Experimente mit selbstgebauten Influenzmaschinen

Elektrostatische Kräfte - Koronaeffekte - Durchschlag von isolierenden Materialien - Elektrischer Wind

Für was man sich auch immer interessiert, entweder lustige Unterhaltung oder ernsthafte physikalische Untersuchungen: Ich wünsche viel Spaß und frohes Weiterentwickeln bei noch vertretbarem zeitlichem und finanziellem Aufwand und mäßigem handwerklichem Geschick gemacht werden kann. Am Ende erreichte ich maximal 50 cm Funkenschlagweite! Gelegentlich fragte mich beim Basteln meine Frau oder mein Schwiegervater nach dem Sinn der Sache. Ich musste eingestehen, dass mein Gerät - bereits vor mehr als 150 Jahren schon erfunden - eigentlich keinen Sinn oder praktische Bedeutung hat. Verständnisloses Kopfschütteln.
Ich glaube aber, dass die Beschäftigung mit dieser Materie ein tiefes Ver­ständnis schafft für das Wesen der Elektrizität, insbesondere der Elektro­statik, die ja in der modernen Elektrotechnik kaum mehr einen Platz hat. Man bekommt ein Gefühl für die gewaltigen elektrostatischen Vorgänge in der Natur, die bei jedem Gewitter, aber auch bei Vulkanausbrüchen beobachtet werden können.
Dieses Buch enthält neben einer kurzen Erklärung der wichtigsten physi­kalischen Grundlagen der Elektrostatik eine genaue Beschreibung für den Aufbau und Betrieb von großen Influenzmaschinen. Es soll Leute anspre­chen, die nicht nur passiv unterhalten werden wollen, sondern die selbst aktiv basteln und experimentieren wollen und auch eigene kreative Gedanken einbringen wollen. Viele Dinge auf dem Gebiet der Elektrosta­tik sind bis heute noch nicht zu Ende entwickelt oder voll durchdacht wor­den. Niemand weiß z. B., wie Kugelblitze entstehen. Ein Phänomen, das Forscher erst seit wenigen Jahren kennen, sind die „Blue Jets": Blitze, die an der Oberseite gewaltiger Wolken entstehen und in die Hochatmo­sphäre hinaufschießen.
Ich möchte speziell Schüler, Studenten und ihre Lehrer auffordern, sich einmal wissenschaftlich mit etwas wirklich Außergewöhnlichem zu beschäftigen. Die handwerklichen Voraussetzungen für den Aufbau der hier beschriebenen Geräte sind nicht sehr groß. Ein gut aufgebauter elek­trostatischer Generator kann mehr Spannung liefern als industriell gefer­tigte Hochspannungsgeneratoren, bestehend aus Transformatoren, Gleichrichtern und Filtersystemen, die vielleicht Tausende von Euro kos­ten.

Inhalt
1 Hochspannungserzeugung durch Influenz
und Ladungstrennung; Grundlagen.................  11
1.1  Elektrische Ladung................................  11
1.2  Das elektrische Feld...............................  13
1.3  Dielektrische Eigenschaften der Materie ...............  17
1.3.1 Dielektrikum.....................................  17
1.3.2 Dielektrizitätskonstante ............................  17
1.3.3 Verschiebungspolarisation ..........................  18
1.3.4 Orientierungspolarisation; Elektrete...................  19
1.4  Kapazität........................................ 20
1.4.1 Plattenkondensator................................ 20
1.4.2 Kugelkondensator................................. 22
1.5  Influenz......................................... 22
1.6  Energieerzeugung durch Ladungstrennung ............. 24
1.7  Sprühverluste in Luft, Spitzenentladung, Korona ........ 25
2 Der Elektrophor .................................27
2.1 Prinzipielle Wirkungsweise .........................27
2.2  Praktischer Aufbau eines einfachen Elektrophors ........29
3 Influenzmaschinen ...............................32
3.1  Erklärung der prinzipiellen Wirkungsweise
der Influenzmaschinen nach Töpler/Holtz..............32
3.2  Prinzipielle Wirkungsweise der sektorlosen Influenzmaschine nach Wimshurst.................... 34
4 Anleitung zum Selbstbau einer
Influenzmaschine nach Töpler/Holtz ................36
4.1  Herstellung der Scheiben ...........................36
4.2  Mechanischer Aufbau, Befestigung
der Getriebemotoren...............................39
4.2.1 Grundplatte und Motorstützen .......................39
4.2.2 Befestigung der Antriebsmotoren.....................41
4.3  Ausgleichs- bzw. Querkonduktoren...................42
4.4  Entladekonduktoren ...............................45
4.4.1 Entladekonduktor-Glassäulen........................45
4.4.2 Entladekonduktor-Stäbe............................46
4.4.3 Die Entladekugeln ................................47
4.5  Herstellung der Leidener Flaschen....................48
4.5.1 Auswahl geeigneter Gläser und Bekleben mit Metallfolie .. 48
4.5.2 Anschluss des Innenbelags..........................50
4.5.3 Befestigung des Absaugkonduktors...................52
4.5.4 Messung der Kapazität.............................53
4.5.5 Positionierung der Leidener Flaschen .................53
4.6  Verkabelung, Erdung. Motorregelung, Batterieversorgung . . 54
5 Inbetriebnahme der selbst gebauten Influenzmaschine (Töpler/Holtz) ...................57
5.1  Normaler Betrieb .................................57
5.2  Polwechsel ......................................60
6 Anleitung zum Selbstbau einer sektorlosen Influenzmaschine nach Wimshurst..................62
6.1 Vergleich: Sektor-Maschine - sektorlose Maschine.......68
7 Spannung und Leistung der Influenzmaschinen.......69
7.1  Spannungsmessung mittels Funkenlänge...............69
7.2  Abgegebener Strom ...............................72
7.3  Leistungsbetrachtung ..............................73
8 Pflege, Reinigung, Wartung der Maschinen...........75
8.1  Scheiben........................................75
8.2  Leidener Flaschen.................................75
8.3  Glassäulen.......................................76
8.4  Entladekugeln, Verbindungsstäbe.....................76
8.5  Batterie.........................................76
8.6  Motoren ........................................76
9 Berührungssicherheit, Personengefährdung,
Ozon, Entladestab, Röntgenstrahlung ...............77
10 Experimente mit Influenzmaschinen ............... 81
10.1  Abstoßungs- und Anziehungskräfte.................. 81
10.1.1  Elektrostatische Motoren .......................... 81
10.1.2 Kugeltanz ...................................... 86
10.1.3 Das elektrostatische Pendel ........................ 87
10.1.4 Das „haarsträubende" Experiment................... 89
10.1.5 Teelicht-Experiment.............................. 91
10.1.6 Das Elektroskop ................................. 91
10.1.7 Die schwebende Rakete ........................... 96
10.2  Durchschlag von Glas............................. 98
10.3  Funkenüberschläge, Korona-Effekte, Blitztafel......... 99
10.4  Elektrischer Wind, Kerzenflammen-Experiment, Flügelrad  103
10.5  Darstellung des elektrischen Felds...................  106
10.6  Seifenblasen-Experiment ..........................  110
10.7  Rauchgaskondensations-Experiment .................  110
11 Weitere elektrostatische (Influenz-)Generatoren......  113
11.1  Der Bandgenerator...............................  113
11.1.1 Vorgeschichte ...................................  113
11.1.2 Vereinfachte Erklärung der Funktionsweise............  114
11.2  Der Kelvinsche Wassertropfengenerator ..............  116
11.3  Der „Schuttel-Generator"..........................  120
12 Historisches....................................  121
Anhang........................................  131
Bezugsquellen...................................  131
Literaturhinweise ................................  134
Sachverzeichnis.................................  137

1 Hochspannungserzeugung durch Influenz und Ladungs­trennung; Grundlagen
1.1 Elektrische Ladung
Eine elektrische Ladung stellt man durch die Kraftwirkung fest, die von ihr auf eine andere ausgeübt wird.
Elektrisch geladene Körper ziehen sich an oder stoßen sich ab. Gleichar­tige Ladungen stoßen sich ab, ungleichartige ziehen sich an. Es gibt zwei verschieden Arten elektrischer Ladungen, man nennt sie positive und negative Elektrizität.
Wie man die Masse eines Körpers durch sein Gewicht, d. h. die Kraft misst, die die Erde auf ihn ausübt, so misst man die Menge der Elektrizität durch die Kraft, mit der sie von einer anderen angezogen oder abgestoßen wird. Ein Experiment ergibt, dass die Kraft, die zwischen zwei Ladungen Q, und Q2 wirkt, dem Produkt aus den Mengen der einzelnen Ladungen direkt proportional und dem Quadrat des Abstands r der Ladungen umge­kehrt proportional ist.

Die praktische Einheit der elektrischen Ladung heißt l Coulomb (Cb) oder 1 Amperesekunde.

12 7 Hochspannungserzeugung
Q in Coulomb (Amperesekunden)
r in Metern
die Kraft in Großdyn (105 dyn)
Die Konstante, die den Namen Influenzkonstante oder absolute Dielektri­zitätskonstante trägt, hat den Zahlenwert:
eo = 8,86-10-12 — V-m
Auch die Elektrizität besteht aus kleinsten natürlichen Einheiten, den negativ geladenen Elektronen und den positiven Protonen. Ihre Ladung, die Elementarladung, ist dem Betrag nach gleich:
eo= 1,602- 10-19 Coulomb
Die Atome bestehen aus einem Kern, in dem neben Protonen auch Neu­tronen enthalten sind. Dieser Kern, der weniger als den 10~l2ten Teil des Atomraums erfüllt, ist in relativ großen Abständen von negativen Elek­tronen umgeben, deren Zahl gleich der der Protonen im Atomkern ist. Bringt man außerhalb des Atoms in einer Entfernung, die gegenüber den Abständen der Einzelladungen im Atom groß ist, eine Ladung an, so sind die Kräfte, die von den Protonen auf diese „Probeladung" ausgeübt wer­den, gerade entgegengesetzt gleich den von den Elektronen herrührenden. Die resultierende Kraft ist also gleich Null. Man sagt dann, die Gesamtla­dung des Atoms sei Null, es sei „neutral". Daher sind im Allgemeinen die Körper neutral oder ungeladen, das bedeutet, dass sie keinen Überschuss an geladenen Elementarteilchen einer Art besitzen. Die Aufladung eines Körpers bedeutet also Vermehrung der Teilchen einer Art. Dies geschieht in den meisten Fällen durch Platzwechsel von Elektronen. Der Körper, der Elektronen abgibt, behält dann eine positive Überschussladung, er ist „positiv geladen". Fügt man Elektronen hinzu, so wird er „negativ" auf­geladen.
Die elektrischen Ladungen unterliegen einem Erhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe der positiven und negativen Ladungen konstant.
In den meisten Körpern sitzen die Elektronen in mehr oder minder fester Bindung an den Atomen oder Molekülen. In solchen Körpern sind daher ohne Zufuhr von Energie, welche zur Abspaltung von Elektronen aus dem

7.2 Das elektrische Feld 13
Atomverband aufgewandt werden muss, die Ladungen nicht verschieb-lich. Aber auch von außen herangebrachte Ladungen haften dort, wo sie zugeführt werden; man nennt solche Körper Isolatoren (Kunststoffe, Glas, Bernstein ...).
In den Metallen sind ein oder mehrere Elektronen pro Atom nicht mehr an die Atome fest gebunden, sondern zwischen ihnen frei beweglich und unter der Wirkung elektrischer Kräfte verschiebbar. Die Metalle binden Ladungen nicht an dem Ort, an dem man sie zuführt. Sie verteilen sich vielmehr auf ihrer Oberfläche. Man nennt die Metalle Leiter.
Apparate zur Messung elektrischer Ladungen heißen Elektrometer (siehe Abschnitt 10.1.6).

1.2 Das elektrische Feld
Ein elektrisch geladener Körper übt, ähnlich wie ein Magnet, in seiner näheren Umgebung Kräfte aus, man sagt, er hat ein elektrisches Feld. Man denkt, dass die elektrischen Feldlinien vom positiven Ladungsträger ausgehen und im negativen einmünden. Im Gegensatz zu den magneti­schen Feldlinien sind sie nicht geschlossene Kurven, sondern enden dort, wo Ladungen sitzen. Sie enden nie frei im Raum. Zwei Kraftlinien schneiden sich niemals. In einem homogenen elektrischen Feld, d. h. in einem Feld, an dem an jedem Ort die Feldstärke den gleichen Wert hat, verlaufen die Kraftlinien parallel. Wenn sie divergieren, so nimmt in der Richtung, in der die Kraftlinien auseinander laufen, die Feldstärke ab, in entgegengesetzter Richtung zu. Wo sie enger liegen, ist also die Feld­stärke größer. Das Kraftlinienbild eines elektrischen Felds vermittelt demnach ein anschauliches Bild der Verteilung der Feldstärke.

Als Feldstärke bezeichnet man den Quotienten aus einer elektrischen Kraft (K) und der Ladung (Q), auf die sie in einem elektrischen Feld aus­geübt wird.

Ist s eine kleine Wegstrecke an der zu untersuchenden Stelle des Felds,
längs derer die Kraft K wirksam ist, so gilt: Arbeit = Kraft und Weg A = Ks=U-It=UQ Daraus folgt für die Feldstärke:
Die Feldstärke ist also auch das Verhältnis aus dem Spannungsabfall und der Länge des Kraftlinienstücks, längs dessen der Spannungsabfall statt­findet. Ihre Einheit ist:
Abb. 1.1 zeigt ein homogenes Feld, wie es zwischen zwei parallelen gela­denen Platten in geringem Abstand entsteht (Plattenkondensator).
Die Feldlinien sind gerade und alle senkrecht zu den Elektroden. Ihre Dichte, das Maß für die Feldstärke, ist überall gleich. In einem solchen homogenen Feld ist die Feldstärke gleich der anliegenden Spannung divi­diert durch den Plattenabstand:
E=V-s
Abb. 1.1: Kraftlinien des Plattenkondensators

 

7.2 Das elektrische Feld 1 5
Abb. 1.2 zeigt das elektrische Feld einer einzelnen, isoliert stehenden geladenen Kugel (Kugelkondensator). Auch hier sind alle Feldlinien senkrecht zur Kugeloberfläche und gerade (radial). Ihr gegenseitiger Abstand wird nach außen größer, das Feld wird also nach außen schwä­cher. Bei einer kleineren, gleich stark geladenen Kugel sähe das Bild exakt genauso aus. Die Kugeloberfläche läge jedoch weiter innen, sodass die Feldlinien an der Kugeloberfläche dichter lägen. Das Feld der kleine­ren Kugel ist also an der Oberfläche stärker, weiter außen aber gleich stark.
Abb. 1.3 zeigt das elektrische Feld zwischen zwei entgegengesetzt gela­denen Kugeln. Die Feldlinien enden zwar noch senkrecht auf den Elektro­den, sind aber nicht mehr gerade.
Abb. 1.4 zeigt das elektrische Feld zwischen zwei gleichen (positiven) Ladungen.

Abb. 1.2: Kraftlinien einer kugelförmigen (positiven) Ladung
Abb. 1.3: Kraftlinien eines „Dipols"

16 7 Hochspannungserzeugung
Abb. 1.5 zeigt das Feld zwischen einer geladenen Kugel und einer ebenen, großen geerdeten Metallplatte. Die Oberfläche der Metallplatte wird negativ geladen. Es wird auf ihr eine Ladung entgegengesetzten Vorzei­chens durch Influenz gebunden, deren Menge gerade gleich der der influ-enzierenden positiven Ladung ist. Das elektrische Feld vor der Platte ist identisch mit dem Feld des Dipols (Spiegelung). Die Feldlinien enden senkrecht auf der Platte.
Abb. 1.6 zeigt das Feld eines geladenen Leiters, der eine Spitze hat und sonst rund ist. Die Feldlinien konzentrieren sich sehr stark auf die Spitze, die Feldstärke ist hier sehr hoch. Allgemein gilt der Grundsatz, dass das elektrische Feld an einer Leiteroberfläche umso höher ist, je stärker deren Krümmung ist.
Abb. 1.4: Kraftlinien zwischen zwei glei­chen (positiven) Ladungen

Abb. 1.5: Influenzwirkung einer gelade­nen Kugel

Abb. 1.6: Spitzenwirkung

7 3 DieletfSehe '§geliscli$en~derlStefS"'' 17
1.3 Dielektrische Eigenschaften der Materie
1.3.1  Dielektrikum
Stellt man zwischen ein Elektroskop (Abschnitt 10.1.6) und einem gerie­benen PVC-Stab eine Glasplatte oder eine Platte aus einem anderen Isola­tor, so findet trotzdem ein Ausschlag statt. Während das elektrische Feld durch eine geerdete Metallplatte abgeschirmt wird, greift es durch einen Isolator durch. Man bezeichnet die isolierenden Stoffe als Dielektrika.
1.3.2 Dielektrizitätskonstante
a) Bringt man zwischen die Platten eines geladenen und dann von der Stromquelle getrennten Kondensators einen Isolator, z. B eine Glas-
Tabelle 1.1: Dielektrizitätskonstante einiger Stoffe
 

18 7 Hochspannungserzeugung
oder Kunststoffplatte, so sinkt seine Spannung. Nach Entfernen der Platte steigt die Spannung auf den ursprünglichen Wert. Dem Konden­sator ist also keine Ladung entzogen worden.
b) Entlädt man einen auf die Spannung U geladenen Kondensator, zwi­schen dessen Platten vor der Aufladung ein Isolator geschoben wurde, über ein ballistisches Galvanometer, so ist die nachgewiesene Ladung größer als bei einer Entladung des auf gleiche Spannung geladenen Kondensators ohne Isolator. Durch das Dielektrikum wird also die Kapazität des Leiters vermehrt.
Als relative Dielektrizitätskonstante £,. eines Stoffes bezeichnet man das Verhältnis dieser (durch Einschieben des Stoffes) vermehrten Kapazität eines Kondensators (C) zu seiner Kapazität im Vakuum
(cmcy.

1.3.3 Verschiebungspolarisation
Da beim Versuch in Abschnitt 1.3.2a) die Ladung erhalten bleibt, gilt:
d. h. die Spannung und auch die Feldstärke im Kondensator werden durch das Dielektrikum auf i geschwächt. Da die Kondensatorladung durch das Dielektrikum aber nicht geändert wird, müssen auf den Oberflächen des Mediums, die an der Platte anliegen, polar entgegengesetzte Oberflä­chenladungen frei werden (vgl. Abb. 1.7).
Das Zustandekommen dieser freien Oberflächenladungen des Dielektri­kums im elektrischen Feld kann wie folgt gedeutet werden:
Die elektrischen Ladungen, aus denen die Atome aufgebaut sind (die Kerne und die Elektronen), sind nicht starr miteinander verbunden. Sie können durch ein elektrisches Feld, das an den positiven Kernen und den negativen
Abb. 1.7: Freie Oberflächenladung eines Dielektrikums im elektrischen Feld


 

Elektrete können als Elektrophorkuchen (siehe Abschnitt 2) verwendet werden. Sie behalten ihre Ladung bis zu einem Jahr.

Mit größer werdender Plattenfläche F [m²] nimmt die Kapazität zu, mit größerem Abstand s [m] der Platten nimmt sie ab.

Abb. 1.9: Leidener Flasche

Die Kapazität lässt sich nach der Formel für den Plattenkondensator berechnen. Die Fläche F des Kondensators ist:
 

22 - 7 Hochspannungserzeugung

Abb. 1.10: Influenzierte Ladungen auf einem ungeladenen Metallstück im elektrischen Feld und die durch sie bewirkten Änderungen des Felds


Abb. 1.11: Ladungstrennung durch Influenz

24 7 Hochspannungserzeugung
Zum Nachweis der beiden gleich großen entgegengesetzten Ladungen kann man mit der einen Platte ein Elektrometer aufladen und es durch Berühren mit der anderen Platte wieder entladen.

Abb. 1.12: Feldverteilung während des Herausziehens der beiden durch Influenz geladenen Platten - das ursprüngliche Kondensatorfeld bleibt bei dem ganzen Vor­gang unverändert
 

26 4 Hochspannungserzeugung
aufladen will, einen Mindestdurchmesser von 60 cm besitzen (z. B. Kon-duktor eines Bandgenerators). Gibt man diesem Konduktor eine andere als die Kugelform, sodass er Stellen mit kleinerem Krümmungsradius (Kanten, Ecken oder Spitzen) besitzt, so kann man ihn nur auf kleinere Spannungen aufladen. Eine Konservendose z. B. hat an ihren Rändern Krümmungsradien von ca. 1/3 mm. Das hat zur Folge, dass man sie ganz unabhängig von ihrer Größe nur auf etwa 1.000 V aufladen kann. Jede weitere zugeführte Ladung wird an den Stellen stärkster Krümmung als Sprühentladung abgegeben. Würde man die Entladekugeln einer Influ­enzmaschine durch Spitzen ersetzen, so käme es zu keinem Spannungs­aufbau und auch zu keiner Funkenentladung. Die von den Scheiben gelie­ferte Energie würde sofort wieder als Korona-Entladung in den Raum ent­weichen.

2 Der Elektrophor

Abb. 2.1:Elektrophor

2.2 Praktischer Aufbau eines einfachen Elektrcphors 29

Der Elektrophor kann als das elektrische Analog zu einem Permanent-Magneten betrachtet werden. Es gibt Kuchenmaterialien, die ihre Ladung bis zu einem Jahr behalten können.

Abb. 2.2: Elektrophor
 

30 2. Der Elektrophor
 

Abb. 2.3: 4-cm-Entladung aus dem Elektrophor (Videoaufnahme)

2.2 Praktischer Aufbau eines einfachen Elektrophors 31

Abb. 2.4: Das „Elektrophor-Männchen" zeigt sein Potenzial

3 Influenzmaschinen

3.1 Erklärung der prinzipiellen Wirkungsweise der Influenzmaschinen nach Töpler/Holtz
Zwei Scheiben aus Isoliermaterial sind auf derselben Welle so angeordnet, daß sie gegenläufig rotieren können.
Auf der Außenseite jeder Scheibe sind mehrere Segmente aus Metall aufgeklebt, auf denen die Ladungen influenziert werden (siehe Abb. 3.1).
Die Abnahme der Ladung geschieht durch zwei Saugkämme S.
Die Schleifkontakte K, bis K4 sind paarweise metallisch verbunden. Die Mittelpunkte der Verbindungsstäbe sind mit Massepotenzial verbunden.
Bei Inbetriebnahme der Maschine muß auf den Segmenten eine geringe Ladung vorhanden sein, die meist als Restladung von früher her übrig ist oder anderenfalls durch Reibung schnell entsteht.
In Abb. 3.1 sind solche im Beispiel positiven Restladungen. Nimmt man die Maschine in Betrieb, so werden auf jedem Metallstück, das ins Feld der Konduktorladungen kommt, die in gleicher Menge vorhan­denen positiven und negativen Ladungen durch Influenz getrennt, also auch auf den Segmenten b, die sich an a vorbeibewegen. Dadurch werden alle Segmente, die an dem Schleifkontakt K, vorbeistreichen, negativ und alle Segmente, die an K2 vorbeistreichen, positiv aufgeladen.
In Abb. 3.1 (unten) sind jetzt die drei mit c bezeichneten Segmente negativ geladen.
Sie influenzieren daher beim Vorbeigang der Segmente d auf diesen eine rund dreimal größere Ladung, als wenn nur ein Segment geladen wäre, weil in d das elektrische Feld der drei Konduktorladungen c zusammenwirkt.
Dadurch werden sämtliche an K3 vorbeistreichenden Segmente positiv und die an K4 vorbeigehenden Segmente negativ geladen. Kommen jetzt die Segmente d an die Stelle a, so wiederholt sich der ganze Vorgang mit verstärkter Anfangsladung. Im Endzustand sind, in
Drehrichtung gerechnet, alle Innensegmente zwischen K3 und K4 positiv und zwischen K4 und K3 negativ und alle Außensegmente zwischen K, und K2 negativ und zwischen K2 und K, positiv geladen, sodass man an
zwei gegenüberliegenden Stellen die Ladung von beiden Ringen mit Saugkämmen S abnehmen kann.
Diese Ladungsabnahme kann nicht durch Schleifbürsten wie bei K, bis K4 geschehen, weil sich dabei die Segmente vollständig entladen würden, sodass sich die Influenzmaschine nicht selbst erregen könnte. Die Wir­kungsweise der Saugkämme 5 wird durch folgenden Versuch erläutert:

Abb. 3.1 Prinzipielle Wirkungsweise der Segmentkränze der Übersichtlichkeit hal­ber konzentrisch liegend gezeichnet.

Abb. 3.2: Wirkung der Saugkämme

3.1 Wirkungsweise sektorlose Influenzmaschine 35

4 Anleitung zum Selbstbau einer Influenzmaschine nach Töpler/ Holtz

Mit 90 cm Scheibendurchmesser ist das Maximum erreicht, bei dem sich gerade noch ein einigermaßen gleichmäßiger Parallellauf mit den kleinen Getriebemotoren erreichen lässt. Wenn man sich schon einmal zum Bau einer solchen Maschine entschließt und den zeitlichen Aufwand nicht scheut, muss das Ergebnis beeindruckend sein. Der zeitliche und finanzielle Aufwand für den Bau einer kleineren Maschine wäre ja fast genauso groß.
Im Kunststoffgroßhandel lässt man sich zwei PVC-Platten 900 x 900 x 3 mm zuschneiden. Man muss darauf achten, dass die Oberflächen möglichst glatt und ohne Kratzer sind. Weißes PVC-Material war im Betrieb genauso gut wie z. B. graues.
Als erstes wird der Mittelpunkt der Scheiben ausgemessen und angekörnt. Mit einem 50 cm langen Lineal wird jetzt der 45-cm-Radius Punkt für Punkt vom Mittelpunkt aus in eine Scheibe geritzt. Dieses erscheint etwas mühsam, aber einen Zirkel mit dieser Größe wird man kaum finden. Die Scheibe wird auf einen Tisch gelegt. Als Unterlage verwendet man ein Tuch, um die Scheibe nicht zu zerkratzen. Mit der Stichsäge, die von unten gegen die Platte gehalten wird, kann jetzt der Kreis ausgeschnitten werden. Die Metallführung der Stichsäge wurde mit glattem Tesa-Band überklebt, um beim Sägen die Scheibe nicht zu zerkratzen. Die so ausge­schnittene Scheibe kann jetzt auf die zweite Platte gelegt werden, um den Umfang einzuritzen. Diese kann in derselben Weise ausgeschnitten wer­den. Als nächstes wird die Einteilung für die 30 Metallsegmente gemacht. Aus einem Kartonpapier wird eine Schablone mit ca. 80 cm Durchmesser ausgeschnitten, der Mittelpunkt festgelegt und durchstoßen. Am Außenrand der Kartonscheibe werden 30 Bleistiftmarkierungen in gleichmäßi­gem Abstand d angebracht.
Bei genau 80 cm Durchmesser wäre d = ?5_5 = 8,37 cm. d ist die Länge des Kreisbogenstücks, kann aber in etwa auch für die Gerade genommen werden.
Die Einteilung wird für die halbe Scheibe gemacht, beginnend von oben für ein Viertel der Scheibe und von unten für das zweite Viertel. Die Kar­tonscheibe wird jetzt auf die PVC-Scheibe so gelegt, dass die Mittel­punkte genau zusammenpassen. An mehreren Stellen wird nun die Kar­tonscheibe mit Klebestreifen auf der PVC-Scheibe befestigt. Die 30 Mar­kierungen werden jetzt in die PVC-Scheibe geritzt. Die Kartonscheibe wird entfernt. Mit einem 50 cm langen Lineal wird jede der Markierungen von ca. 2,5 cm Entfernung vom Scheibenrand bis 18 cm Entfernung vom Scheibenrand gut sichtbar eingeritzt.
Der Mittelpunkt der PVC-Scheibe wird jetzt mit einem 6-mm-Durchmes-ser-Bohrer aufgebohrt. Zwei PVC-Vierecke 6 x 6 cm werden aus den PVC-Resten herausgeschnitten und in der Mitte mit 6 mm Durchmesser durchbohrt.
Ein Zahnrad mit 40 mm Durchmesser (Conrad Electronic) wird unter Zwischenlegen des 6-x-6-cm-PVC-Stücks mit einer 6-mm-Schraube und Mutter fest auf die PVC-Scheibe (Seite mit den 30 Markierungen!) geschraubt {Abb. 4.2).
Am Umfang des Zahnrads werden, wie in Abbildung 4.2 gezeigt, drei Löcher mit 3 mm Durchmesser gleichzeitig durch das Zahnrad, das 6x6-PVC-Stuck und die PVC-Scheibe gebohrt und 3-mm-Schrauben mit Gegenmutter eingeschraubt. Die Madenschrauben des Zahnrads werden durch normale Zylinderkopf- oder Senkkopfschrauben (M4 x 20) ersetzt. Nach dem Herausnehmen der 6-mm-Schraube in der Mitte werden die
Abb. 4.1: Einteilung in 30 Abschnitte
 

4.2 Mechanischer Aufbau, Befestigung der Getriebemotoren 39

40 4 Selbstbauanleitung einer Influenzmaschine

Abb. 4.4 Grundplatte mit PVC-Stützen

Abb. 4.5: Befestigung der PVC-(Holz-)Stützen

1-4.2 Mechanischer Aufbau, Befestigung der Getriebemotoren 41

Abb. 4.6: 6 V-Getriebemotor



Abb. 4.7: Getriebemotoren, Seitenansicht

 

Abb. 4.8: Getriebemotor, Frontansicht

4.3 Ausgleichs- bzw. Querkonduktoren 43

Abb. 4.9: Querkonduktorarm

 

Abb. 4.10: Querkonduktorbefestigung

44  4 Selbstbauanleitung einer Influenzmaschine

 

Abb. 4.11: Obere Querkonduktorarme

Um sie in die richtige Position zu bringen, müssen die Scheiben auf die Getriebemotorachsen montiert werden. Die PVC-Scheiben sollen einen gegenseitigen Abstand von ca. 10 mm haben. Ein kleinerer Abstand wäre zwar besser, setzt aber einen parallelen Lauf der Scheiben voraus. Die Querkonduktoren werden so zurechtgebogen, dass die Pinsel die Metall­segmente der Scheiben nur ganz leicht berühren, ohne sie zu zerkratzen.

4.4 Entladekonduktoren 45

Abb. 4.13: Entladekonduktor-Stab - Befestigung



 

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Von der Größe und Qualität der Entladekugeln hängt in entscheidendem Maße die Schlagweite der Maschine ab. Insbesondere der positive Pol = Doppelkugel muss absolut hochglanzpoliert und sauber sein. Meine Suche nach geeigneten billigen Kugeln in Haushaltswarengeschäften ver­lief erfolglos. Es wurden daher industriell gefertigte und hochglanzpo­lierte Kugeln verwendet (siehe „Bezugsquellen", Seite 131).
Positiver Pol:
Untere Kugel = 100 mm Durchmesser mit einem Sacklochgewinde M8. Am gegenüberliegenden Ende wird ein M5-Gewinde eingebohrt.
Obere Kugel = 60 mm Durchmesser mit einem Sacklochgewinde M5. Die beiden Kugeln werden mit einem Gewindestab M5x20 zusammenge­schraubt und dann an den Konduktorstab geschraubt.
Beim negativen Pol können kleinere Abstriche in der Qualität gemacht werden. Je größer diese Kugel ist, desto größer wird die Schlagweite. In einem Baumarkt fand ich eine 180-mm-Durchmesser-Plastikhohlkugel. Eine über einer Flamme erhitzte M8-Mutter wurde in die Befestigungs­öffnung der Kugel gedrückt und dann festgeklebt. Die Kugel wurde mit
Aluminium-Klebefolie beklebt und alle Erhebungen und Falten so gut wie möglich glattgestrichen.
Wie in Abb. 5.3 gezeigt, wird der rechte (= P
Plus-)Pol im 45-Grad-Winkel eingestellt, um große Schlagweiten zu erzielen. Eine 300-mm-Durchmes-ser-Styroporkugel, mit Alufolie beklebt, als Minuspol ergab 50 cm Schlagweite (mit der sektorlosen Maschine)! Eine 120-mm-Kugel ergab dagegen nur max. 44 cm.

4.5 Herstellung der Leidener Flaschen
4.5.1 Auswahl geeigneter Gläser und Bekleben mit Metallfolie
Die Leidener Flasche wurde bereits 1745 von Ewald von Kleist erfunden. Man bezeichnete sie als „Apparat zur Ansammelung von Elektrizität". Sie besteht im Prinzip aus einem Glasgefäß, das innen und außen bis auf mehrere Zentimeter vom Rand mit Metallfolie beklebt ist (siehe auch Abschnitt 1.4). Zunächst begann ich mit Senfgläsem und Einmachgläsern herumzuexperimentieren. Mit größer werdenden Scheiben waren diese Gläser dann nicht mehr ausreichend. Die meisten wurden durchschlagen, oder die Isolationseigenschaften waren zu schlecht. Glasvasen aus Kauf­häusern waren oft sehr unregelmäßig geblasen oder enthielten Luftbla­sen. Einige Glassorten haben schlechte Isolationseigenschaften oder neh­men zu viel Feuchtigkeit aus der Luft auf.
Rein zufällig kam ich an einer Universitätsglasbläserei vorbei und fragte nach den Preisen. Ich war natürlich der Meinung, dass die Gläser hier sehr teuer sein müssten. Tatsächlich aber waren hier maßgeschneiderte Glas­zylinder nicht teurer als Kaufhausvasen. Sie waren überdies äußerst exakt nach Maßangaben gefertigt, hatten keine Lufteinschlüsse oder Unregel­mäßigkeiten in der Wandstärke. Hervorragende Isolationseigenschaften, hohe Durchbruchspannung und geringe Wasseraufnahme waren weitere Merkmale dieser Gläser.
Man könnte natürlich auch mit Acrylglasröhren experimentieren. Auf einer Seite muss dann ein Abschlussdeckel aufgeklebt werden. Wegen des geringeren er wäre bei sonst gleichen Abmessungen die erzielte Kapa­zität um ca. 35 % geringer als mit Duran-Glas. Die hier verwendeten Glä­ser haben folgende Abmessungen:
Zylinderhöhe: 400 mm Außendurchmesser: 100 mm Wandstärke: 3,4 mm
Die Gläser werden zunächst mit Spiritus innen und außen gesäubert und dann im Heißluftofen bei ca. 80 °C zwei Stunden lang getrocknet.

Zum Bekleben wurde dann Aluminium-Klebefolie verwendet (10-m-Rolle, Tesa). Will man kräftige, lautstarke Entladungen haben, die aber in etwas größeren Abständen kommen, so sollte man die Flaschen etwa maximal 175 mm hoch bekleben. Bei einer Höhe der Klebefolie von 110 mm ergibt sich eine kleinere Kapazität (ca. 470 pF), dünnere Funkenent­ladungen, die nicht ganz so lautstark sind, dafür aber häufiger kommen. Mit den 470-pF-Leidener-Flaschen werden auch etwas größere Schlag­weiten erzielt als mit den 720-pF-Flaschen.

Abb. 4.15: Leidener Flaschenanschluss

Abb. 4.16: Leidener Flasche (720 pF) mitAbsaugkonduktor

Abb. 4.17: Absaugkonduktor
 

4.5.4 Messung der Kapazität

Man schließt die Leidener Flasche, wie in Abb. 4.19 dargestellt, an eine 220-V/50-Hz-Steckdose an und misst den Wechselstrom mit einem pas­senden Messgerät.

Abb. 4.19: Kapazitätsmessung

Abb. 4.20: Rechte (= positiv geladene) Leidener Flasche

Abb. 4.21: Motorverkabelung

Abb. 4.22: Schaltung des Antriebssystems

Abb. 4.23: Gesamtsystem-Erdung (von oben)

Eine Erhöhung der Funktionszuverlässigkeit wurde bei der sektorlosen Maschine (Abschn. 6) durch eine noch besser geerdete Montageplatte erzielt! Man klebt weitere miteinander leitend verbundene Aluminiumfo-lien-Streifen auf die Montageplatte, an den Leidener Flaschen beginnend, sowohl außen herum, als auch von links nach rechts unter den Kunststoff­scheiben hindurch.

5 Inbetriebnahme der selbst gebauten Influenzmaschine (Töpler/Holtz)

 

Abb. 5.1: Querkonduktor-Einstellung: hohe Spannung    Abb. 5.2: Querkonduktor-Einstellung: hoher Strom
 

  
Abb. 5.3: 40-cm-Entladung - Influenzmaschine nach Töpler/Holtz mit Metallsegmenten
 

6 Anleitung zum Selbstbau einer sektorlosen Influenzmaschine nach Wimshurst

Der Abstand des geriebenen PVC-Stabs zur Acrylscheibe beträgt ca. 10 mm. Sofort geht die Drehzahl der Motoren deutlich zurück, die Maschine erregt sich.
Vielleicht muss man sogar am Potenziometer die Drehzahl etwas erhöhen. Die Maschine liefert 44-48 cm lange Funken (Abb. 6.2).
Mit sektorlosen Maschinen werden Schlagweiten von 75 % des Scheiben­durchmessers erzielt (R. A. Ford). Da die hier beschriebene Maschine nicht als fertig ausgereifte Konstruktion zu betrachten ist, kann der experimentierfreudige Bastler und Entwickler sicherlich noch eine Menge herausholen. Besonders die Querkonduktorpinsel und die Absaugkon-duktoren können noch verbessert werden.
Eine externe Erregung der Maschine war übrigens auch mit dem geladenen Elektrophor (Abschnitt 2) oder auch mit einer externen Hochspannungsquelle von ca. 25-30 kV (Gleichspannung) möglich. Der Elektrophor bzw. der Pluspol der Hochspannungsquelle wird dabei hinter die beiden Scheiben in Höhe des rechten unteren Querkonduktorpinsels gehalten. Nur wenn die externe Erregung an den beschriebenen Stellen erfolgt, die Entladekugeln und Querkonduktoren in der dargestellten Weise eingestellt werden und die vordere Scheibe sich nach rechts dreht, wird die volle Leis­tung der Maschine erreicht. Die Absaugkonduktoren aus Tee lichtbechern hatten einen Abstand von ca. 20-25 mm von der Scheibe (ausprobieren!).
Natürlich wollte ich auch PVC-Scheiben ausprobieren. Von früheren Experimenten hatte ich noch zwei Scheiben (90 cm Durchmesser, 3 mm stark) aus grauem PVC, die am Ende nach längerem Gebrauch nicht mehr so gut funktionieren wollten. Ich entfernte die Metallsegmente und mon­tierte die Zahnräder auf die jeweiligen Rückseiten der Scheiben. Diese waren ja durch den Betrieb nicht oxidiert bzw. verschmutzt worden. Trotzdem reinigte ich sie mit Petroleum. Auch mit dieser Anordnung erzielte ich wieder 46 cm lange Entladungen.
Man kann sagen, dass Scheiben, die nach längerem Gebrauch oxidiert sind und in ihrer Leistung nachlassen, einfach umgedreht werden können. Die Rückseiten funktionieren dann wieder ausgezeichnet.
Für die experimentierfreudigen Bastler sind in Tabelle 6.1 die technischen Daten verschiedener Kunststoffe angegeben, mit denen vielleicht gleich gute oder bessere Ergebnisse erzielt werden können.
Früher wurden Hartgummischeiben verwendet, die ausgezeichnete Ergebnisse liefern, aber heute praktisch nicht mehr erhältlich sind.
Gewöhnliches Glas ist stark hygroskopisch, kann aber nach gründlicher Reinigung und Trocknung mit einem geeigneten Lack überzogen werden.

Abb. 6.3: Seitenansicht der sektorlosen Wimshurst-Maschine (Scheibendurch­messer 90 cm)      Abb. 6.2:47 cm Entladung
   

Vor ca. 100 Jahren wurden Wimshurst-Maschinen aus lackierten Glas­scheiben gefertigt. Die besten Ergebnisse werden heute mit Acrylglas und Teflon erzielt.
Bei trockener Luft kann sehr gut mit PVC gearbeitet werden.

Abb. 6.4: PVC-Scheiben 46 cm-Entladung

7 Spannung und Leistung der Influenzmaschinen

Tabelle 7.1: Schlagweite zwischen Kugelelektroden (Angaben in cm)

Es wird hier vorausgesetzt, dass der Kollektor die gesamte Ladung von der Oberfläche abzieht. Die aktive Fläche der Scheiben befindet sich in einem Ring zwischen dem maximalen Radius r_lmx [m] und dem minima­len Radius r_m„, [m]; n ist die Rotationsgeschwindigkeit der Maschine in Umdrehungen pro Sekunde. Bei gegenläufig rotierenden Scheiben und einseitiger Stromabnahme muss so gerechnet werden, als ob eine Scheibe steht und die andere sich doppelt so schnell dreht. Im vorliegenden Fall wurde r^^ zu 0,43 m und r_min zu 0,35 m angenommen. Daraus errechnet sich bei einer Umdrehung/Sekunde (jeder Scheibe) ein maximal abgegebener Strom:

8 Pflege, Reinigung, Wartung der Maschinen

9 Berührungssicherheit, Personengefährdung, Ozon, Entladestab, Röntgenstrahlung

Die Funkenüberschläge sehen zwar bedrohlich lang und kräftig aus, trotz­dem geht von den Influenzmaschinen keine ernsthafte Gefahr aus. Ich bin selbst öfter vom „Blitz getroffen" worden, erfreue mich aber immer noch bester Gesundheit.
Wenn man versehentlich einen Pol berührt oder in seine Nähe kommt, bekommt man im Allgemeinen nur die halbe Spannung gegen Masse ab. Parkett- und Linoleumboden und die Schuhsohlen bilden eine gewisse Isolation im Verhältnis zu einem direkten Massekontakt, den man hätte, wenn man mit einer Hand an die Dampfheizung oder Wasserleitung lan­gen würde. Auf alle Fälle sollte man es vermeiden, mit beiden Händen an die Entladekonduktorgriffe zu langen, während die Maschine läuft oder kurz bevor die Leidener Flaschen ganz aufgeladen sind. Der Schlag, den man dann erhält, ist ziemlich unangenehm. Die Energiemenge, die in einer auf 160 kV aufgeladenen Leidener Flasche von 750 pF steckt, beträgt 8,4 Ws (siehe auch Abschnitt 7.3). Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie viel das ist, nehme man ein Gewicht von 1 kg und lasse es aus 85 cm Höhe herunterfallen.
Wer einmal eine Leidener Flasche unfreiwillig entladen hat, wird im All­gemeinen sehr darauf achten, dass dieses nicht noch einmal passiert.
Bevor man an der Maschine arbeitet, sollte man die beiden Leidener Fla­schen entladen. Dazu eignet sich der in Abb. 9.1 dargestellte Entladestab.
Selbst wenn man die geladenen Flaschen einige Sekunden kurzschließt, baut sich nach kurzer Zeit wieder eine Spannung
von mehreren Tausend Volt auf. Erst nach mehrmaligem Entladen verschwindet die Ladung
schließlich. Dies sollte man berücksichtigen, wenn man die Flaschen in der Hand hält und die Innenflächen reinigen will.
Während des Betriebs der Influenzmaschinen entsteht Ozon, ein dreiato­miges Sauerstoffmolekül. Ozon reizt die oberen Atmungswege und Augen, verursacht Kopfschmerzen und kann in hoher Konzentration für Pflanzen und Tiere giftig sein. Es ist hochreaktiv und kann die Maschine selbst angreifen, indem es das Scheibenmaterial oxidiert und zersetzt. Der charakteristische Geruch kann auch oft bei Gewittern wahrgenom­men werden. Nach dem Einschalten der Maschine riecht es ziemlich stark; wenn man länger im Raum ist, merkt man selbst nichts mehr davon. Meine Frau allerdings war immer relativ entsetzt, wenn sie den Hobby-Raum betrat. Man sollte immer auf ausreichende und gute Lüf­tung achten und sich nicht allzu lange direkt neben der laufenden Maschine aufhalten. Wenn man bedenkt, dass man mit Ozon ganze Hal­lenbäder mit Tausenden von Litern Wasser entkeimt, kann man sich gut vorstellen, dass von einem solchen „Spielzeug" keine ernsthafte Gefahr ausgehen kann.
Bei Verwendung von Hochspannungsvakuumröhren können gefährliche Röntgenstrahlen entstehen. Noch bis Mitte des vergangenen Jahrhun­derts war man sich dieser Gefahr nicht bewusst. Die Firma Wehrsen ver­kaufte Influenzmaschinen mit allem Zubehör, wie in den Abb. 9.3 und 9.4 dargestellt.
Man sollte sich also davor hüten, elektronische Vakuumröhren an die große Maschine anzuschließen, es sei denn, man weiß genau, was man tut. Alte Glühlampen und einige moderne Lampen, die ein Vakuum besitzen, können beträchtliche Röntgenstrahlung produzieren. Die meis­ten modernen Glühlampen sind mit einem speziellen Gas gefüllt und produzieren keine Strahlung.
Auch Leuchtstofflampen und Neonlampen sind sicher. Die Erzeugung von Röntgenstrahlung ist verbunden mit der Erzeugung von Kathoden­strahlen in den Vakuumröhren. Wenn diese Kathodenstrahlen (hochener­getische Elektronen) die Wände der Röhre oder Metallteile in der Röhre mit hoher Geschwindigkeit treffen, werden Röntgenstrahlen unter­schiedlicher Intensität bzw. Wellenlänge erzeugt. Ein Anzeichen dafür ist das im Dunkeln sichtbare Fluoreszieren der Glaswände.


 

Abb. 9.2: Entladen einer Leidener Flasche
 

Apparate für Röntgen-Versuche.

 

Abb. 9.3: Influenzmaschine „Wehrsen" mit Röntgenkollektion (1910)

Selbst gebaute einfache elektrostatische Motoren

Vier Kugeln wurden an die Enden eines Plastikkreuzes geklebt. Die Teile wurden in einem größeren Haushaltswarengeschäft gekauft. Das Plastikkreuz wurde in der Mitte zur Hälfte durchbohrt (2 mm Durch­messer) und drehbar auf einer Spitze gelagert (Abb. 10.1). Links und rechts sind in geringem Abstand zu den vier drehbaren Kugeln zwei weitere etwas größere Kugeln auf Flaschen aufgelegt. Die Flaschen werden mit Spiritus außen gereinigt und trockengerie­ben. Verbindet man die beiden größeren Kugeln mit den Polen der täti­gen Influenzmaschine, werden die Metallkugeln des Sterns angezo­gen und, wenn sie gleichnamig elektrisch sind, wieder abgestoßen. Der Stern pendelt zuerst ein paar Mal hin und her; diese Bewegung wird bald größer und geht dann in äußerst schnelle Rotation über. Der Motor konnte sogar durch fortwährendes Aufladen mit dem Elek-trophor (Abschnitt 2) in Rotation gehalten werden. Anstelle der Messingkugeln könnte man auch mit Grafitspray leitend gemachte Tischtennisbälle verwenden.

 

Abb. 10.2a: Elektrostatischer Scheibenmotor

Abb. 10.2b: Günstige Elektrodenanordnung für elektrostatische Motoren

Abb. 10.3: Elektrostatischer Motor aus einem Schleifstein

Die nachfolgende Erfindung ist eine amüsante Spielerei für den inte­ressierten Bastler.
Das Gerät besteht aus einem kleinen Stück Kupferdraht A (3 mm Durchmesser), ausbalanciert auf einem spitzen Drehpunkt B. Zwei Drähte C und D sind so befestigt, dass ihre Enden den Drahtenden vom beweglichen Draht A sehr nahe stehen. Ein Antennenanschluss wird mit dem Drahtende von C verbunden, der andere Draht D wird geerdet. Wenn alles sauber aufgebaut ist und genügend statische Ladung auf der gut isolierten Antenne entsteht, wird der bewegliche Draht A in Rotation geraten. Für beste Ergebnisse sollte Draht A etwa 4 cm lang sein und der Abstand A von den Drähten C und D kleiner als 1 mm.
10.1.2 Kugeltanz
Das Experiment ist in Abb. 10.5 gezeigt.
Eine Styroporkugel von 30 cm Durchmesser, mit Aluminiumfolie beklebt, wir auf eine Leidener Flasche isoliert aufgesetzt. Der Innenan-schluss ist herausgenommen. Auf der Kugel sitzt ein Acrylglasrohr mit 50 mm Durchmesser, 80 mm lang. In das Rohr werden 20-30 Hirsekör­ner geschüttet. Ein Hirsekörnchen hat etwa 1,5-2,0 mm Durchmesser. Auf das Acrylglasrohr wird eine Kugel von z. B. 60 mm Durchmesser aufgelegt. Man lädt die große Kugel durch mehrmaliges Berühren mit dem Elektrophor auf und erdet die kleine Kugel durch Berühren mit
einem Metallstab. Die Hirsekörner tanzen jetzt in heftiger Bewegung auf und ab und transportieren die Ladung hin und her.
Bei weiterer Aufladung mit dem Elektrophor kann es passieren, dass ein sichtbarer, hörbarer und spürbarer 8-cm-Funkenüberschlag an der Innen­wand des Acrylglasröhrchens stattfindet.
Der Kugeltanz funktioniert natürlich auch sehr gut, wenn die große Kugel an die Influenzmaschine angeschlossen wird. Es genügen ein paar Umdrehungen. Die kleine Kugel sollte dann besser mit dem geerdeten Entladestab berührt werden.
Man könnte das Acrylglasröhrchen mit den Hirsekörnern auch direkt auf die negative Elektrodenkugel der Influenzmaschine aufsetzen.
10.1.3 Das elektrostatische Pendel
Eine Aluminiumhohlkugel wird, wie in Abb. 10.6 gezeigt, an einem dün­nen Perlonfaden zwischen die Entladekugeln der Influenzmaschine gehängt. Die Maschine wird langsam gedreht, bis die Kugel hin- und her­pendelt und abwechselnd die positive und dann die negative Kugel
berührt. Ist die Kugel negativ aufgeladen, wird sie vom negativen Pol abgestoßen und vom positiven angezogen. Nach Berühren des positiven Pols wird sie umgeladen, also positiv, und damit wieder abgestoßen und vom negativen Pol wieder angezogen usw. Der beste Abstand der Entla­dekugeln kann durch Experimentieren herausgefunden werden. Nach Abschalten der Maschine pendelt die Kugel so lange weiter, bis durch das Hin- und Hertransportieren der Ladung die Leidener Flaschen entladen sind. Man kann diesen Versuch auch mit einer verspiegelten Christbaum­kugel durchführen. Diese ist so leicht, dass sie der gekrümmten Bahn der elektrischen Feldlinien folgen will.

1-10.1 Abstoßungs-und Anziehungskräfte 87

Abb. 10.5: Kugeltanz mit Hirsekörnern
 

   

Abb. 10.6:Elektrostatisches Pendel

Abb. 10.8: Versuchsanordnung zum Aufladen einer Person

Ein Aluminium-Teelichtbecher (ohne Inhalt) wird auf die negative Elektrode der Influenzmaschine gelegt. Kurz nach Inbetriebnahme der Maschine fliegt er in hohem Bogen davon.
Das Experiment gelingt auch mit dem Elektrophor. Eine große, mit Alu­folie beklebte Styroporkugel (z. B. 30 cm Durchmesser) wird auf die Leidener Flasche (ohne Innenanschluss) aufgelegt. Auf die Kugel legt man das Teelicht. Wenn man den geladenen Elektrophor an die Kugel hält, bleibt das Teelicht zunächst gerade noch auf der Kugel liegen. Beim zwei­ten Aufladen ist die Spannung jetzt hoch genug und der Becher segelt in hohem Bogen davon.
10.1.6 Das Elektroskop
Das Elektroskop ist ein Gerät zur Registrierung elektrischer Ladungen. Es erfasst das Vorhandensein von Ladungen auf benachbarten Gegenstän­den mit entweder positiver oder negativer Polarität. Die Grundform des Elektroskops zeigt nicht absolute numerische Werte an. Man könnte jedoch eine einfache Skala anbringen, die in Winkelgraden geeicht ist. Ein geeichtes Elektroskop nennt man Elektrometer. Ein typisches, relativ empfindliches Gerät besteht aus einem Metallstab, an dem oben eine Kugel montiert ist. Am anderen Ende des Stabs befinden sich ein oder zwei Goldplättchen. Der Stab und die Goldplättchen müssen sehr gut iso­liert gegenüber Erde sein. Um äußere Einflüsse durch elektrische Felder oder Luftströmungen zu verhindern, empfiehlt es sich, ein metallisches, geerdetes Gehäuse um das Gerät zu bauen als eine Art Faraday-Käfig. R. A.
Ford beschreibt den Selbstbau eines derartigen Elektroskops. Ein Elektroskop bis 1,5 kV, wie es für Demonstrationsversuche im Physikunterricht verwendet wird, zeigt Abb. 10.9.
Ich habe eine einfache Version aufgebaut, mit der sich auch relativ nied­rige Spannungen (einige kV) nachweisen lassen (Abb. 10.10).
Ein Messingrohr von 8 mm Durchmesser und 200 mm Länge wird in der dargestellten Weise gebogen und in der Mitte so durchbohrt, dass ein Trinkhalm auf einer Nadel balancieren kann. Der Hahn wird mit Grafit
spray elektrisch leitend gemacht. Das Messingrohr wird unten an einen Plastikwinkel geschraubt und oben mit einer Kugel abgeschlossen. Die Empfindlichkeit des Geräts hängt entscheidend davon ab, wie gut die Achse in der Mitte sitzt. Der untere Teil des Halms soll etwas länger sein als der obere, damit der Halm in Ruhestellung senkrecht steht. Die Isola­tionseigenschaften des Geräts können noch erhöht werden, wenn man zwischen dem unteren Ende des Messingstabs und dem PVC-Winkel ein Acrylglas- oder Teflonstück mit den Abmessungen 30 x 10x4 mm anbringt.
Mit diesem Elektroskop lässt sich das Prinzip der Influenz sehr anschau­lich wie folgt nachweisen:
Im ungeladenen Zustand enthält das Elektroskop gleiche Mengen an posi­tiver und negativer Elektrizität, wie dargestellt in Abb. 10.11A. Wenn ein Körper mit z. B. positiver Ladung (geriebener PVC-Stab) in die Nähe der
Kugel gebracht wird, erfolgt die Trennung der Ladungen, sodass nega­tive Elektrizität in die Kugel strömt, die positive bleibt unten in Messing­stab und Trinkhalm. Da gleichnamig geladen, wird der Halm vom Stab jetzt abgestoßen (Abb. I0.I1B). Wenn der geladene PVC-Stab entfernt wird, fällt der Halm zurück in die Ruhestellung A, da sich die beiden Ladungen wieder vereinen und das System wieder elektrisch neutral wird.
Wenn man aber, wie dargestellt in C, die Kugel mit dem Finger berührt, während der PVC-Stab noch in der Nähe bleibt und die negative Ladung der Kugel bindet, kann die positive Ladung des Halms und des unteren Messingstabs entweichen und der Halm fällt in die Senkrechte bzw. Ruhestellung.
Man entfernt nun zuerst den Finger und dann den PVC-Stab. Die negative Elektrizität wird jetzt frei und verteilt sich gleichmäßig über die Metall­teile des Elektroskops. Es erfolgt wieder ein Ausschlag, d. h., der Halm wird abgestoßen (D). Nähert man der Kugel jetzt wieder den positiv gela­denen PVC-Stab, geht der Ausschlag zurück, da die negative Elektrizität sich in der Kugel konzentriert. Ein Elektroskop, das mit irgendeiner Ladung aufgeladen ist, kann also nicht nur aussagen, ob ein Körper gela­den ist oder nicht, sondern auch, mit welcher Ladung er geladen ist, ob positiv oder negativ.

 

Abb. 10.13: Kondensatorelektroskop

Verbindet man die Elektroskopplatte (Kollektorplatte) mit dem zu unter­suchenden Ladungsträger, während die aufgesetzte Kondensatorplatte gleichzeitig geerdet wird, so strömt so lange Elektrizität in das Elektro-skop, bis die Kondensatorplatte die gleiche Spannung besitzt wie der Ladungsträger. Hängt man dann den Ladungsträger ab und hebt man die Kondensatorplatte auf, so wird die gesamte auf der Elektroskopplatte durch Kondensatorwirkung angesammelte und gebundene Elektrizitäts­menge frei. Sie verteilt sich gleichmäßig über das Elektroskop, das nun einen messbaren Ausschlag zeigt (siehe auch Abschnitt 1.6). Dieses Kon­densatorelektroskop kann durch Eichung nach Volt zum Kondensator­elektrometer gemacht werden.

Abb. 10.14: Elektrische Rakete, schwebend im Raum


 

Abb. 10.15: Aluminiumfolien-Rakete

10.3 Funkenüberschläge, Korona-Effekte, Blitztafel 99

Abb. 10.17:47-cm-Entladung aus 730-pF-Leidener-Flaschen

Abb. 10.18: Verzweigter Blitz (im Hintergrund Spiegelung auf der Scheibe)

70.3 Funkenüberschläge, Korona-Effekte, Blitztafel 101

Abb. 10.20: Korona-Entladungen an der Leidener Flasche

Abb. 10.21: Blitztafel

10.4 Elektrischer Wind, Kerzenflammen-Experiment, Flügelrad 103

Abb. 10.22: Entladung in den negativen Konduktorstab

"^fWM'^Seß^fiefW"mäTI<S'rzenilammen-Experiment, Flügelrad 105

Abb. 10.24: Kerzenflamme im Hochspannungsfeld

Abb. 10.25: Flügelrad

.70.5 Darstellung des elektrischen Felds 107

Abb. 10.26: Elektrisches Feldlinienbild eines Plattenkondensators

Abb. 10.27: Elektrisches Feld zwischen Platte und Kugel

Abb. 10.30: Verlauf der elektrischen Feldlinien in einem geladenen Elektroskop

Abb. 10.31: Feldlinienbild eines geladenen Hohl-konduktors; der Innenraum ist feldfrei

Man sieht sehr schön, wie die Feldlinien zwischen dem Gehäuse und dem Elektrometersystem (Blättchen) verlaufen, dass also die Kraftwirkung beim Spreizen der Blättchen nicht auf einer Abstoßung zwischen den Blättchen, sondern auf einer Anziehung zwischen Blättchen und Gehäuse beruht. Zwischen den Blättchen ist kein Feld vorhanden, da ja auf beiden Blättchen nur Ladungen eines Vorzeichens sitzen, zwischen denen (vgl. Abb. 10.28b) keine Feldlinien verlaufen können. Aus dem gleichen Grund bleibt auch der Innenraum eines geladenen Hohlkörpers immer feldfrei. Abb. 10.31 zeigt das Feldlinienbild eines geladenen Hohlkonduktors (Konservenbüchse). Die Faserteilchen bleiben im Innenraum völlig ungeordnet und zeigen dadurch das Fehlen eines elek­trischen Felds an. Die gesamte Ladung sitzt auf der Außenfläche des Konduktors.

Abb. 10.32: Darstellen des elektrischen Feldverlaufs mit aufgeladenen Seifenblasen

Ein Acrylglasrohr wird, wie in Abb. 10.33 dargestellt, am unteren Ende mit Aluminiumfolie innen beklebt.
In diesen unteren Teil des Rohrs wird isoliert von der Aluminiumfolie eine Drahtbürste (z. B. Stahlwolle) montiert. Unter dieser befindet sich
eine verglimmende Räucherkerze, deren Rauch man in dem Acrylglasrohr aufsteigen sieht. Schließt man nun die Drahtbürste an den Pluspol und die Aluminiumfolie an die Masse der Influenzmaschine an, so wer­den die Rauchteilchen, soweit sie nicht schon von vorneherein geladen sind, beim Vorbeistreichen an den geladenen Metallbürstedrähten durch Influenz positiv aufgeladen und am negativ geladenen Zylinder entladen. Im Acrylglaszylinder steigt kein Rauch mehr auf.
Dieses Verfahren wird im großen Maßstab zum Abscheiden von Flug­staub in der Zementindustrie und zum Entstauben von Rauchgasen verwendet (Verfahren von Cottrell 1906). In größeren Werken werden täglich mehrere Tonnen Staub abgeschieden, der teilweise als wertvoller Rohstoff wieder verwendet werden kann (Abb. 10.34).

Einen ähnlichen Effekt beobachtet man überdies bei Fernsehbildröhren. Durch die Hochspannung werden Staubteilchen angezogen und die Bild­röhrenoberfläche verschmutzt in kürzester Zeit. Die Hochspannung an der Außenseite der Fernsehbildröhre lässt sich übrigens leicht mit dem Elektroskop (Abb. 10.10) nachweisen.
 

11 Weitere elektrostatische (Influenz-)Generatoren

Das Prinzip der Energieerzeugung durch Influenz und Ladungstrennung gilt auch für die im Folgenden beschriebenen Hochspannungsgeneratoren.

Abb. 11.2: Wassertropfen werden durch Influenz negativ aufgeladen

Abb. 11.3: Kelvin-Generator

Abb. 11.4: Kelvin-Generator mit Dioden BY 711

Weitere elektrostatische (Influenz-)Generatoren

Der Versuchsaufbau ist in Abb. 11.5 dargestellt.
Abb. 11.5: „Schüttel-Generator"
An den Enden einer Acrylglasröhre werden zwei Metallkugeln befestigt. In der Mitte des Rohrs wird eine Metallbarriere angebracht. Zwei Metall­kugeln können sich zwischen der jeweiligen Abschlusskugel und der Metallbarriere bewegen. Zwei Metallinfluenzringe werden mit der jeweils gegenüberliegenden Kugel leitend verbunden. Das Ganze wird an einen isolierten Griff (PVC oder Acrylglas) gehalten. Wenn sich durch Schütteln die Kugeln hin- und herbewegen, baut sich an den äußeren Kugeln eine hohe Spannung auf. Die äußeren Elektroden könnten z. B. mit Aluminiumfolie beklebte Holz
oder Styroporkugeln sein. Im Rohr könnten mit Aluminium beklebte Squash-Bälle laufen.

12 Historisches

Abb. 12.1: Die Erfindung der Leidener Flasche

11 3 Der „SchMel-GenemtoF 125

Abb. 12.6: Vielplattige Influenzma­schine
 

Abb. 12.9: Influenzmaschine von Fa. Phywe (2002)

Abb. 12.10: Bandgenerator von Fa. Phywe (2002)