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Technikgeschichte - Elektrizität

Elektrizität

Die Entwicklung von Elektrizität als Quelle der Macht voran diese Verbindung mit Dampfkraft gegen Ende des 19. Jahrhunderts. Die Pionierarbeit wurde von einer internationalen Sammlung von Wissenschaftlern geleistet, darunterBenjamin Franklin aus Pennsylvania,Alessandro Volta von der Universität Pavia, Italien, undMichael Faraday aus Großbritannien. Letzterer hatte 1831 die Natur der schwer fassbaren Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus demonstriert , und seine Experimente bildeten den Ausgangspunkt sowohl für die mechanische Erzeugung von elektrischem Strom, bisher nur durch chemische Reaktionen in Voltaikpfählen oder Batterien und die Nutzung dieses Stroms in Elektromotoren verfügbar. Sowohl der mechanische Generator als auch der Motor hängen von der Drehung einer kontinuierlichen Spule aus leitendem Draht zwischen den Polen eines starken Magneten ab: Durch Drehen der Spule wird ein Strom erzeugt, während durch das Durchleiten eines Stroms durch die Spule diese gedreht wird. Sowohl Generatoren als auch Motoren wurden in den mittleren Jahrzehnten des 19. Jahrhunderts erheblich weiterentwickelt. Insbesondere französische, deutsche, belgische und schweizerische Ingenieure entwickelten die zufriedenstellendsten Ankerformen (die Drahtspule) und stellten den Dynamo her, der die großtechnische Stromerzeugung kommerziell realisierbar machte .

Das nächste Problem war die Suche nach einem Markt. In Großbritannien mit seiner mittlerweile gut etablierten Tradition von Dampfkraft, Kohle und Kohlegas war ein solcher Markt nicht sofort offensichtlich. In Kontinentaleuropa und Nordamerika gab es jedoch mehr Spielraum für Experimente. In den Vereinigten StaatenThomas Edison setzte sein Erfindergeist ein, um neue Verwendungsmöglichkeiten für Elektrizität zu finden, und seine Entwicklung der Carbon-Glühlampe zeigte, wie diese Energieform mit Gas als Haushaltsleuchtmittel mithalten kann. Das Problem war gewesen, dass Elektrizität erfolgreich für große Anlagen wie Leuchttürme verwendet worden war, in denen Bogenlampen von Generatoren auf dem Gelände angetrieben worden waren , aber keine Möglichkeit gefunden worden war, das elektrische Licht in viele kleine Einheiten zu unterteilen. Das Prinzip derEine Glühlampe bestand darin, dass ein dünner Leiter durch elektrischen Strom weißglühend gemacht werden konnte, vorausgesetzt, er wurde in einem Vakuum versiegelt, um ein Ausbrennen zu verhindern. Edison und der englische ChemikerSir Joseph Swan experimentierte mit verschiedenen Materialien für das Filament und beide entschieden sich für Kohlenstoff. Das Ergebnis war eine sehr erfolgreiche kleine Lampe, deren Größe für jede Art von Anforderung variiert werden konnte. Es ist wichtig, dass der Erfolg der Carbon-Glühlampe nicht sofort die Ablösung der Gasbeleuchtung bedeutete . Kohlegas war zuerst für die Beleuchtung von verwendet wordenWilliam Murdock in seinem Haus in Redruth, Cornwall, wo er 1792 als Agent für die Firma Boulton and Watt tätig war. Als er 1798 in den Hauptsitz der Firma in Soho in Birmingham zog,Matthew Boulton ermächtigte ihn, zu experimentieren, um die Gebäude dort mit Gas zu beleuchten, und in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde die Gasbeleuchtung später von Firmen und Städten in ganz Großbritannien übernommen. Die Beleuchtung wurde normalerweise durch einen Fischschwanzstrahl aus brennendem Gas bereitgestellt, aber unter dem Anreiz der Konkurrenz durch elektrische Beleuchtung wurde die Qualität der Gasbeleuchtung durch die Erfindung des stark verbessertGasmantel . So verbessert blieb die Gasbeleuchtung für einige Formen der Straßenbeleuchtung bis Mitte des 20. Jahrhunderts beliebt.

Die Beleuchtung allein konnte keinen wirtschaftlichen Markt für Elektrizität bieten, da ihre Nutzung auf die Stunden der Dunkelheit beschränkt war. Eine erfolgreiche kommerzielle Erzeugung hing von der Entwicklung anderer Stromverwendungen ab, insbesondere von der elektrischen Traktion. Die Popularität der städtischen elektrischen Straßenbahnen und die Einführung der elektrischen Traktion in U-Bahn-Systemen wie der Londoner U-Bahn fielen somit mit dem weit verbreiteten Bau von Stromerzeugungsanlagen in den späten 1880er und 1890er Jahren zusammen. Die anschließende Verbreitung dieser Energieform ist eine der bemerkenswertesten technologischen Erfolgsgeschichten des 20. Jahrhunderts, aber die meisten grundlegenden Techniken der Erzeugung, Verteilung und Nutzung wurden bis zum Ende des 19. Jahrhunderts beherrscht.

Verbrennungsmotor

Strom nicht darstellenEine Antriebsmaschine, so wichtig sie auch sein mag, sie muss als Energieform von einem mechanischen Generator abgeleitet werden, der mit Wasser, Dampf oder innerer Verbrennung betrieben wird. Der Verbrennungsmotor ist eine treibende Kraft und entstand im 19. Jahrhundert als Ergebnis eines besseren wissenschaftlichen Verständnisses der Prinzipien der Thermodynamik und der Suche von Ingenieuren nach einem Ersatz für Dampfkraft unter bestimmten Umständen. In einem Verbrennungsmotor wird der Kraftstoff im Motor verbrannt: Die Kanone lieferte ein frühes Modell eines Einhubmotors; und mehrere Personen hatten mit Schießpulver experimentiert, um einen Kolben in einem Zylinder anzutreiben. Das Hauptproblem bestand darin, einen geeigneten Kraftstoff zu finden, und das sekundäre Problem bestand darin, den Kraftstoff in einem geschlossenen Raum zu zünden, um eine Aktion zu erzeugen, die leicht und schnell wiederholt werden konnte. Das erste Problem wurde Mitte des 19. Jahrhunderts durch die Einführung der städtischen Gasversorgung gelöst, das zweite Problem erwies sich jedoch als schwieriger zu lösen, da es schwierig war, die Zündung gleichmäßig aufrechtzuerhalten. Der erste erfolgreiche Gasmotor wurde von hergestelltÉtienne Lenoir in Paris im Jahr 1859. Es wurde eng an eine horizontale Dampfmaschine angelehnt , wobei ein explosives Gemisch aus Gas und Luft durch einen elektrischen Funken auf den anderen Seiten des Kolbens in der Mitte des Hubs gezündet wurde. Obwohl technisch zufriedenstellend, war der Betrieb des Motors teuer und erst nach der vom deutschen Erfinder eingeführten VerfeinerungNikolaus Otto im Jahr 1878, dass der Gasmotor ein kommerzieller Erfolg wurde. Otto adoptierte dieViertakt-Zyklus von Induktions-Kompressions-Zünd-Auspuff, der seitdem unter seinem Namen bekannt ist. Gasmotoren wurden in großem Umfang für kleine Industriebetriebe eingesetzt, wodurch auf die Instandhaltung eines Kessels verzichtet werden konnte, der in jeder noch so kleinen Dampfanlage erforderlich ist.

Petroleum

Das wirtschaftliche Potenzial des Verbrennungsmotors lag in der Notwendigkeit eines leichten Lokomotivmotors. Dies konnte von der Gasmaschine, abhängig von einer Leitungsversorgung mit Stadtgas, nicht mehr als von der Dampfmaschine bereitgestellt werden, die einen umständlichen Kessel benötigte; Durch die Verwendung alternativer Kraftstoffe aus Öl wurde der Verbrennungsmotor jedoch auf Räder gebracht, was schwerwiegende Folgen hatte. Bituminöse Ablagerungen waren in bekannt Südwestasien aus der Antike und hatten gearbeitet worden Bau Material, Leuchtmittel und Arzneimittel. Die Ausweitung der Siedlung in Amerika nach Westen mit vielen Gehöften außerhalb des Bereichs der städtischen Gasversorgung förderte die Ausbeutung der leicht verfügbaren Rohölquellenzur Herstellung von Kerosin (Paraffin). Im Jahr 1859 die Ölindustrie hat eine neue Bedeutung , wennEdwin L. Drake bohrte sich erfolgreich durch 21 Meter hohe Felsen, um in Pennsylvania auf Öl zu stoßen, und leitete damit die Suche und Ausbeutung der tiefen Ölressourcen der Welt ein. Während die weltweiten Ölvorräte dramatisch zunahmen, war die Hauptnachfrage zunächst dieKerosin , die mittlere Fraktion, die aus dem Rohmaterial destilliert wurde, das als Brennstoff in Öllampen verwendet wurde. Die flüchtigste Fraktion des Öls, Benzin, blieb ein peinliches Abfallprodukt, bis festgestellt wurde, dass dieses in einem leichten Verbrennungsmotor verbrannt werden konnte; Das Ergebnis war eine ideale Antriebsmaschine für Fahrzeuge. Der Weg für diese Entwicklung wurde durch den Erfolg von Ölmotoren bereitet, die gröbere Ölfraktionen verbrennen. Kerosinverbrennende Ölmotoren, die eng an bestehende Gasmotoren angelehnt waren, waren in den 1870er Jahren entstanden, und in den späten 1880er Jahren waren Motoren, die den Schweröldampf in einem Druckluftstrahl verwendeten und am Otto-Zyklus arbeiteten, zu einem attraktiven Angebot für Licht geworden Pflichten an Orten, die zu isoliert sind, um Stadtgas zu verwenden.

Die größten Verfeinerungen im Schwerölmotor sind mit der Arbeit von verbunden Rudolf Diesel aus Deutschland, der 1892 seine ersten Patente angemeldet hat. Ausgehend von den thermodynamischen Prinzipien zur Minimierung von Wärmeverlusten entwickelte Diesel eineMotor, bei dem die sehr hohe Kompression der Luft im Zylinder die Selbstentzündung des Öls sicherstellte, wenn es in einer sorgfältig festgelegten Menge eingespritzt wurde. Dies stellte einen hohen thermischen Wirkungsgrad sicher , machte jedoch aufgrund der hohen Kompression und der im Vergleich zu anderen Ölmotoren eher niedrigen Leistung bei niedrigen Drehzahlen auch eine schwere Struktur erforderlich. Es war daher nicht sofort für Lokomotivzwecke geeignet, aber Diesel verbesserte seinen Motor weiter und wurde im 20. Jahrhundert zu einer wichtigen Form des Fahrzeugantriebs.

In der Zwischenzeit überwog der leichte Hochgeschwindigkeitsbenzinmotor. Die ersten Anwendungen des neuen Motors für die Fortbewegung wurden in Deutschland durchgeführt, woGottlieb Daimler undCarl Benz rüstete 1885 das erste Motorrad bzw. das erste Auto mit eigenen Motoren aus. Benz '„pferdeloser Wagen“ wurde zum Prototyp des modernen Automobils, dessen Entwicklung und Folgen im Zusammenhang mit der Revolution in bequemer betrachtet werden können Transport.

Ende des 19. Jahrhunderts forderte der Verbrennungsmotor die Dampfmaschine in vielen Industrie- und Transportanwendungen heraus. Es ist bemerkenswert, dass, während die Pioniere der Dampfmaschine fast alle Briten waren, die meisten Innovatoren in der Verbrennung Kontinentaleuropäer und Amerikaner waren. Der Übergang spiegelt in der Tat den allgemeinen Wandel der internationalen Führung in der industriellen Revolution wider , wobei Großbritannien allmählich von seiner Position der unangefochtenen Überlegenheit in Bezug auf Industrialisierung und technologische Innovation verdrängt wird . Ein ähnlicher Übergang fand im theoretischen Verständnis von Wärmekraftmaschinen statt: Es war die Arbeit des FranzosenSadi Carnot und andere wissenschaftliche Forscher, die zur neuen Wissenschaft der Thermodynamik führten, und nicht die der britischen Ingenieure, die die meisten praktischen Erfahrungen mit den Motoren hatten, auf denen die Wissenschaft basierte.

Es sollte jedoch nicht der Schluss gezogen werden, dass die britische Innovation bei Kraftmaschinen auf die Dampfmaschine beschränkt war oder dass Dampf und Verbrennung die einzigen bedeutenden Entwicklungen auf diesem Gebiet während der industriellen Revolution darstellen. Der Erfolg dieser Maschinen hat vielmehr zu Spekulationen über alternative Energiequellen geführt und in mindestens einem Fall einen Erfolg erzielt, dessen volle Konsequenzen nicht vollständig entwickelt wurden. Das war derHeißluftmotor, für den ein Schotte, Robert Stirling meldete 1816 ein Patent anDer Heißluftmotor hängt für seine Leistung von der Expansion und Verdrängung der Luft in einem Zylinder ab, die durch die externe und kontinuierliche Verbrennung des Kraftstoffs erwärmt wird. Schon vor der Aufdeckung der Gesetze der Thermodynamik hatte Stirling einen genialen und wirtschaftlichen Wärmeübertragungszyklus entwickelt . Verschiedene Konstruktionsprobleme beschränkten die Größe von Heißluftmotoren auf sehr kleine Einheiten, so dass sie, obwohl sie vor der Verfügbarkeit des Elektromotors häufig zum Antreiben von Ventilatoren und ähnlichen leichten Aufgaben verwendet wurden , keine große technologische Bedeutung erlangten. Die Wirtschaftlichkeit und die vergleichsweise Sauberkeit des Heißluftmotors machten ihn jedoch Anfang der 1970er Jahre erneut Gegenstand intensiver Forschung.

Die Umwandlung von Energie - Technologie in der industriellen Revolution hatte Auswirkungen in Industrie und Gesellschaft. Erstens hat die Nachfrage nach Brennstoffen den Steinkohlenbergbau, der bereits zu Beginn des 18. Jahrhunderts rasch gewachsen war, zu kontinuierlicher Expansion und Innovation angeregt. Die Dampfmaschine, die den Bedarf an Kohle enorm erhöhte, trug wesentlich dazu bei, diese zu erhalten, indem sie effizientere Minenpumpen und schließlich verbesserte Lüftungsanlagen bereitstellte. Andere Erfindungen wie die der Sicherheitslampe der Bergleutetrug zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen bei, obwohl die unmittelbare Folge seiner Einführung im Jahr 1816 darin bestand, die Minenbesitzer davon zu überzeugen, gefährliche Nähte zu bearbeiten, die bisher als unzugänglich angesehen worden waren. Das Prinzip der Lampe war, dass die Flamme vom Docht einer Öllampe in einem Zylinder aus Drahtgewebe eingeschlossen war, durch den nicht genügend Wärme geleitet wurde, um das explosive Gas (Feuerlampe) draußen zu entzünden. Es wurde später verbessert, blieb aber bis zum Aufkommen der elektrischen Batterielampen eine wichtige Lichtquelle in Kohlengruben. Mit diesen Verbesserungen und der gleichzeitigen Revolution des Verkehrssystems stieg die britische Kohleproduktion im Laufe des 19. Jahrhunderts stetig an. Der andere wichtige Treibstoff für die neuen Kraftmaschinen war Erdöl, und die rasche Ausweitung seiner Produktion wurde bereits erwähnt. In den Händen vonJohn D. Rockefeller und seine Standard Oil- Organisation entwickelten sich nach dem Ende des Bürgerkriegs zu einem riesigen Unternehmen in den Vereinigten Staaten, aber die Ölförderindustrie war anderswo bis zum 20. Jahrhundert nicht so gut organisiert.