Weston Normalelement

Zur Messung von elektrischen Spannungen - deren Einheit das Volt ist - benützt man in der Regel geeignete Voltmeter, die an die Stellen angelegt werden, zwischen denen die Potentialdifferenz bestimmt werden soll. Die Einheit der Spannung von einem Volt tritt zwischen zusammenhängenden Leitungs-stücken dann auf, wenn beispielsweise der Widerstand 1 Ohm ist und das Leitungsstück von der Stromstärke 1 Ampere durchflossen wird.

Da die Herstellung einer Normalspannung, die hinreichend konstant und genau ist, auf diesem Wege nur umständlich möglich ist, ist man dazu übergegangen, besondere Normalelemente zu bauen, die jahrzehntelang fast vollständig konstant bleiben und auch von der Temperatur fast ganz unabhängig sind. Bei dem Vergleich der Spannungen solcher Elemente mit andern Spannungen ist es erforderlich, daß jede noch so kleine Stromentnahme aus dem Normalelement vermieden wird, weil sich sonst seine Spannung ändern kann.

H&B Weston Element

Abb. 1: Weston-Normalelement von H&B
 

Abb. 2: Aufbau eines Weston-Normalelement

Während früher das Clark-Normalelement verwendet wurde, das eine Spannung von 1,432 Volt bei 15 Grad Celsius hat, aber erhebliche Spannungsänderungen in dem Temperaturbereich von 10 bis 30 Grad besitzt, zeigt das sogenannte Weston-Normalelement (Abb. 1) fast keinen Temperaturkoeffizienten. Bereits 1908 wurde das Weston Normalelement international als Spannungseinheit anerkannt. Die Spannung beträgt bei 10 Grad Celsius 1,0186 Volt, bei 20 Grad 1,0183 Volt. Es besteht aus einem H-förmigen Gefäß, wie in Abb. 2 dagestellt.

Die eine Elektrode ist aus Kadmiumamalgam, die andere aus Quecksilber mit darüber geschichtetem Quecksilbersulfat mit kristallischem schwefelsauren Kadmium. Darüber befindet sich eine bei 4 Grad Celsius gesättigte Lösung von Kadmiumsulfat. Damit das Element konstant bleibt, darf es starken Temperaturschwankungen nicht ausgesetzt und ihm höchstens 1/10 mA entnommen werden.

Da man zur Messung der Spannung der Normalelemente keine stromverbrauchenden Instrumente verwenden kann, so benützt man einen Vergleich nach der sogenannten Kompensationsmethode. Denken wir uns an den Meßdraht einer Brücke, wie Abb. 3 angibt, eine Batterie B' angelegt, so daß zwischen den Endpunkten A und B des Drahtes die Spannung der Batterie liegt.



Abb. 3: Kompensationsmethode

Nehmen wir an, daß diese während der Messung sich nicht ändert, so entsteht auf dem Meßdraht, der kalibriert und überall vom gleichen Material ist, ein gleichmäßiger Spannungsabfall. Schließt man nun an dem Punkt A ein weiteres Element N, und zwar mit dem gleichen Pol wie die Batterie B' an, so läßt sich, wenn die Spannung des Elementes N kleiner ist als die der Batterie B', für den andern Pol des Elementes N auf dem Meßdraht ein Punkt C finden, der dieselbe Potentiallage hat. Dies geschieht, indem man die bewegliche Schneide C so lange hin und her schiebt, bis das Galvanometer G keinen Ausschlag mehr zeigt. Nunmehr ist der Strom ig = 0. Bezeichnet man die Spannung zwischen A - B mit E Volt, die des Elementes N mit e Volt, die gesamte Länge des Brückendrahtes mit L Zentimeter, die gefundene Länge A - C für den stromlosen Zustand mit l Zentimeter, dann verhält sich

 E       L                L                            l
--- = --- oder E = --- ⋅ e oder e = E ⋅ ---
 e       l                 l                            L

Man kann also, wenn man als e einmal ein bekanntes Normalelement genommen hat, die Spannung, die an der ganzen Brücke anliegt, bestimmen. Alsdann kann man jede kleinere Spannung, die man an Stelle der Batterie N anlegt, kompensieren und aus der gefundenen Länge lx deren Spannung berechnen. Das wesentliche der Methode ist, daß bei der Messung keinerlei Strom der Spannungsquelle entnommen noch zugeführt wird [50].

Datenblatt Anforderungen an Normalelemente der PTB (11k)


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