elektrische klokken

Carl August Steinheil (1801-1870)
In 1839 bouwde Carl Augustus Steinheil, professor aan de universiteit van München, een mechanische klok met een soort wipje en kwikbad onder de slinger geplaatst. Zijn hoofdklok stond in het Instituut van Onderwijs van München en zond elektrische pulsen naar een secundaire klok, geplaatst in de Sterrenwacht van Bogenhausen, zo’n 2 kilometer daar vandaan verwijderd.

Zijn secundaire klok bestond uit een permanente magneet en elektromagneet. De elektomagneet bewoog de magneet, die verbonden was met een ankergang en die de wijzers van de secundaire klok aandreef.

animatie

Wanneer de slinger door het nulpunt gaat kantelt het wipje en wordt er elektrisch contact gemaakt met het kwikbad daaronder. Door het gebruik van een slimme schakeling, bedacht door de Duitse wis- en natuurkundige Carl Friedrich Gauss (1777-1855), wordt nu bij iedere slingering de stroom van richting veranderd, zodat tegengestelde pulsen naar de secundaire klok gestuurd worden.

Voor het eerst in de geschiedenis werd met één klok dezelfde tijd aangegeven op verschillende plaatsen op grote afstand van elkaar.

Steinheil stelde ook voor elektrische lussen aan te leggen in grote steden om daar zo een uniforme tijd aan te geven. Een tijdsignaal dat eens per halve of hele minuut gegeven zou worden was voldoende volgens hem. Ook stelde hij voor om de stromen die door een, aan de slinger bevestigde, permanente magneet in een vast opgestelde spoel werden opgewekt te gebruiken om secundaire klokken aan de drijven en om andere slingers te synchroniseren.

Steinheil komt de eer toe de eerste geweest te zijn die elektriciteit toepaste in de tijdmeetkunde en daarmee tijdsignalen uitzond.

Maar Alexander Bain, een klokkenmaker uit Edinburg, zou toch de basis leggen voor het gebruik van elektriciteit om tijd te meten.

Alexander Bain (1810-1877)
Begin 1840 toonde Alexander Bain, die in 1837 naar Londen gekomen was, enkele voorbeelden van een elektrische klok aan professor Charles Wheatstone. Helaas voor Bain had hij geen slechtere keus kunnen maken. Wheatstone gaf Bain £5 en beloofde hem meer, maar adviseerde hem zijn werk op te schorten en verder zijn mond te houden. In november van dat jaar presenteerde Wheatstone aan de Royal Society te Londen een model van een elektrische klok als was het zijn eigen ontwerp.

De maand ervoor echter, in oktober 1840, hadden Alexander Bain en zijn toenmalige partner, chronometermaker John Barwise, een patent aangevraagd voor de eerste elektrische klok in Engeland. Dit patent werd in 1841 toegekend en Wheatstone werd gedwongen zijn model terug te trekken. Dit was het begin van één van de kleurrijkste ruzies in het elektrische klokkenwereldje.

In zijn patent nr.8783 van 1841 noemde Bain vele toepassingen van elektriciteit voor het meten van de tijd. Enkele voorbeelden daarvan zijn:
- het gebruik van een elektromagneet om potentiële energy op te slaan in een
- gewicht of bladveer
- het gebruik van een elektromagneet om slaafklokken aan te drijven
- de slinger contacten te laten sluiten om andere klokken op te winden
- het gebruik van een hoofdklok om de slingers van ander klokken te reguleren
- het gebruik van een hoofdklok om andere klokken gelijk te zetten

Aan het eind van dit patent bescheef Bain ook de mogelijkheid voor een uniforme distributie van tijd over het gehele land.
In deze animatie zien we één van zijn eerste klok Bain modellen.
Een steuntje, bevestigd aan de secondeslinger van een mechanische klok, schuift over een elektrisch contact, dat ingesloten is tussen isolatiemateriaal.
Zo wordt iedere seconde contact gemaakt en krijgen secundaire klokken elektrische pulsen.
animatie

Pas in 1843 (patent nr.9745) en 1845 (patent nr.10838) construeerde Bain elektromechanisch aangedreven klokken. Deze klokken bevatten echter nog wel de nodige kinderziektes, zoals een pover contactsysteem en hun afhankelijkheid van de conditie van de batterij.
De foto hier weergeven is zo’n klok, maar wel van een veel latere datum.

Charles Wheatstone (1802-1875)
Charles Wheatstone, vooral bekend als uitvinder van de Wheatstone brug, was natuurkundeprofessor in Londen toen Bain hem om advies vroeg voor zijn elektrische klokken. Het model, dat hij de Royal Society in november 1840 toonde, bestond uit een gewoon opwinduurwerk.
Naast het ontsnappingsrad was nog een koperen rad toegevoegd, waarvan de ruimtes tussen de tanden met hout opgevuld waren. Een veer maakte ieder seconde contact met het rad, waardoor een secundair uurwerk een puls kreeg.

De klok bevatte ook een primitieve commutator , een systeem dat later veel in een dynamo en motor toegepast werd maar hier niet erg praktisch was vanwege de grote wrijving dat het veroorzaakte.

Toen Wheatstone dit model toonde, beschreef hij ook een andere klok waarin opgewekte Foucault stromen gebruikt werden.
Deze klok zal later nog nader toegelicht worden.

Matthäus Hipp (1815-1893)
Hipp De naam Hipp is een begrip in de wereld van de elektrische klok door zijn uitvinding van de naar hem genoemde “Hipp toggle”.
Rond 1842 paste Matthäus Hipp uit Reutlingen, Duitsland, dit principe al toe, maar pas in 1869 vroeg hij hiervoor in de USA patent aan.
In 1849 werd zijn aanstelling als directeur van de klokkenmakers school te Furtwangen om politieke redenen afgewezen, met als gevolg dat Hipp in 1852 besloot Duitsland te verlaten en toe te treden tot het Zwitserse staatsbedrijf der telegrafie, om niet lang daarna aangesteld te worden als directeur van dit bedrijf. Naast zijn functie als directeur bleef hij werken aan de ontwikkeling van precisieklokken en wetenschappelijke instrumenten. Eén van zijn uitvindingen was de chronoscoop, een instrument dat een gebeurtenis tot op 1/1000 ste van een seconde kan meten.

animatie

Door zijn succes als klokkenmaker en uitvinder begon hij in 1860 zijn eigen bedrijf in Neuchâtel. Zijn klokken waren zo goed en betrouwbaar dat zijn systeem van elektrische hoofdklokken in veel steden van Europa geïnstalleerd werd.

Een palletje (de Hipp toggle) dat vrijelijk van links naar rechts, en omgekeerd, over een inkeping, geplaatst op het bovenste van twee elektrische contacten, beweegt vormt de basis van deze uitvinding. In zijn eerste klokken is dit palletje nog onder de slinger geplaatst.

Als gevolg van het langzaam afnemen van de slingeruitslag zal het palletje op een gegeven moment niet meer over de inkeping glijden maar erin vallen. De veer wordt nu naar beneden gedrukt, maakt contact met de veer daar onder en bekrachtigt een elektromagneet. Deze elektro-magneet is onder de slinger, net naast het nulpunt, geplaatst en trekt dan een weekijzerplaatje, verbonden aan de slinger, aan waardoor de uitslag van de slinger weer toeneemt. moederklok Hipp

In zijn latere modellen zijn de contacten boven de slingerlens geplaatst en hangt het palletje aan het onderste contact, de inkeping is nu aan de slinger bevestigd.
animatie

Wanneer de slinger naar links beweegt licht het een heveltje op dat bij het naar rechts gaan van de slinger een telrad telkens één tand verzet.
Dit telrad drijft de wijzers van de klok aan.

Hoewel de energie, die nodig is om de contacten te sluiten, onttrokken wordt aan de slinger, wordt dit slechts met grote tussenpozen gedaan terwijl de slinger door de nulpositie gaat waar zijn kinetische energie maximaal is. De beïnvloeding van de vrijheid van de slinger blijft daardoor uiterst beperkt.

Hipp was de eerste die een telrad gebruikte bij het meten van tijd.

Geschiedenis van de ontwikkeling van de elektrische klok