Prinzip des N-Effektes
Der N-Effekt wurde bereits im Dezember 1831 von Michael Faraday in London
entdeckt. Er entwickelte zwei verschiedene Arten von Generatoren. Ein Prinzip
(der Gleichstromgenerator) fand Einzug in die Technik und bestimmt den
Elektromaschinenbau bis heute. Siehe zum Funktionsprinzip auch Ablenkung
im Magnetfeld.
Das andere Prinzip (der N-Effekt) geriet schnell in Vergessenheit, da er
nicht so effektiv war. Der Faraday-Generator besteht aus einer leitenden
Scheibe, die zwischen zwei stehenden Magneten rotiert. Er wird heute nur
in Sondermaschinen für hohe Ströme verwendet und ist als Homopolarmotor/Generator
bekannt.
In der N-Maschine macht man sich die Tatsache zunutze, dass es gleichgültig
ist, ob ein Magnetfeld steht oder um seine N-S Achse rotiert. So werden
also die Magnete mit auf die rotierende Welle montiert. Wenn sich das Paket
Magnet/Scheibe/Magnet dreht, wird nach wie vor eine Spannung induziert, die
vom Scheibeninneren zum Scheibenrand abgenommen werden. Diese Spannung ist
relativ gering, kann aber durch den niedrigen Innenwiderstand der Scheibe
einen sehr hohen Strom treiben. Es wird vermutet, dass dieser Strom kein
Gegendrehmoment erzeugt, weil diese Kraft nur zwischen Scheibe und Magnet
wirkt, und somit den Antriebsmotor nicht belasten kann. Die N-Maschine soll
Freie Energie aus dem Raum aufnehmen, indem sie diese in der rotierenden
Scheiben sammelt, und durch den Magneten trennt, so dass Strom fließen
kann.
Für weitere Theorie zur N-Maschine siehe auch The
Borderlands Of Science - Free Energy: N-Machines and Homopolar Generators.
Die Seiten sind trotz des englischen Titels in Deutsch !
Aufbau
Die Grundkonstruktion besteht aus zwei 40mm AL-Winkel, die mit zwei Brücken verbunden sind. Die Pendelkugellager sind auf jeweils zwei Stahlzylinder aufgebaut. Der Asynchronmotor ist direkt auf die AL-Winkel geschraubt.
Aufbau des Cu-Rotors:
Der Gesamte Rotoraufbau befindet sich auf einer Stahlwelle mit 12mm
Durchmesser. Auf dieser wird ein Cu-Rohr mit 27mm Außendurchmesser
durch Distanzringe aus Stahl befestigt. Diese Ringe sollen gleichzeitig
den magnetischen Rückschluss über die Welle bilden. Auf dem Cu-Rohr
ist eine 1cm Dicke Cu-Scheibe (aus einer Stromschiene) mit 95mm Durchmesser
aufgelötet. Diese wurde dann bis auf 3mm ausgedreht, um eine höhere
Feldstärke und gleichzeitig eine große Kontaktfläche mit
der Bürste zu erreichen. Die Magnete werden durch zwei Kunststoffhülsen
auf dem Rohr zentriert. Es sind auf jeder Seite zwei Ferritmagnete mit
einem Außendurchmesser von 86mm, einem Innendurchmesser von 32mm
und einer Dicke von 11mm angebracht. Neben den Magneten befinden sich noch
zwei Eisenscheiben, die über die oben erwähnten Distanzringe
den magnetischen Kreis außerhalb der Cu-Scheibe schließen sollen.
Das hat aber nicht so richtig funktioniert wie aus den Messungen ersichtlich
ist.
Aufbau des Fe-Rotors:
Die Stahlwelle hat einen Durchmesser von 20mm. Auf diese ist eine Stahl-Scheibe
mit 90mm Außendurchmesser und von 15mm Dicke aufgeschrumpft. Die
Magnete (die gleichen wie beim Cu-Rotor) sind wieder durch Kunststoffhülsen
auf der Welle zentriert. Rückschlussringe wurden bis jetzt noch nicht
angefertigt.
Messungen an diesem Modell
Eine Messung der Rückwirkung des Laststromes auf den Motor ist bei diesem Modell leider unmöglich. Allein durch die Erwärmung der Lager ändert sich die Leistungsaufnahme um einige Watt. Die abgegebene Leistung liegt aber im Milliwattbereich. Somit kann nur der N-Effekt selbst untersucht werden. Aber es ist auch nicht uninteressant auf diese unkonventionelle Art Strom zu erzeugen.
Messungen am Cu-Rotor:
Die Cu-Scheibe war bei der ersten Messung 9,6 mm dick. Dabei konnte
bei 2900 U/min eine Leerlaufspannung von 18,5 mV gemessen werden. An einem
1 Milliohm Shuntwiderstand treibt diese Spannung einen Strom von maximal
4 A.
Nach dem Ausdrehen der Scheibe auf eine Stärke von 5 mm wurde
eine Spannung von 23,1 mV bei einem Strom von ca. 5 A gemessen.
Nach weiterer Verminderung des Abstandes zwischen den Magneten auf
3mm Cu-Dicke wurde eine Spannung von 25mV und ein Strom von 5,5A gemessen.
Um den Einfluss der Rückschlussringe zu testen, wurden beide Fe-Scheiben
von der Welle entfernt und eine weitere Messung durchgeführt. Dabei
ergaben sich fast dieselben Werte wie mit den Scheiben. Es wurde sogar
eine etwas höhere Spannung von 27mV gemessen. Der Strom blieb annähern
gleich. Es ist anzunehmen, dass sich nur sehr wenige Feldlinien über
die dünne Welle durch das innere der Magneten schließen. Werden
die Rückschlussringe neben den Magneten montiert, so verteilen sie
das Feld besser im Raum, wodurch eine geringere Feldstärke in der
Cu-Scheibe entsteht.
Die Stromangaben sind immer circa Werte, da der maximale Strom vom
Kontaktanpressdruck abhängig ist. Da dieses Modell noch keine Bürstenhalter
besitzt, müssen die Bürsten von Hand gehalten werden. Es wurde
immer versucht den maximalen Wert zu finden, ohne den Motor unnötig
zu belasten.
Messungen am Fe-Rotor:
Mit diesem Rotor wurde bei 2900 U/min eine Leerlaufspannung von 36mV
erreicht, was auf die höhere Feldstärke im Eisen zurückzuführen
ist. Als Kurzschlussstrom konnten allerdings nur 4,5A gemessen werden,
da das Eisen auch einen höheren Innenwiderstand aufweist.
Daraus lässt sich aber erkennen, dass der Eisenrotor auch schon
ohne Rückschlussringe eine höhere Spannung liefert als der relativ
komplizierte Cu-Rotor. Es ist anzunehmen, dass ein Ausdrehen der Eisenscheibe
keine wesentliche Erhöhung bringt, da das Eisen ohnehin das Magnetfeld
sehr gut leitet.
Mit dem Fe-Rotor wurde eine Messreihe bei verschiedenen Drehzahlen
aufgenommen, um die Abhängigkeit der Spannung von der Drehzahl darzustellen.
Das ergibt eine maximale Leistung von 0,162W, wobei das aber die innere Verlustleistung an den Übergangs- und Innenwiderständen einschließt. Eine Messung der Rückwirkung auf die Motorseite ist somit mit diesem Modell unmöglich. Allein durch Netzspannungsschwankungen ändert sich die Leistung um einige Watt. Auch die Hoffnung ein Lämpchen zum Leuchten oder sogar ein Stück Draht zum Glühen zu bringen, muss bei solch geringen Spannungen aufgegeben werden.
Um die immer wieder geäußerte Behauptung, die Spannung entstehe
nur in der Scheibe selbst, zu widerlegen wurde in diesem Versuch ein mitrotierendes
Digitalmultimeter verwendet. Es hat einen Endbereich von 1999mV und kann
die zu erwartenden 36mV problemlos darstellen. Die Messleitungen sind an
der Welle und an der Außenkante der Scheibe angeschlossen. Der Draht
wurde in einem möglichst großen Abstand zum Magneten geführt,
damit in ihm nicht eine entgegengesetzte Spannung induziert wird, welche
dann die in der Scheine erzeugte aufheben könnte. Mit Hilfe eines
Stroboskops wurde das Messgerät dann während der Rotation der
Scheibe abgelesen und es zeigte immer genau 0mV !
Diese Erkenntnis zeigt uns, dass der Stator auch bei der N-Maschine
eine entscheidende Rolle spielt. Das führt uns zu einer genaueren
Betrachtung der Induktion selbst.
Das Induktionsgesetz
einmal anders
Die weit verbreitet Meinung, dass in einem Leiter nur dann eine Spannung
induziert wird, wenn er magnetische Feldlinien schneidet, stimmt zwar in
vielen Fällen, trifft aber auf die N-Maschine nur bedingt zu. Auch
alle daraus abgeleiteten Merkregeln mit Daumen, Zeigefinger und Handfläche
oder Mittelfinger sind auf die N-Maschine nur bedingt anzuwenden.
Das Induktionsgesetz in seiner allgemeinsten Form besagt, dass auch
in einer Leiterschleife von gleichbleibender Fläche bei unveränderter
Feldstärke eine Spannung induziert werden kann, wenn der wirksame
Leiter im Magnetfeld durch Bewegung ständig erneuert wird. Das kann
man sich so vorstellen, dass eine Leiterschiene relativ zu zwei beidseitigen
Schleifkontakten im Feld verschoben wird. Das Stück Leiter, also der
kürzeste Weg zwischen den beiden Schleifkontakten, erzeugt dann die
Spannung, da es sich durch die Bewegung ständig erneuert.
Es geht offenbar darum, durch die Bewegung immer ein Stück Leiter
in den Stromkreis (nicht in das Feld !) zu bringen, das vorher noch
nicht in ihm war. Genau auf diesem Prinzip beruht der N-Effekt. Der Leiter
ist in diesem Fall die kürzeste Verbindung zwischen Welle und äußerer
Bürste. Durch die Drehung der Schiebe wird dieser Leiter ständig
erneuert, während das Feld von den Magneten konstant bleibt.
Das Ganze klingt vielleicht ein bisschen unlogisch und widerspricht
unserem Verständnis von der Induktion. Das Induktionsgesetz ist eben
immer für Überraschungen gut. Auch der Hooper-Monstein-Effekt
zeigt uns eindrucksvoll, dass wir immer noch nicht alles restlos verstanden
haben, was mit dem Magnetismus zu tun hat
Und wie es nicht geht:
Aus dem oben gesagten, könnte man folgern, dass es auch möglich
sein sollte, eine Spannung zu erzeugen, wenn sich eine Leiterschleife gleichbleibender
Fläche im homogenen Feld entlang zweier starrer Leiter bewegt. In
diesem Fall entsteht aber tatsächlich keine Spannung.
Das kann mit diesem einfachen Versuchsaufbau gezeigt werden. Auf den Drähten
der Paralleldrahtleitung wird
ein kleiner Wagen mit 4 Schleifkontakten verschoben. Zwei davon sind miteinander
verbunden, an den anderen ist das Messgerät angeschlossen und unter
dem Ganzen befindet sich ein großer Ferritmagnet. Das kleine Digitalmultimeter
wurde für die Messung von so kleinen Spannung (1mV) etwas adaptiert.
Die Verstärkung des Eingangs-OPVs wurde durch ändern der Widerstände
vergrößert. So wurden anstelle von 200mV Messbereichsendwert
etwa 10mV erreicht.
Es zeigt sich in diesem Fall, dass unter keiner noch so schnellen Bewegung
eine Spannung induziert wird !
Zieht man den gleichen Wagen allerdings über eine Stromschiene,
was dem 1. Fall entspricht, so enthält man eine Spannung von einigen
mV.
Berechnung der Spannung
Mit diesem Wissen lässt sich auch die erzeugte Spannung einer
N-Maschine mit dem herkömmlichen Induktionsgesetz der Bewegung (U=B*l*v)
berechnen. Dazu muss allerdings die Feldstärke der Magneten bekannt
sein. Diese kann mit Hilfe eines Speicheroszilloskops mit Integralfunktion
bestimmt werden, indem man eine Spule dem Magneten nähert. Dabei wird
unabhängig von der Geschwindigkeit immer ein gleicher Messwert in
Vs angezeigt, aus dem auf B zurückgerechnet werden kann.
Die bekannte Formel U=B*l*v wird für die Berechnung im rotierenden
System einfach angepasst. Es wird die magnetisch wirksame Leiterlänge,
also die vom Magneten bedeckte Länge am Radius der Scheibe anstelle
von l eingesetzt. Die Umfangsgeschwindigkeit des Leiters wird ebenfalls
gemittelt und anstelle von v eingesetzt.