen zuvor festgelegten Wert geschieht,
so verlangt der Schieber P abermals eine Wiedereinstellung, damit das Galvanometer
wieder auf Null zeigt. Diese Verschiebung von P gibt wieder ein Maß für gewisse
magnetische und elektrische Eigenschaften des Untersuchungsgegenstandes, jedoch
mit dem Unterschiede, daß als Folge der Änderung der Recktanz nur eine der in Frage
kommenden Eigenschaften ihrem Wert nach eine Änderung erfahren hat.
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I und I' bedeuten Amperemeter, die im Solenoidstromkreis
und Feldstromkreis des Galvanometers liegen.
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Abb. a zeigt eine Verbesserung der in Abb. i dargestellten Einrichtung.
Die Einstellungen werden durch Ausbalancierung gegenüber einer Induktanz vorgenommen.
Mit A ist wieder das Solenoid bezeichnet, das mit einer Stromquelle E veränderbarer
EMK über die veränderbare Induktanz D, den veränderbaren Widerstand R2 und den festen
Widerstand R4 verbunden ist. Im I\Tebenschluß zum Solenoid A und Widerstand R4 liegen
der feste Widerstand Ri' und die veränderliche Induktanz D2 und Da, die der Fein-
oder Grobeinstellung dienen. Das Galvanometer G mit beweglicher Magnetspule überbrückt
die Widerstände R4 und R5. Im Nebenschluß zum Galvanometer liegt zur Änderung der
Empfindlichkeit des Galvanometexs der .Widerstand R. Das Feld F des Galvanometers
wird von der Stromquelle E über die veränderbare Induktanz D, und den variablen
Widerstand R3 erregt. I und I' bedeuten wiederum Amperemeter, die
im Solenoidstromkreis und Feldstromkreis des Galvanometers liegen.
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Der Gebrauch der in Abb. z dargestellten Einrichtung ist dem der in
Abb. i dargestellten ganz ähnlich. Die Vorrichtung ,wird zuerst auf ein bekanntes
Material geeicht, das in das Solen@oid A einzuführen ist. Der Galvanometerausschlag
wird mittels der geeichten Induktanzen Dß und D3 auf Null gebracht. Die zweite Ablesunz
wird für eine veränderte Reaktanz vorgenommen. Die Änderung der Reaktanz geschieht
durch Änderung in der Einstellung der veränderbaren Induktanz D; nachdem werden
die Induktanzen D,2 und D3 wieder so eingestellt, daß das Galvanometer einen
Nullausschlag bekommt. Um größere Empfindlichkeit als mit einem einfachen Solenoid
zu erzielen und auch weitere Vorteile zu erlangen, kann ein aus primären und sekundären
Wicklungen zusammengesetztes Solenoid nach Abb, 3 verwendet werden. Hier bezeichnet
E, wie zuvor, wieder eine Stromquelle veränderbarer EMK, mit welcher die Primä,rspuleA
in Serie über die veränderbare Induktanz D und die veränderbaren Widerstände R2
und R4 verbunden ist. Die sekundäre Spule B des Solenoides liegt mit dem Kondensator
C und dem Widerstand S in Serie und zu R4 im Nebenschluß. Die bewegliche
Spule M des Galvanometers Cr ist, wie dargestellt, zwischen der Verbindung
der Solenoidwicklungen A und B und dem Zeiger P für den Widerstand
S eingeschaltet. In Serie der Spule M liegt ein Kondensator C. Den ICemmen des Kondensators
C ist die Taste K angeschlossen, mittels welcher C in oder aus denn Galvanometerstromkreis
geschaltet werden kann. Das Feld F des Galvanometers wird wie früher von
der Stromquelle L° aus über die veränderbare Induktanz I' und den veränderbaren
vViderstand _Rs erregt. I und I' bezeichnen Amperemeter, die im Magnetisierungsstro@mkreis
und im Feldstromkreis des Galvanometers liegen. Bei der in Abb. 3 dargestellten
Einrichtung wird das Galvanometer unter Einführung eines bekannten Materials in
das Solenoid A, B auf Null eingestellt, indem der Widerstand R4 und der Schieber
P entsprechend eingestellt werden. Während dieser Einstellung,-welche ein für allemal
vorgenommen wird, ist die Taste g zu schlie-. ßen, so daß der Kondensator C also
kurzgeschlossen wird. Bei geschlossener Taste I( wird das bekannte Marexial wieder
aus dem Solenoid .entfernt und das zu untersuchende eingeführt. Schlägt das Galvanometer
aus, so ist es mittels des Zeigers P wieder auf Null
zurückzuführen.
Die zweite Ablesung wird vorgenommen, nachdem die TasteK-geöKnet ist und der Kondensator
C zur Spule des Galvanometers in Serie geschaltet ist.
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In- Abb. q. ist eine einfache Einrichtung dargestellt, welche am Ausschlag
des Galvanometers die Rückschlüsse auf die Eigenschaft des Materials ziehen läßt,
wobei aber eine Änderung der Reaktanz d durch herbeigeführt wird, daß man nur einen
Kapazitätswiderstand in den Stromkreis legt. Nach Abb. ,l wird ein aus Primärspule
A und Sekundär spule B zusammengesetztes -Solenoid von einer geeigneten Stromquelle
E aus erregt. Die Sekundärspule B liegt im Stromkreis der beweglichen Spule M eines
Galvanometers G; zwischen beiden liegt in Serie der Kondensator C. Im Nebenschluß
zu Kondensator C und Galvanometer -G liegen die Taste K und der Widerstand R'. Eine
verstellbare Induktanz D sowie ein verstellbarer Widerstand R und en Amperemeter
I befinden sich im Primärstromkreis, während im Galvanometerstromkreis zweckmäßig
ein Transformator F sowie ein Regulierwiderstand R4 einzuschalten sind.
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Zur Untersuchung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften eines
Körpers wird dieser in das aus Primär- und Sekundärspule ,4 und B gebildete Solenoid
eingeführt, worauf die Ablesung des Galvanometers bei geschlossener Taste K vorzunehmen
ist. Darauf kann die Taste I( wieder geöffnet «-erden, wodurch der Kapazitätswiderstand'
in den Stromkreis eingeschaltet wird und die Reaktanz eine Änderung erfährt. Jetzt
kann eine neue Ablesung am Galvanometer vorgenommen werden. Zwecks Vergleichs mit
einem bekannten Gegenstande können dessen Eigenschaften in ganz ähnlicher Weise
bestimmt werden.
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Werden genauere Messungen verlangt, als sie nach der einfachen Ausschlagmethode
erzielt werden können, so sind, wie in Abb. 5 dargestellt, zwei Solenoide zu verwenden.
Hier bezeichnet F wieder die-Stromquelle. =1 und A' bezeichnen zwei an sich ähnliche
Primärspulen für die S.olenoide, während B und B' zwei sich ebenfalls ähnliche Sekundärspulen
derselben Solenoide bezeichnen. R ist ein Regulier«iderstand zur Veränderung des
Magnetisierungsstromes. D ist eine in diesen Stromkreis eingeschaltete veränderbare
Induktanz. Das AmperemeterP zeigt den Magnetisi.erungsstrom an. Der Widerstand R
dient zur Regelung des Feldes F für das Galvanometer G; er wird über den Transformator
F wirksam. Die Stromstärke kann mittels des Amperemeters I' bewegt werden. Der Widerstand
R' liegt im Nebenschluß zum Galvanometer G und regelt dessen Empfindlichkeit. Die
Taste K liegt zum Kondensator C im Nebenschluß und gestattet, diesen zur Änderung
der Reaktanz in den Sekundärstromkreis-zu verlegen.
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Beim Gebrauch werden zwei ähnliche Gegenstände je in eines der Solenoideeingeführt,
wobei Ablesungen vorgenommen werden, einmal, wenn der Kondensator in den. Sekundärstromkreis
eingeschaltet und das andere Mal, -wenn er ausgeschaltet ist. Darauf wird der .eine
Gegenstand entfernt und an dessen Stelle ein unbekannter eingeführt, worauf in gleichartiger
Weise die Ablestmgen. vorgenommen werden. Ein Vergleich der sich in beiden Fällen
ergebenden Ablesungen wird dann zur Ermittlung der relativen Werte der beiden in
Frage stehenden Eigenschaften führen.
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Wird eine noch größere Genauigkeit verlangt, so mag .ein Nullverfahren
in Anwendung kommen, und zwar unter Verwendung der in Abb. 6 dargestellten Einrichtung.
Die verschiedenartigen Nullmethoden gestatten, statt des Galvanometers, das eines
besonders zu erregenden Feldes bedarf, andere Stromanzeiger, wie z. B. ein Vibrationsgalvanometer,
zu verwenden.
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In Abb. 6 bezeichnet A ein Solenoid, das für die Aufnahme eines bekannten
Materials dient, beispielsweise zur Aufnahme einer im Querschnitt runden Stange.
A' bezeichnet ,ein zweites Solenoid, das bezüglich der Windungszahl und der sonstigen
Abmessungen dem Solenoid Ai ähnlich ist, aber ein zweites, unbekanntes oder das
zu untersuchende Material ähnlich wie das Solenoid A aufzunehmen hat. Die Solenoide
A und A' liegen in Serie mit dem Regulierwiderstand R2 und dem veränderbaren Kondensator
C' an den Klemmen der Stromquelle E, die Wechselströme Irgendwelcher Frequenz liefern
kann. Die Einschlußklemmen von A und A' werden -von einem Regulierwiderstand
S überbrückt, der ebenfalls in Serie zum Kondensator C und Widerstand R2 der Stromquelle
E angeschlossen ist. Die Verbindungsklemme für die inneren Enden der Solenoide
A und A' und der Regulierwiderstand S werden von einem Schieber P
überbrückt, zu welchem in Serie ein Kondensator C sowie die bewegliche Spule A1
eines Galvanometers 0 oder eines anderen Anzeigeinstruments liegt. Das Galvanometer
G läßt seine bewegliche Spule M um einen festen Eisenkern rotieren, der so angeordnet
ist, daß das Magnetfeld der gesondert erregten Feldwicklung F durch ihn konzentriert
wird. Im Nebenschluß der Spule M liegt zur Regelung der Empfindlichkeit des Galvanometers
ein Widerstand R'. Die Taste K liegt zum Kortdensator C im Nebenschluß. Sie ermöglicht
es, einen Widerstand mit der Galvanometerspule in Serie -oder auch zu dessen Stromkreis
in
Nebenschluß zu legen. Das gesondert erregte Galvanometerfeld F ist in Serie mit
einem Regulierwiderstand RS der Stromquelle E angeschlossen. I und 1' bezeichnen
Amperemeter zum Ablesen der Stromwerte für das Solenoidsysbem A;, A,' und
das Galvanometerfeld.
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Betrachtet man die Doppelstromkreise, die aus der Verbindung des Widerstandes
R2 mit den Solenoiden A und, A' und der Verbindung des Widerstandes R2 mit dem Regulierwiderstand
S entstehen, und schließt man die Taste für den Kondensator C kurz, so ergibt sich
ohne weiteres aus dem Stromkreise, daß bei Nichtvorhandensein eines Eisens oder
eines anderen magnetischen Materials in den Solenoiden A und A' und
bei erregtem Feld F eine Nullstellung für das Galvanometer vorliegen muß, wenn der
Schiebere in der Mitte des Regelwiderstandes S steht, da in solchem Falle das Galvanometer
am Punkte gleichen Potentials liegt. Diese Nullstellung wird auch bestehen bleiben,
wenn die Taste I( geöffnet wird. Wenn ein geeigneter Gegenstand magnetischen Materials
in das Solenoid A geschoben und im Solenoid A' ein gleicher Gegenstand
eingebracht wird, muß das Galvanometer auch weiterhin auf Null zeigen, gleich, ob,
1K geöffnet oder geschlossen ist, aber unter der Voraussetzung, daß P in der Mitte
von S steht. Wenn einer der gleichartigen Gegenstände jedoch ;entfernt wird und
an dessen Stelle ein ungleichartiger eingeführt ist, so würde es zur Erlangung einer
Nullstellung für das Galvanometer notwendig sein, die Stellung des Schiebers P zu
verändern. Die Stellung des Schiebers.P ist eine Funktion der Tastenstellung K,
oder mit anderen Worten ausgedrückt: die Stellung des Schiebers P ist davon abhängig,
:ob der Kondensator C in den Galvanomeberkreis eingeschaltet ist oder nicht. Der
Betrag, um welchen der Schiebere nach dem Schließen der Taste K zur Kurzschließung
des Kondensators, außer seiner Mittelstellung mit Bezug auf den Widerstand S, verschoben
wird, ist gemäß der Erfindung zur Ermittlung des Zusammenhanges der verschiedenen
physikalischen und magnetischen Eigenschaften zu verwerten. Der Betrag, um welchen
.der Schieber P bei geöffneter Taste I(, d. h. bei Serienschaltung von Kondensator
und Galvanometerspule M, verschoben wird, Iäßt sich zur Ermittlung einer Beziehung
der physikalischen Eigenschaften zu einer anderen Eigenschaft oder zu einer Gruppe
von Eigenschaften verwerten.
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Abb. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform. Hier dienen zur Einstellung
der sich aus primärer und sekundärer Wicklung zusammensetzenden Solenoide die beiden
Regulierwiderstände S und Si. In Abb. 7 bezeichnet E wie früher wieder die Stromquelle,
an welche über das Amperemeterl, die verändexbare Induktanz D und den Regelwiderstand
R2 ein Schiebewiderstand .S angeschlossen ist. S wird von den in Serie zueinander
liegenden SolenoidwicklungenA und A' überbrückt. Die Sekundärwindungen dieser Solenoide
sind mit B und B' bezeichnet. An der inneren Verbindungsstelle der
Windungen A und A' ist ein Leiter L angeschlossen, der mit seinem freien Ende Kontakt
bei P mit dem Regulierwiderstand S bildet. Die sekundären WindungenB und B' der
Solenoide überbrücken einen zweiten Regelwiderstand S'. Zwischen der inneren Verbindungsstelle
für die Solenoidwindungen B und B' und dein Regelwiderstand S' liegt
der im Iinntakt P' auslaufende Leiter. In diesem Leiter liegt in Serie mit einem
Kondensator C die bewegliche Spule M des Galvanometers ,G. - Im Nebenschluß zur
Spule M liegt ein Widerstand R', der die Empfindlichkeit des Galvanometers regelt.
Zum Kondensator C liegt die Taste l( im Nebenschluß, mittels welcher der Kondensator
wie früher mit der beweglichen Spule in Serie öder in Nebenschluß gelegt werden
kann. Das Feld F des Galvanometers C'z ist über das Amperemeter I', die variable
InduktanzD' und den Regulierwiderstand ,R3 der Stromquelle E angeschlossen.
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Die Handhabung der in Abb. 7 dargestellten Einrichtungen gestaltet
sich wie folgt. Ein bekanntes Material wird in das Solenoid_ A, B eingeschoben,
während das zu untersüchende Material in das Solenoid Ai, B'
eingeschoben
wird. Der Widerstand R2 wird so lange verstellt, bis der primäre Stromkreis vom
richtigen Magnetisierungsstnom durchflossen wird und die richtige Feldstärke erreicht
worden ist; alsdann wird der Kondensator C mittels der Taste K kurzgeschlossen,
worauf die Stellungen für die Schieber P und P' zu suchen sind, die der Nullstellung
des Galvanometers entsprechen. Hiernach sind die Stellungen für P und P' zu ermitteln
für den Fall, daß die Taste l( geöffnet ist, um auch jetzt wieder eine Nullstellung
des Galvanometers zu erhalten.
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Ist der Kondensator kurzgeschlossen und sind in den Solenoiden keine
Gegenstände, so kann eine beliebige Zahl von Stellungen für die Schieberkontakte
P, P' ermittelt werden, für welche das Galvanometer auf Null zeigt. In ähnlicher
Weise ist eine beliebige Zahl Von Stellungen für P und P' möglich,
für welche ebenfalls eine Nullstellung des Galvanometers in dem Falle vorhanden
ist, daß der Kondensator in Serie zur beweglichen Spule des Galvanometers liegen
sollte; jedoch nur eine Stellung für P und P' ist vorhanden,
welche
einer Nullstellung des Galvanometers für ein bestimmtes in die Solenoide eingeschobenes
Material entspricht, wenn der Kondensator entweder in Serie zur Galvanometerspule
liegt oder zu dieser kurzgeschlossen sein, sollte.
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In Abb. 8 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die sich an
die Darstellung der Abb.7 anschließt. Statt eines Galvanometers werden zwei Galvanometer
verwendet. E bezeichnet wieder die Stromlieferungsquelle, welcher über ein Amperemeter
1 die veränderbare Induktanz D, der Widerstand R°- und ein Regulierwiderstand S
angeschlossen sind. S wird überbrückt von den, zueinander in Serie liegenden Primärwicklungen
A und A' der Solenoide. Zwischen dem Schieber P und den inneren Anschlußklemmen
für A und A' liegt ein Galvanometer G mit beweglicher Spule M und
dem Feld F, das gesondert von der Stromquelle E über ein Amperemeter 1' und einen
Regelwiderstand RS mit Strom beschickt wird. Im Nebenschluß zur beweglichen Spule
des Galvanometers liegt der zur Regelung der Empfindlichkeit dienende `Viderstand
R'. Die Sekundärwicklungen B und B' der Solenoide werden über den
Regulllerwiderstand S' in Nebenschluß gelegt. Zwischen dem Schieber P' und der inneren
Verbindungsklemme für die `Vicklungen B und B' liegt ein Galvanometer
G' mit- beweglicher Spule M' und Feld F', welch letzteres von der Stromquelle
E über das Amperemeter 12 den veränderlichen Kandensator-C und den Regulierwiderstand
R4 mit Strom versehen wird.
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Nach Abb. 8 sind zunächst die Schieber P und P' so einzustellen, daß
die Galvanoineter G und G' für die betreffenden Stromkreise, mit denen sie verbunden
sind, einen Nullstrom anzeigen. Es hat sich ergeben, daß, wenn beide Galvanometer
in dieser Weise angeschlossen werden, es möglich ist, zu gleicher Zeit die Einstellungen
so vorzunehmen, daß zwei unabhängige Eigenschaften des zu untersuchenden und in
Solenoid A', B' eingeführten Materials festgestellt werden können unter der
Voraussetzung, daß ein bekannter Gegenstand im Solenoid .4, B liegen sollte.
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In Abb. 9 ist eine weitere Abänderung der in Abb.7 dargestellten Einrichtung
wiedergegeben. An Stelle der Solenoide A, B und A', B' treten zur Vergrößerung
der Magnetfeldstärke die hier dargestellten Elektromagnete. Sie sind vorgesehen,
um die magnetischen Felder, welche auf das bekannte und das zu untersuchende Material
einwirken, in dem Falle zu - verstärken, daß diese Materialien nur schwach magnetisch
oder diamagnetisch sein sollten. Besonders vorteilhaft ist diese Anordnung auch
für den Fall, daß der in Frage kommende Gegenstand nicht ohne weiteres in den Kern
eines Solenoides eingeführt werden kann. E bezeichnet wieder die Stromlieferungsquelle,
welcher über das Amperemeter 1, die veränderliche Induktariz D, den Regulierwiderstand
R2 und S die Wicklungen A und A' der Magnetschenkel X'und
X'
parallel geschaltet sind. Das Joch X bzw. X' der Hufeisenmagnete trägt
die Sekundärwicklungen, und zwar sind die Sekundärwicklungen für den Magneten X
mit B' und B-
und die für X' mit Bs und B4 bezeichnet. Die Sekundärwicklungen
eines jeden Magneten sind so miteinander verbunden, daß bei einer Änderung des die
Primärwicklung durchfließenden Stromes die induzierten elektromotorischen Kräfte
induktiv wirken. Wie dargestellt, wird ein geschlossener Stromkreis durch die Wicklungen
B', B2, B3 und B4 in Verbindung mit einem Regelwiderstand S' gebildet. Das
Galvanometer G liegt zwischen dem Regelwiderstand S', und zwar an dein zugehörigen
Schieber P', und der Verbindung der Wicklungen B' und B4. In Serie zum Galvanometer
liegt der Kondensator C, welcher mittels der Taste I( in Nebenschluß gelegt werden
kann. Die bewegliche Spule M wird von dem üblichen Widerstand R' überbrückt. Das
Galvanometerfeld F ist über ein Amperemeter 12, einen Regelwiderstand R4 und einen
verstellbaren Kondensator C an die StrornquelleE angeschlossen.
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W bezeichnet den bekannten und W' den zu untersuchenden Gegenstand.
Beide Gegenstände sind so anzuordnen, daß sie die Schenkel der Magnete
X und X' überbrücken, so daß beide Gegenstände also magnetisiert werden;-
sobald die Magnetwicklungen A und 1' vom Strome durchflossen werden. Die Gegenstände
werden also genau so beeinflußt wie in den Solenoiden. Die Reaktion -zwischen der
in beiden Gegenständen induzierten magnetomotorischenKraft auf die mit den Magnetschenkeln
in Verbindung stehenden Stromkreise gibt für beide Fälle, d. h. für den Fall, da.ß
der Kondensator in den Galvanometerstromkreis und im anderen Falle aus dem Galvanameterstromkreis
geschaltet ist, ein Maß für die Eigenschaften des Gegenstandes W' in- bezug auf
den Gegenstand W.
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Es ist wohl selbstverständlich, daß, wenn W und W nicht magnetisch
sind, gleichwohl die in diesen Gegenständen erzeugten Wirbelströme eine eigene Induktionswirkung
auf die Wicklungen der Schenkel ausüben.
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Das dieser Erfindung zugrtuade liegende Prinzip verlangt, da.ß in
geregelter Weise hintereinander Änderungen der Reaktanz des Versuchsstromkreises
vorgenommen werden, worauf aus einer Reihe von hintereinander vorgenommenen Ablesungen
mehr als eine mechanische
Eigenschaft des zur Untersuchung stehenden
Materials bestimmt werden kann. Die Anordnung nach Abb. i ist als eine Brücke aufzufassen,
deren vier Zweige die Bezugszeichen 125, l26, A und 124 tragen. Fehlt dem Solenoid
A ein ferromagnetisches Material, so ist die Wellenform des in diesem Solenoid fließenden
Stromes sinusförmig, vorausgesetzt, daß der Strom eine sinusförmig verlaufende EMK
besitzt. Wenn in das SolenoidA jedoch ein magnetischer Gegenstand eingeführt wird,
so verläuft der Strom infolge der Hysteresis und Wirbelstrombildung nicht länger
mehr sinoidal, d. h. es tritt eine Verzerrung ein, und die beobachtete EMK zwischen
den Klemmen des Galvanometers verläuft nicht mehr sinusförmig. Das nach Abb. i zur
Verwendung kommende Galvanometer ist mit beweglicher Spule ausgestattet und dient
zur Messung oder Anzeige der vorhandenen Spannungsunterschiede. Das Galvanometer
kann jedoch nur ein Maß für die Komponente der EMK in Phase mit dem Galvanometerfeld
geben. Dieses Feld kann entweder sinoidal oder verzerrt sein. Das Galvanometer braucht
nicht notwendigerweise anzuzeigen, daß die EMK Null ist, wenn keine Ablenkung der
beweglichen Spule vorhanden sein sollte. Wenn z. B. eine elektromagnetische Kraft
vorhanden ist, aber in Quadratur mit dem Magnetfeld steht, so wird das Nichtvorhandensein
eines Potentialunterschiedes angezeigt. Eine Änderung der elektrischen Konstanten,
entweder des Feldstromkreises oder irgendeines Teiles des Brückenstromkreises, würde
diesen Zustand der Quadratur aufwerfen und könnte unmittelbar ein Ausschlag bemerkt
werden.
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Angenommen, daß der zu untersuchende Gegenstand in das Solenoid A
eingeschoben ist, so wird der Schieber P eingestellt, derart, daß die Ablenkung
gleich Null wird. Wie oben angegeben, kann dies tatsächlich einen Potentialunterschied
gleich Null andeuten, allgemein jedoch wird nur angezeigt, daß die Komponente der
EMK in Phase zum Galvanometerfeld gleich Null ist. Wenn jetzt die Reaktanz irgendeines
Teiles des Stromkreises wieder eingestellt wird, so bleibt die Komponente der EMK
in Phase mit dem Galvanometerfeld nicht länger Null, und eine weitere Einstellung
vom P wäre notwendig. Die Komponente der EMK in Phase mit dem Felde unterscheidet
sich der Größe nach im einzelnen Falle nicht von der Phasenverschiehung allein,
sondern auch von der verzerrten Form der auf die bewegliche Spule wirkenden elektromagnetischen
Kraft, d. h. die Phasenverschiebung und die Größe der Phasenkomponente sind Funktionen
der Eigenschaften des im Solenoid A liegenden Materials. Es wird sofort ersichtlich,
daß sich die Untersuchung von selbst in eine Messung der wechselseitigen Reaktion
zweier Wellenformen zerlegt. Tatsächlich stellt dies einen Vergleich der Wellenformen
dar, welcher Vergleich ein direkter ist, wenn nach Abb. i der Kraftfluß des Galvanometerfeldes
und die auf die bewegliche Spule kommende elektromotorische Kraft in Phase sind.
Der Vergleich ist indirekt, wenn der Kraftlinienfluß und `die elektromotorische
Kraft nur teilweise in -Phase sind. Die Grundlage eines Vergleiches kann nach Abb.7
auch durch Messung'. der wechselseitigen Reaktion eines Kraftlinienflusses und einer
elektromotorischen Kraft gegeben sein. Die letztere ist gleichfalls eine Funktion
des Phasenunterschiedes der im Bekannten und zu untersuchenden und in den Sekundärwicklungen
der Solenoide eingeschlossenen Gegenstände induzierten elektromotorischen Kräfte.
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Es ist selbstverständlich, daß die zu vergleichenden Wellenformen
in jede Beziehung zueinander gebracht werden können, und zwar durch Einstellung
der veränderbaren Induktanzen oder Veränderungen der Kondensatoren, die entweder
im Galvanometerfeld, d.h.« im Stromkreis derselben, oder im Stromkreis der Magnetisierungsspulen
liegen, oder auch durch Einstellung eines Kondensators, welcher im Stromkreis der
beweglichen Galvanometerspule liegt. In bezug auf Abb. 7 wird zu vorstehenden Ausführungen
noch angegeben, daß die Möglichkeit besteht, die Versuchsbedingungen so zu ändern,
daß die für eine Kaltbearbeitung kennzeichnende Magneterscheinung z. B. bei zwei
hintereinander untersuchten Gegenständen iähnlich gemacht werden kann, so daß der
Unterschied gegenüber einer anderen Eigenschaft mit einem zweiten Versuch genauer
bestimmt werden kann. Es ist z. B. mö_ghch, bei richtiger Einstellung der Werte
für die Induktanzen D: und D', durch Versuch die relativen Stellungen
zu ermitteln, nach welchen P und P' im Verein mit den Regelwiderständen
S und S' so zusammenhängen, daß bei einer endlichen Stellung dieser Kontakte zwei
oder mehrere Gegenstände gleicher Art, die nacheinander folgen, in das Solenoid
A', B' eingeschoben werden, die gleiche oder nahezu die gleiche Magnetisierung
zeigen, wobei der Kondensator über die Taste K entweder kurzgeschlossen oder in
Serie geschaltet sein mag. Beide Gegenstände zeigen auch gleiche Magnetisierung,
obgleich ihre inneren magnetischen Eigenschaften von ihrem effektiven magnetischen
Verhalten verschieden sein mögen. Nachdem der Kondensator K dann mittels der Taste
I( umgeschaltet wird und die Real,-tanz des Versuchsstromkreises somit einer Änderung
unterworfen
ist, können die magnetischen Eigenschaften des Gegenstandes
viel leichter in bezug auf eine andere Eigenschaft als die erste beobachtei werden.
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Es ist unwesentlich, ob die Ändening der Recktanz des Versuchsstromkreises
dadurch bewirkt wird, daß man einige Elemente des Stromzuführungskreises, wie z.
B. die Induktanz D in Abb. z, ändert oder einen Kapazitätswidemtnd in den Stromkreis
der magnetischen Galvanometer einschaltet, wie in Abb. 5 dargestellt. In jedem Falle
wird ein einmal erzielter Ausgleich durch eine Änderung der Recktanz des Versuchsstromkreises
zerstört werden und somit die Neueinstellung einiger Elemente dieses Stromkreises
zwecks Wiedererzielung des Ausgleichs notwendig werden. Andererseits ist es nicht
wesentlich, daß bei irgendeinem der beschriebenen Verfahren eine Brückenmethode
zur Erzielung des Ausgleichs oder der Nullablenkung angewandt wird. Die Apparatur
kann für den Galva nometerausgleich eingestellt werden, und die beobachtete Ablenkung
bei Änderung oder Änderungen in der Recktanz des Versuchsstromkreises kann durch
Einführung des zu untersuchenden Gegenstandes in das magnetisierende Solenoid oder
dadurch geschehen, daß man den zu untersuchenden Gegenstand mit einem Magneten in
Berührung bringt. Es ist unwesentlich, @ob der zu untersuchende Gegenstand zur Bestimmung
seiner physikalischen und mechanischen Eigenschaften magnetische Eigenschaften besitzt
oder nicht. Bei einem metallischen Gegenstand werden die in ihm unter Einfluß der
magnetomotorischen Kraft induzierten Wirbelströme eine Änderung der Recktanz des
Versuchsstromkreises herbeiführen und damit das anfängliche Phasenverhältnis ,ändern.
Obgleich es für die Verwendung der Einrichtung belanglos ist, so wird in den meisten
Fällen doch ein Galvanometer mit beweglicher Elektromagnetspule verwendet werden,
da mit einem solchen Galvanometer gewisse Vorteile, namentlich durch die Empfindlichkeit
desselben, zu erzielen sind. Vor allen Dingen sollte der Feldkern massiv sein und
nicht aus Lamellen bestehen, da hierdurch eine gewisse Zerstörung des Magnetstromes
bewirkt wird und übereinstimmung mit dem Versuchsstromkreis erreicht wird. Solche
Übereinstimmungen sind von Vorteil für die Verstärkung gewisser Eigenschaften des
zur Untersuchung stehenden Materials und für die Erleichterung zur Unterscheidung
jener Eigenschaften. Selbstverständlich ist jedoch, daß es nicht unbedingt notwendig
ist, ein Instrument mit beweglicher Magnetspule zu verwenden, denn auch andere Zeigerinstrumente,
wie z. B. ein Vibrationsgalvanometer, sind zweckmäßig anzuwenden, insonderheit da,
wo ein bekannter Gegenstand zum Vergleich vorliegt und wo die Nullmethode zur Anwendung
kommt. Mit besonderer Bezugnahme auf die Abb.7 wird hervorgehoben, daß die elektromotorische
Kraft, welche zur Einwirkung auf die bewegliche Spule M des Galvanometers G kommt,
eine Funktion des Phasenunterschiedes ist, der zwischen der in der Sekundärwicklung
des das bekannte Material und den Versuchsgegenstand aufnehmenden Solenoides vorhanden
ist. Anstatt die resultierende EMK mit dem Magnetfluß- eines Galvanometerfeldes
zu vergleichen, könnte man auch ein Telephon oder ein Vibrationsgalvanometer an
Stelle des elektromagnetischen Galvanometers verwenden, indem- man eile solches
Telephon oder Vibrationsgalvanometer an Stelle der Spule M unmittelbar anschließt.
Dies kommt auf den Vergleich der elektromotorischen Kräfte mit jenen der Sekundärspulen
des Solenoides hinaus. Andererseits ist es nicht notwendig, bei Verwendung irgendeines
Zeigerinstrumentes zwei aufeinanderfolgende Ablesungen an einem einzigen Instrument
vorzunehmen; so ist z. B. möglich, zwei Galvanometer zu verwenden, was in Abb. 8
dargestellt wurde und in bezug auf Zeitersparnis bei den Versuchen von großem Vorteil
ist.
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Trotzdem im vorstehenden ein Verständnis für die Erfindung und deren
Vorteile zu geben versucht wurde, muß daran erinnert werden, daß einige Faktoren
oder Faktorengruppen bis jetzt noch nicht gänzlich aufgeklärt sind; wahrscheinlich
werden solche Faktoren erst noch nach umfangreichen Versuchen festgestellt werden
können. Einige Versuchsergebnisse z. B., welche es ermöglichen, Rückschlüsse auf
den Widerstand des Materials zu ziehen, stimmen nicht überein mit den Ergebnissen
der in gewöhnlicher Weise durchgeführten Widerstandsversuche, was z. B. durch Messung
des Spannungsabfalles für Gleichstrom festgestellt wurde. Der Grund hierfür mag
darin liegen, daß nicht notwendigerweise :eine direkte Verbindung oder ein unmittelbarer
Zusammenhang zwischen dem dem Durchgang des Stromes entgegengestellten Widerstand
als Ganzes und jenem Widerstand besteht, welcher die Größe der Wirbelströme beeinflußt.
Der intrakristalline Widerstand eines Materials kann z. B. sehr niedrig sein, während
der interkristalline Widerstand sehr hoch sein kann. Das Verfahren gemäß dieser
Erfindung gibt die Möglichkeit, -wenigstens angenähert diese wichtige Eigenschaft"
den intrakristallinen Widerstand, zu bestimmen und somit Rückschlüsse auf die Korngröße
zu ziehen.
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Bei Beschreibung der verschiedenen Versuche unter Anwendung der verschiedensten
Apparate
bezog man sich auf den Vergleich der durch Änderung der Reaktanz des Versuchsstromkreises
verursachten Wirkung, wobei vorausgesetzt wurde, daß der zu untersuchende Gegenstand
und ebenso der bekannte Gegenstand in dem Versuchsstromkreis liegt. Es ist natürlich
nicht unbedingt notwendig, daß die Einrichtung für den praktischen Gebrauch genau
so gebaut wird, wie hier beschrieben, denn selbstverständlich kann die Einrichtung
nach gewissen Normauen zusammengestellt und für empirisch ermittelte Werbe geeicht
werden.