Elektrotechnik im 19. Jahrhundert Charles Wheatstone trotzt Widerständen: vom Musikladen zum Wissenschaftler

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In einer Zeit, in der Elektrizität noch als rätselhafte Naturkraft galt, legte Charles Wheatstone die Grundlagen für zentrale Erfindungen der Elektrotechnik – vom Telegrafen bis zur Messbrücke. Doch der britische Tüftler und Professor war weit mehr als ein Pionier der Elektrizität.

Wir befassen uns dieses Mal mit einer Persönlichkeit der Elektrotechnik, die zu einem Zeitpunkt aktiv war, als sich die Elektrotechnik als Fachgebiet noch in den Geburtswehen befand. Es geht um den britischen Forscher und Erfinder Charles Wheatstone, der sich Mitte des 19. Jahrhunderts mit der praktischen Nutzung von Elektrizität beschäftigte, aber auch mit Dingen aus den Bereichen Akustik und Optik. Im Bereich der Elektrotechnik sind vor allem der erste in Großbritannien verwendete Telegraf sowie der Rheostat, ein einstellbarer elektrischer Widerstand, zu nennen.

Geboren wurde Charles Wheatstone am 6. Februar 1802 in Barnwood, einem kleinen Ort in der Nähe der heute etwa 200.000 Einwohner zählenden und von vielen Kirchen geprägten Stadt Gloucester, die zwischen Bristol und Birmingham nahe der walisischen Grenze liegt. Dort lebte Charles Wheatstone aber nur wenige Jahre, denn 1806 zogen seine Eltern William und Beata mit ihm nach London, wo sie Musikgeschäfte unterhielten.

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Der ältere Bruder von William Wheatstone, der ebenfalls Charles hieß, war Leiter der Musikgeschäfte und stellte auch selbst Musikinstrumente her. William Wheatstone brachte sich als Flötenbauer in das Unternehmen ein und arbeitete dazu noch als Flötenlehrer. Schon im Alter von vier Jahren lernte der junge Charles Wheatstone das Lesen. Er ging in London in zwei Schulen, in denen er vor allem in den Fächern Französisch, Mathematik und Physik besonders gute Leistungen erbrachte.

Ausbildung und akustische Erfindungen

Im Jahr 1816, als Charles Wheatstone 14 war, begann er eine Lehre bei seinem Onkel Charles Senior – letzterer monierte allerdings nach einem Jahr, dass sich sein Lehrling statt mit Instrumenten und deren Verkauf lieber mit Lesen, Lieder-Schreiben sowie Elektrizität und Akustik beschäftigte. Charles nutzte seine Interessen aber trotzdem zugunsten des Musikgeschäfts, denn er versuchte unter anderem, Instrumente auf Basis seiner eher physikalischen Überlegungen zu verbessern.

Für Aufsehen sorgte der inzwischen 19-jährige Charles Wheatstone im Herbst 1821, als er eine modifizierte Leier im Ladengeschäft ausstellte, die er Enchanted Lyre, also verzauberte Leier, nannte. Diese hing mit Drähten an der Decke und spielte augenscheinlich von selbst. In Wahrheit diente sie aber nur als Klangkörper für ein größeres, im oberen Stockwerk gespieltes Instrument, etwa ein Klavier, dessen Klänge über die Drähte an die Leier weitergegeben wurden. Charles Wheatstone spekulierte darüber, dass auf diese Art und Weise auch Musik in ganz London verteilt werden könnte.

Die aus heutiger Sicht vielleicht beinahe banal erscheinende Idee erregte damals allerdings sogar die Aufmerksamkeit des bekannten dänischen Wissenschaftlers Hans Christian Örsted, der Charles Wheatstone 1823 dazu überredete, einen wissenschaftlichen Artikel über die Enchanted Lyre zu verfassen. Der Artikel sorgte für so viel Aufsehen in Kreisen der Wissenschaft, dass Charles Wheatstone kurz danach trotz nicht vorhandener akademischer Ausbildung eine Zusammenarbeit mit dem Royal Institute begann, einer 1799 gegründeten Einrichtung zur Ausbildung von Wissenschaftlern. Danach schrieb er weitere Artikel, die im Royal Institute vom bekannten Physiker Michael Faraday vorgetragen wurden, da Wheatstone selbst dafür zu schüchtern war.

Musikinstrument-Geschäft als Sprungbrett in die Wissenschaft

In den Folgejahren gelangen Charles Wheatstone noch einige interessante musikalische und akustische Erfindungen. So entstand 1827 ein „Mechanisches Mikrofon“, das wie ein Stethoskop funktionierte und Töne verstärkte, die man über zwei auf den Ohren liegenden Metallblechen hören konnte. Aus dem Jahr 1829 stammt das Symphonium, auf dem die 1841 zum Patent angemeldete Konzertina basierte. Letztere ähnelt einem Akkordeon, spielt aber statt Akkorden Einzeltöne und in einer Variante mit entsprechend gestanzten Metallplatten auch vorbestimmte Melodien.

Im Zusammenhang mit allen Erfindungen ist es wichtig zu erwähnen, dass Charles Wheatstone handwerklich wenig begabt war und sich daher vor allem auf theoretische Überlegungen zur Verbesserung von Instrumenten konzentrierte, was seine Sinne für das Verständnis von physikalischen Vorgängen schärfte. Die neu erfundenen Instrumente wurden am Ende von Angestellten des Musikgeschäfts oder beauftragten Handwerkern hergestellt.

Da Geschäfte für Musikinstrumente vor allem in der höheren Gesellschaftsschicht relevant waren und die Familie Wheatstone daher einen zahlungskräftigen Kundenstamm hatte, war Charles Wheatstone Bestandteil der Upper Class. Somit hatte er auch Kontakt zu Wissenschaftlern sowie Privilegien, die ihm direkten Zugriff auf neueste wissenschaftliche Publikationen ermöglichten. Spätestens durch den direkten Kontakt zu Kreisen der Wissenschaft verstärkte Charles Wheatstone daher seine Bemühungen, sich bei physikalischen Themen weiterzubilden.

Eines seiner Steckenpferde war die Elektrizität, die ohnehin für viele Wissenschaftler ein verlockendes, da noch recht unerforschtes Gebiet der Physik darstellte. Durch seine Kontakte, bei denen er sich als mehr als nur patente Person etablieren konnte, wurde Charles Wheatstone im Jahr 1834 sogar zum Professor für experimentelle Philosophie am Londoner King’s College ernannt – und das, obwohl er ja nie eine akademische Ausbildung absolviert hatte. Im universitären Umfeld standen ihm nun deutlich mehr Möglichkeiten zur Verfügung, sodass er sich vor allem mit der Elektrizität beschäftigte und dazu viele Experimente durchführte. Parallel dazu blieb er zudem vorerst auch weiterhin für das familiäre Musikgeschäft tätig.

Die elektrotechnischen Arbeiten von Wheatstone

Im Jahr 1837 startete Charles Wheatstone zusammen mit dem unternehmerisch tätigen Erfinder William Cooke die Entwicklung eines elektrischen Telegrafen, der nach seiner Fertigstellung der erste Nadeltelegraf war, der in Großbritannien zum Einsatz kam, und zwar für eine Eisenbahn. Denn verwendet wurde der Telegraf von der Commercial Railway, auch bekannt als London and Blackway Railway, deren Planung im Jahr 1836 startete und die ab 1840 das Zentrum Londons mit zahlreichen Docks an der Themse verband. Parallel dazu entwickelten Wheatstone und Cooke zudem einen Zeigertelegrafen.

Im Jahr 1840 erfand Charles Wheatstone den Rheostat, einen einstellbaren elektrischen Widerstand. Dabei wird ein Widerstandsdraht (ein leitender, aber nach außen hin isolierter Metalldraht) um einen Keramikzylinder gewickelt, um einen Widerstand zu erzeugen. Durch die Positionierung eines elektrischen Schleifkontaktes auf dem Widerstandsdraht konnte man die Stärke des Widerstands steuern. Auf einem ähnlichen Prinzip basierten später die ersten sogenannten Anfahr-Widerstände, die ein allzu ruckartiges Anfahren einer elektrischen Straßenbahn verhinderten.

Aus dem Jahr 1854 stammt ein Verfahren von Wheatstone, durch das man manuell Nachrichten verschlüsseln konnte, indem Buchstabenpaare andere Buchstabenpaare ersetzten. Da er zusammen mit seinem Freund Lyon Playfair aus Spaß die Nachrichten von Liebespaaren in Zeitungs-Kleinanzeigen entschlüsselte und Playfair wiederum die Chiffre-Idee seines Freundes Wheatstone publik machte, wurde die Verschlüsselungsmethode Playfair-Verfahren genannt. 1867 publizierte Wheatstone eine später vor allem für die Technik von Kraftwerken wichtige Theorie, nämlich das dynamoelektrische Prinzip. Charles Wheatstone entdeckte dies parallel zu Werner von Siemens. Im Unterschied zu Siemens konzentrierte sich Wheatstone dabei nicht auf eine Reihenschaltung, sondern auf eine Parallelschaltung von Anker- und Feldwicklung.

Zum Abschluss der elektrotechnischen Arbeiten von Wheatstone wollen wir noch die Wheatstonesche Messbrücke nennen, mit der elektrische Widerstände sowie auch kleinste Widerstandsänderungen gemessen werden können. Kurios: Eigentlich wurde die Messbrücke im Jahr 1833 vom britischen Naturforscher Samuel Hunter Christie erfunden, aber da Wheatstone ihren Nutzen erkannte und sie bekannt machte, wurde er als Namensgeber auserkoren.

Private Seiten, Auszeichnungen und Lebensende

Charles Wheatstone war, wie schon angedeutet, nicht nur rund um Elektrizität oder Akustik engagiert, sondern veröffentlichte beispielsweise im Jahr 1838 eine Erfindung aus dem Bereich der Optik, bei der man durch zwei separate Röhren auf zwei leicht unterschiedliche Versionen eines Bildes blickte und den Eindruck erhielt, dass das betrachtete Bild eine echte Tiefe besitzt. Seine Erfindung ähnelte damit den später sehr beliebten Stereoskopen und stellte damit die Grundidee für 3D-Filme. Später erfand er auch eine spiegelbasierte Stereoskop-Variante.

Was das Privatleben von Charles Wheatstone betraf, so heiratete er kurz nach seinem 45. Geburtstag im Februar 1847 die aus einer Kaufmannsfamilie stammende Emma West, woraufhin er sich aus dem Musikgeschäft zunächst teilweise und zwei Jahre später auch komplett zurückzog. Aus der Ehe gingen fünf Kinder hervor. 1836 wurde Wheatstone zum Mitglied der hoch angesehenen Royal Society, von der er zudem 1840 und 1843 mit der Royal Medal sowie 1868 mit der höchsten Auszeichnung der Royal Society, der Copley Medal, ausgezeichnet wurde. Ebenfalls 1868 erhielt er einen wichtigen preußischen Orden für seine wissenschaftlichen Arbeiten und wurde in die American Academy of Arts and Sciences gewählt. Schon 1837 war er zudem zum Ritter geschlagen worden, sodass er in vielen Quellen auch als Sir Charles Wheatstone geführt wird.

Im Jahr 1875 starb er am 19. Oktober mit 73 Jahren an den Folgen einer Bronchitis in Paris. Dort arbeitete er zu dem Zeitpunkt an einem neuartigen Unterseekabel. Das Grab von Charles Wheatstone liegt auf dem Friedhof von Kensal Green in London. Posthum wurde unter anderem eine heute nicht mehr genutzte Einheit für den elektrischen Widerstand nach ihm benannt, zudem gibt es in der Antarktis den 1960 so benannten Wheatstone-Gletscher an der etwa 1.000 Kilometer von der Südspitze Südamerikas entfernen antarktischen Halbinsel sowie das auf der eher Neuseeland-nahen Seite der Antarktis gelegene Kap Wheatstone. (sb)

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