Im August 2001 veranstaltete die ARGE
Bindu, die Arbeitsgemeinschaft zur Erforschung Freier Energie, ein
Sommerfestival am Hof "Terra Verde" in Lunz am See.
Anlässlich dieses Sommerfestivals, wurde von mir ein Vortrag
mit Demonstrationen zum Thema Elektrostatik gehalten. Die hier vorliegende
Mitschrift gibt den Inhalt dieses Vortrages wieder. Es sind zum Großteil
Experimente die auf dieser Homepage dargestellt sind, mit dem nötigen
Hintergrundwissen für ein leichteres Verständnis erweitert worden.
Der gleiche Vortrag wurde auch im Rahmen des Kongresses
über Freie Energie vom 26. bis 28. Oktober 2001 in der Residenz
Stockerau und auf dem NET-Kongress in Breisach gehalten.
Inhalt:
1. Einleitung
1.1. Begriffsdefinitionen
2. Historisches
3. Erste Versuche
4. Elektroskop
5. Feldmühle
6. Influenz
6.1. Ausnutzung der Influenz
6.2. Verschiedene Polarität
6.3. Spannung und Kapazität
7.
Influenzmaschine
7.1. Aufbau
7.2. Herausfinden der
Polarität
7.4. Wahl der richtigen Elektroden
8. Faraday-Effekt
9. Kelvingenerator
9.1. Prinzip
9.2. Weitere Beobachtungen
10. Elektrostatischer
Motor
10.1. Umkehrung der Influenzmaschine
10.2. Elektrostatischer
Scheibenläufer
10.2.1.Funktionsweise
10.3. Elektrostatischer Walzenläufer
10.3.1.Funktionsweise
11. Testatika
11.1. Kapazitiver Transformator
11.2. Wellenbildung
11.3 Elektrostatischer Asynchronmotor
11.4. Die Frage nach der Energie
In diesem Vortrag möchte ich Ihnen das etwas in Vergessenheit geratene Gebiet der Elektrostatik näher bringen. Die Elektrostatik begegnet uns in der Natur viel häufiger, als die Elektromagnetik. Denken sie nur an Alltagserscheinungen wie Gewitter, oder einfach nur an den Kamm, der Ihre Haare zum Knistern bringt. Auch wenn Sie über einen Teppich laufen, oder einen Pullover ausziehen zeigen sich elektrostatische Wirkungen. All diese Erscheinungen werden in der Technik aber immer als eher nutzlose und lästige Begleiterscheinungen der Elektrizität angesehen. Dass daraus aber eine ganz eigene Sparte der Elektrotechnik entwickelt werden kann, wird vielfach vergessen.
Vor Beginn sind noch einige Begriffsdefinitionen zu klären.
Es wird in der Elektrotechnik allgemein zwischen Hochspannung und Niederspannung
unterschieden. Die Grenze liegt hier bei 1000V und ist eher willkürlich
gewählt. Alles über 1000V wird in der Elektrotechnik als Hochspannung
bezeichnet.
Aus medizinischen Gründen kommt die Definition der Kleinspannung,
das sind alle Spannungen unter 42 Volt, die dem Menschen nicht schaden
können. Alles darüber ist als potentiell gefährlich einzustufen.
Der Begriff Elektrostatik wird im Allgemeinen immer auf höhere
Spannungen bei sehr geringen Strömen angewandt. Tatsächlich
ist es ja auch so, das ein Kamm eine Spannung von vielen tausend Volt aufbauen
kann und trotzdem nicht gefährlich ist. Da die fließenden Ströme
eben so klein sind, spricht von statischer Elektrizität.
Obwohl natürlich auch eine Ladung von 1V ein elektrostatisches
Feld besitzt, ist bei der Elektrostatik eigentlich immer Hochspannung im
Spiel.
Die ersten Versuche auf dem Gebiet der Elektrotechnik waren elektrostatischer Natur. Die Erforschung der Elektrostatik geht sehr weit zurück und war die erste Bekanntschaft des Menschen mit der Elektrizität neben dem Gewitter natürlich.
Denken wir nur an den bekannten Bernseinstab (Bernstein ist der beste, natürlich
vorkommende Isolator) des Naturphilosophen Thales von Milet (besser bekannt
in der Mathematik durch den Satz von Thales), der etwa 600 v. Chr. In Griechenland
lebte. Von ihm stammt die Bezeichnung Elektrostatik - ruhende Elektrizität.
Der Bernstein wurde mit einem Tuch gerieben wurde. Es kommt hierbei zu
einer Ladungstrennung durch Abstreifen von Ladungen und es können
anschließend elektrostatische Kräfte nachgewiesen werden, indem
kleine Holunderkügelchen aufgehoben werden.
Ausgehend von diesem Prinzip baute Otto von Guericke 1663 diese einfache
Maschine. Otto von Guericke ist viel bekannter als der Erfinder der Vakuumpumpe,
mit der er unter anderem nachwies, das der Magnetismus auch im Vakuum wirkt.
Die Schwefelkugel ist auf einem Stil montiert und wurde mit der Hand gedreht.
Dabei rieb sie auf einem Tuch am Boden des Apparates. Anschließend
konnte die geladene Kugel aus der Vorrichtung entnommen und zu Experimenten
verwendet werden.
Die logische technische Weiterentwicklung nach dem Motto „größer,
schneller, besser“ dieses einfachen Prinzips wurde in diesem Modell 1740
angewandt. Eine Glaskugel wurde über ein großes Kurbelrad in
schnelle Drehung versetzt. Mit der abgenommenen Ladung konnten bereits
viele Experimente durchgeführt werden.
Es wurde dann eine Vielzahl von teilweise sehr kuriosen Maschinen gebaut.
Die einfachen Modelle nutzten die Ladungstrennung durch Reibung und ausgereiftere
Maschinen verwendeten das Prinzip der Influenz, auf das ich gleich näher
eingehen werden, so wie diese Bohnenberger Maschine aus dem Jahre 1798.
Es waren dies die ersten rotierenden Influenzmaschinen.
Nach dem Aufkommen der Dampfmaschinen wurde immer wieder beobachtet, dass
beim Öffnen von Dampfventilen mitunter große Funken auf benachbarte
Metallteile übersprangen. Das führte dann zur Entwicklung von
elektrostatischen Generatoren die mit Dampf angetrieben wurden, so wie
dieser hydroelektrische Generator nach Armstrong. (1840). Das Prinzip ist
ähnlich wie das des Kelvingenerators, es werden kleine Wassertröpfchen
zum Ladungstransport verwendet.
Doch mit dem Einzug der elektromagnetischen Maschinen und deren Vorteile
wie große Leistungsdichte und einfacher sowie wartungsfreier Aufbau
und nicht auch zuletzt die Unabhängigkeit von der Luftfeuchte wurden
die elektrostatischen Maschinen fast vollständig verdrängt.
Die Entwicklung elektrostatischer Maschinen ist praktisch bei der Influenzmaschine
stehen geblieben.
Kaum noch ein Techniker beschäftigt sich heute mit dem Thema Elektrostatik.
Es scheint einfach nicht mehr seriös zu sein, oder dem Zeitgeist entsprechend,
dass man solche Maschinen noch einsetzt.
Heute wird zum Großteil nur noch der Bandgenerator in der Kernphysik
eingesetzt, um die extrem hohen Spannungen zu erzeugen, die notwendig sind
um Teilchen zu beschleunigen.
Die gute alte Influenzmaschine ist in die Requisitenkammern von Schulen
verbannt und wird allgemein als „Spielzeug“ zur Demonstration hoher Spannungen
bezeichnet. Dass sie aber in den Anfängen der Elektrotechnik auch praktische
Anwendungen wie z.B. den Betrieb von Röntgenröhren hatte, ist
heute schon fast vergessen.
Einfache Versuche kann jeder zu Hause selbst durchführen. Die Zeiten
des Bernsteinstabes sind zwar vorbei, doch heutige Kunststoffe tun es genauso.
Nehmen wir einen Kunststoff, wie z.B. ein Lineal oder ein anderes Stück
PVC und reiben es mit einem Tuch, so wird es elektrostatisch aufgeladen.
Der so allfällig als Reiben bezeichnete Vorgang sollte aber eher
wie ein Abstreifen ausgeführt werden. Ganz ähnlich wie wenn man
mit einem Magnet einen Schraubenzieher magnetisiert. Das Reiben selbst
kann dem Abstreifen vorhergehen und dient zur Trocknung der Oberfläche
durch die entstehende Reibungswärme.
Mit dem geladenen Lineal können jetzt kleine Stücke aus Papier
oder Alufolie aufgehoben oder über die Ferne bewegt werden.
Auch der Anfangs bereits erwähnte Kamm im Badezimmer kann schnell
zu einem Versuche benutzt werden. Wenn Sie nächstes mal beim Kämmen
feststellen, dass es knistert, so drehen sie die Wasserleitung auf, dass
gerade mal ein ganz dünner Strahl fließt. Dann nähern Sie
den Kamm an den Wasserstrahl und Sie werden bemerken, dass der Wasserstahl
abgelenkt wird. Das kann sogar soweit gehen, dass Wassertropfen auf den
Kamm überspringen.
=
Ein Elektroskop oder auch Elektrometer genannt,
ist ein Messgerät für elektrostatische Spannungen. Im einfachsten
Fall besteht es aus zwei dünnen Metallblättchen, die an der Elektrode
des Gerätes befestigt sind. Hier wurden zwei Steifen Alufolie an einem
Kupferblech befestigt. Damit es nicht durch Luftbewegung zu Fehlausschlägen
kommt befindet sich das Ganze in einem Glasgefäß, das gleichzeitig
als Isolator gegen Erde dient. Am Ende der Elektrode ist ein runder Gegenstand
angebracht, damit es nicht zu Sprühentladungen kommt wodurch es sich
selbst entladen würde.
Wenn an das Elektroskop eine Spannung angelegt wird, kommt es zu einer
Abstoßung zwischen den gleichnamig geladenen Blättchen, sie
spreizen sich also auseinander. Dieses Modell kann Spannungen ab etwa 500V
nachweisen.
Mit so einem Elektroskop kann sehr schön die Ladungstrennung durch
Reibung nachgewiesen werden. Es ist verblüffend zu sehen, wie diese
doch sehr hohe Spannung mit ganz einfachen Mitteln erzeugt werden kann.
Bereits ein trockenes Blatt Papier, das vom Stapel gezogen wird, kann sehr
hohe Spannungen aufbauen.
Mit entsprechend hochwertigen Isolatoren, wie z.B. Kunststoffen geht
es noch viel besser.
5. Feldmühle
Das Elektroskop hat einen entscheidenden Nachteil, es schlägt bei positiver und negativer Ladung gleich stark aus. Das gibt ihm zwar die Möglichkeit, auch Wechselspannungen und sogar hochfrequente Spannungen anzuzeigen, jedoch kann es nicht die Polarität der Spannung bestimmen.
Dieses Problem kann man mit einem elektronischen Messgerät für
elektrostatische Felder umgehen. Ein bekanntes Messgerät ist das Rotationsvoltmeter,
oder kurz Feldmühle genannt.
Das Messen der elektrischen Feldstärke ist grundsätzlich sehr
einfach. Da diese als Volt pro Meter definiert ist, reicht es prinzipiell
aus, eine Spannungsmessung an zwei, in einem definierten Abstand befindlichen
Elektroden vorzunehmen, um die Feldstärke berechnen zu können.
Das Problem dabei ist, dass fast alle Voltmeter einen gewissen Strom für
die Anzeige benötigen.
Ein kontinuierlicher Strom kann von einem statischen Feld aber nicht zur
Verfügung gestellt werden und so kommt es mitunter zu sehr starken Verfälschungen
im Messergebnis durch Feldverzerrungen.
Die Feldmühle umgeht dieses Problem, indem sie das Prinzip der elektrostatischen Influenz
nutzt, um über ein rotierendes Flügelrad einen ausreichend großen
Strom zu erzeugen, mit dem ein Messgerät arbeiten kann. Wird nämlich
eine sich im Feld befindliche Elektrode von dem geerdeten Flügelrad
abgedeckt, so fließen die Ladungen von dieser Elektrode gegen Masse
ab. Wird sie wieder aufgedeckt, so influenziert das Feld erneut Ladungen,
die von Masse auf die Elektrode fließen müssen. Dieser Strom ist
proportional zur Feldstärke. Die Leistung, die das angeschlossene Messgerät
benötigt, wird hierbei über die mechanische Rotation des Flügelrades
erzeugt. Dem zu messenden Feld wird keine Energie entzogen und es bleibt
somit von der Messung unbeeinflusst.
Üblicherweise werden zwei Influenzelektroden bestehend aus jeweils 2
gegenüberliegenden, miteinander verbundenen Segmenten verwendet. Der
Strom von diesen Flächen wird über zwei Stromshunts geführt
und die abfallende Spannung durch zwei Messverstärker für die weitere
Verarbeitung aufbereitet.
Prinzipiell würde es auch mit einer Elektrode funktionieren, aber der
überall vorhandene 50Hz Netzbrumm koppelt stark in die hochohmigen Elektroden
ein und kann so das Messergebnis verfälschen. Der nach geschaltete Differenzverstärker
löst dieses Problem, indem er die Störungen, die annähern
gleichphasig in beide Elektroden einkoppeln zu Null subtrahiert. Die
Nutzspannungen sind gegenphasig und addieren sich.
Die so gewonnene Wechselspannung enthält jetzt in ihrer Amplitude die
Information über die Größe der Feldstärke, die Polarität
kann aus ihr nicht abgelesen werden. Dazu ist es notwendig, eine von der
Rotorstellung abhängige Gleichrichtung des Signals vorzunehmen. Hier
zeigt sich wieder einmal der starke Bezug der Elektrostatik zur Geometrie.
Es kommt darauf an, ob der Strom beim Abdecken einer Elektrode zu oder von
ihr fließt. Das erledigt ein über das Flügelrades gesteuerte
Gleichrichter. Das gleichgerichtete Signal wird noch geglättet und man
erhält so am Ausgang eine der Feldstärke proportionale Gleichspannung.
Nähert man einen geladenen Kunststoff wie z.B. ein Lineal
der Elektrode des Elektroskops, so spreizen sich die Blättchen auseinander.
Entfernt man das Lineal wieder, so fallen sie wieder zusammen. Es ist festzustellen,
dass es bereits ab einem gewissen Abstand vom geladenen Körper und
der Elektrode des Elektroskops zu einem Ausschlag kommt, ohne das Funken
übergesprungen wären. Die elektrostatischen Kräfte müssen
also über die Ferne wirken und in der Elektrode des Elektroskops Ladungen
hervorrufen. Diesen Vorgang nennt man Influenz.
Das liegt darin begründet, dass die elektrischen Feldlinien immer
aus einer leitenden Fläche im rechten Winkel austreten und auf einer
anderen enden müssen. Man sagt, das elektrische Feld ist ein Quellenfeld.
Bringt man eine punktförmige Ladung (schwarze Ladung) an eine ungeladene
aber isolierte Metallplatte (schwarze Fläche) heran, so krümmen
sich die Feldlinien der Ladung, da sie auf jeder leitenden Fläche
im rechten Winkel enden müssen. Die Feldverteilung der Punktladung
sieht dann genau so aus, wie wenn ihr im Inneren des leitenden Körpers
eine gleich große, aber entgegengesetzte Punktladung (weiße
Ladung) gegenüber stehen würde. Da aber im Inneren eines leitenden
Materials nie ein elektrisches Feld auftreten kann (die weiße Punktladung
ist also nur hypothetisch), müssen auf der Oberfläche der Metallplatte
Ladungen entstehen, die das Feld so krümmen, dass es aussieht, als
würde der Ladung eine zweite gegenüberstehen. Die Ladungen
entstehen natürlich nicht von selbst, sondern erst durch die bei
der Annäherung an die Platte aufgewendete Energie. Es ist klar, dass
die influenzierten Ladungen immer die umgekehrte Polarität der hervorrufenden
Ladung haben müssen.
Wird eine geerdete Metallplatte zwischen Elektroskop und dem geladenen
Körper gehalten, so ist dieser Effekt nicht zu beobachten. Die elektrischen
Feldlinien enden auf der geerdeten Metallfläche.
Im Hinblick auf die Ausnutzung dieses Effektes zur Spannungserzeugung
ist es nicht sehr hilfreich, das sich die influenzierte Spannung wieder
abbaut, sobald man den Erreger zurückzieht. Das Elektroskop ist nachher
genau so ungeladen, wie vor Beginn des Experimentes.
Um das zu übergehen wird ein Trick angewendet. Der Erreger wird
dem Elektroskop genähert, es zeigt sich ein Ausschlag. Jetzt wird
das Elektroskop z.B. mit dem Finger berührt, um die influenzierten
Ladungen gegen Erde abzuleiten. Die Blättchen fallen daraufhin zusammen.
Es ist darauf zu achten, dass beim Ableiten die Ladung des Erregers erhalten
bleibt. Bei Verwendung eines Isolators ist das kein Problem. Wird ein elektrisch
leitender Erreger verwendet, so muss ein Sicherheitsabstand eingehalten
werden, damit nicht auch die Ladung des Erregers abfließt.
Entfernt man jetzt den Erreger, der seine Ladung nicht verloren hat,
so spreizen sich die Blättchen wieder auseinander. Das Elektroskop
enthält jetzt auch ohne Erreger eine dauerhafte Ladung, die genutzt
werden kann.
Nähert man dem so aufgeladenen Elektroskop den Erreger erneut,
so stellt man fest, dass jetzt die Blättchen zusammenfallen, anstelle
sich weiter auseinander zu spreizen. Das deutet darauf hin, dass sich die
Polarität der influenzierten Ladungen umgekehrt hat. War der Erreger
vorher Positiv geladen, so ist das Elektroskop jetzt negativ geladen. Werden
beide zusammengebracht, so neutralisieren sich die Ladungen und es entsteht
kein Ausschlag am Elektroskop.
Wird das Elektroskop wie unter 5.1 beschrieben aufgeladen, so zeigt
sich, dass bei einer neuerlichen Annäherung des Erregers die Blättchen
wieder zusammenfallen und dann auch wieder ausschlagen, wenn der Erreger
entfernt wird. Daraus können wir erkennen, dass die influenzierten
Ladungen die umgekehrte Polarität wie der Erreger haben.
Nähert man es dem entgegengesetzten Pol, so fallen die Blättchen
zusammen und schlagen erst wieder aus, wenn man es vom Pol entfernt. Bei
einem gleichnamigen Pol wird ist der Ausschlag entsprechend stärker.
Das kann man mit Hilfe der Feldmühle noch besser nachweisen, weil diese die Polarität des Feldes auswertet. Über der Feldmühle
ist eine isolierte Metallplatte aufgestellt und gleichzeitig mit dem Elektroskop
verbunden. Ein negativ geladenes Kunststofflineal wird der Platte genähert,
wodurch sie sich ebenfalls negativ auflädt. Anschließend wird die Platte berührt und
dadurch entladen. Beim Zurückziehen des Lineals lädt sich die Platte positiv
auf. Diese Umpolung kann nur die Feldmühle sichtbar machen, das Elektroskop
macht da keinen Unterschied.
Mit einem geladenen Elektroskop kann man auch gut das Absinken der Spannung bei Erhöhen der Kapazität zeigen. Nähert man eine leitende geerdete Fläche, wie z.B. die Hände, an ein Objekt großer Oberfläche, so fallen die Blättchen zusammen und schlagen erst wieder aus, wenn man die Hände zurückzieht. Nachher ist die Ladung des Elektroskops unvermindert hoch. Die Ladung war nur in der erhöhten Kapazität zwischengespeichert. Man könnte auch sagen, die Ladungen sind aus dem Elektroskop in die Kondensatorflächen gezogen worden. Dem liegt die bekannte Formel Spannung = Ladung / Kapazität zugrunde.
7.1. Aufbau
Eine Elektrisiermaschine, auch Wimshurstmaschine, oder Influenzmaschine
doppelter Drehung genannt besteht aus zwei gegeneinander laufenden Scheiben
(H). Auf den beiden Scheiben befinden sich die leitenden Segmente (B),
die gegeneinander isoliert sind. Zwei Blättchen von beiden Scheiben
bilden zusammen je einen Kondensator. Das hat der Maschine auch noch den
Namen Kondensatormaschine eingebracht.
Auf jeder Scheibe befindet sich ein so genannter Neutralisator (M),
der über Bürsten zwei gegenüberliegende Segmente einer Scheibe
auf Masse ableitet.
An der linken und rechten Seite der Scheiben befinden sich die beiden
Abnehmer. Es werden sowohl von der vorderen, als auch der hinteren Scheibe
über Spitzen oder manchmal auch über Bürsten die erzeugten
Ladungen abgenommen. Meist werden die Ladungen noch in Kondensatoren, so genannten
Leydner Flaschen zwischengespeichert, um kräftigere Funken zu erzeugen.
=
Die Influenzmaschine nutzt den unter 5.1
beschriebenen Effekt der Influenz aus, um sehr hohe elektrostatische Spannungen
zu erzeugen. Dazu werden zwei Scheiben mit leitenden, voneinander isolierten
Segmenten in gegenläufige Rotation versetzt. Die vordere Scheibe läuft
im Uhrzeigersinn, die hintere dagegen.
Zur Erklärung der Funktion nehmen wir an, auf dem obersten Segment
der vorderen Scheibe, befinde sich durch immer vorhandene Unregelmäßigkeiten
in der Ladungsverteilung eine leicht negative Ladung. Diese läuft
im Uhrzeigersinn auf der Scheibe mit, dabei wird in jedem vorbeilaufenden
Segment auf der hinteren Scheibe eine positive Ladung influenziert, die
dann auch wieder verschwindet wenn sich das Segment entfernt, wie unter
Punkt
6 beschrieben. Erst wenn das negativ geladene Segment in den Bereich
des hinteren Neutralisators rechts oben kommt, wird der Nullpunkt der Influenz
verschoben und sie beginnt dauerhaft zu wirken, wie unter Punkt 6.1 gezeigt. Die vom hinteren Neutralisator gegen den Uhrzeigersinn
weglaufenden Segmente werden daher eine dauerhafte, positive Ladung mit
sich tragen. Diese positiven Ladungen influenzieren im Bereich des vorderen
Neutralisators links oben in gleicher Weise dauerhafte negative Ladungen,
die auf der vorderen Scheibe im Uhrzeigersinn weglaufen. Diese beiden Vorgänge
verstärkten sich also gegenseitig.
Wesentlich für die gegenseitige Verstärkung ist dabei, dass
immer zumindest zwei Segmente Ladungen in dem gerade durch die Bürste
abgeleitenden Segment auf der gegenüberliegenden Scheibe influenzieren.
Nur so ist es überhaupt möglich, dass sich die Ladung kontinuierlich
erhöht. Würde immer nur ein Segment als Erreger des gegenüberliegenden
auftreten, so wäre die influenzierte Ladung immer genau gleich groß
wie die Anfangsladung und könnte sie nie verstärken. Eine Influenzmaschine
mit nur 2 Segmenten pro Scheibe kann daher nicht funktionieren.
Die so entstandenen Ladungen laufen jetzt auf die beiden Abnehmer am
linken und rechten Rand zu und geben einen Teil ihrer Ladung dort ab. Auf
der unteren Seite funktioniert die Spannungserzeugung in gleicher Weise.
An den Abnehmern können immer nur so viel Ladungen abgeben werden,
wie die Differenz zwischen der Ladung auf den Abnehmer und der zugeführter
Ladung zulässt. Es muss immer eine höhere Ladung zugeführt
werden, als sich auf den Abnehmern befindet und ein vom Abnehmer weglaufendes
Segment kann im besten Fall dessen Ladung haben, nie aber weniger.
Es bleibt so eine beträchtliche Ladung auf den Segmenten zurück,
die von den Abnehmern wieder in Richtung der Neutalisatoren laufen, wo
sie dann abgeleitet werden.
Die verbleibenden Ladungen führen zu einem zusätzlichen Effekt.
Sie legen z.B. den rechten Teil der hinteren Scheibe quasi auf das Potential
des negativen Abnehmers, das erst an dem Neutralisator rechts oben abgeleitet
wird. Für die negativen Ladungen auf der vorderen Scheibe ändert
sich an dieser Stelle sprunghaft das ihnen gegenüberliegende Potential.
Nachdem sie am Neutralisator links oben gebildet wurden, steht ihnen immer
ein entgegengesetztes Potential gegenüber, was einem geladenen Kondensator
gleichkommt. Doch nach dem passieren des Neutralisators rechts oben, stehen
sie plötzlich einem fast gleichen Potential gegenüber, das einer
Kapazitätsverkleinerung gleichkommt.
Die vorher in Kapazität gespeicherte Ladung wird in diesem Moment
in Spannung transformiert, wenn die gegennamige Ladung auf der anderen
Schiebe in eine gleichnamige übergeht. Das ist zu vergleichen mit
dem zurückziehen der Hände beim Elektroskop unter Punkt
6.3.
7.3. Herausfinden der Polarität
Der Plus- und Minuspol hat bei so hohen Spannungen ganz unterschiedliche Eigenschaften. Da keine der beiden Elektroden geerdet ist, hat man bei der Influenzmaschine beide Pole zur Verfügung. Nach dem Anlaufen einer Influenzmaschine ist es nicht definiert, welche Elektrode welche Polarität hat, sie sollte daher immer getestet werden.
Dazu stellt man die zu testende Elektrode weit unter die andere, sodass
der zu erwartende Funken die dünne Stange und nicht die Kugel der
anderen Elektrode treffen wird. Wenn nach dem Anlauf ein zischendes Geräusch
hörbar wird und es kaum Funken gibt, dann ist die unten stehende Elektrode
die negative. Wenn jedoch laufend Funken überspringen, dann ist es
die positive.
Die Erklärung für dieses unterschiedliche Verhalten liegt
darin, dass die Ladungsträger, sich auf der negativen Elektrode zusammendrängen,
während es auf der positiven kaum Ladungen gibt. Auf der negativen
Elektrode bildet sich daher viel früher eine Sprühentladung,
als auf der positiven.
Das führt zu ganz unterschiedlichen Leuchterscheinungen der beiden Pole, ähnlich wie bei einer Geisslerröhre. Am besten sind sie in einem völlig verdunkelten Raum zu sehen, wenn man die Kondensatoren abschaltet, denn dann kommt es zu keinem Überschlag mehr, der bei der ersten Berührung beider Ladungen alles ableiten würde.
Am Minuspol (links) ist ein sehr kleiner, aber heller Leuchtpunkt zu sehen,
der einen kurzen, aber hellen leuchtenden Faden ausbildet. Das typische
Bild einer Sprühentladung. Am Pluspol (rechts) hingegen bilden sich
eine Vielzahl von sehr schwach leuchtenden, aber extrem langen Fäden,
die bis zu 10cm lang werden können. Die Fäden gehen auch nicht
von einem einzigen Punkt aus, sondern von einem relativ großen Teil
der Oberfläche.
Stellt man eine Kerze zwischen die Elektroden, so ist eine Luftströmung
vom Pluspol zum Minuspol festzustellen. Das ist eine ganz ähnlicher
Erscheinung wie in der Geißlerröhre,
die den falschen Schluss zulässt, das der Strom von Plus nach Minus
fließt, woraus die so genannte technische Stromrichtung entstanden
ist. Das liegt aber einfach daran, dass die positiven Ladungsträger,
also ionisierte Luftmoleküle, eine viel größere Masse haben,
als die Elektronen selbst.
7.4. Wahl der richtigen Elektroden
Ausgehend von den oben festgestellten Unterschieden zwischen Plus- und
Minuspol muss auch die Beschaffenheit der Elektroden richtig gewählt
werden, um die maximale Schlagweite zu erreichen. Die negative Elektrode
sollte immer eine größere Oberfläche haben, als die positive,
weil an ihr viel früher eine Sprühentladung auftritt. Wird das
nicht eingehalten, so geht viel Ladung verloren und die Spannung kann sich
nicht so hoch aufbauen.
Man könnte jetzt sagen, machen wir doch beide Elektroden sehr
groß, aber dadurch vermindert sich die Schlagweite ebenfalls, da
keine Zündung von der positiven Elektrode aus eingeleitet wird.
Um zu zeigen wie schlecht Sprühentladungen sind, versuchen wir
mit einem spitzen Stück Draht an Stelle einer Kugelelektrode einen
Funken zu erzeugen. Das ist fast unmöglich Die Schlagweiten sinkt
dabei bis auf wenige mm ab. Sprühentladungen müssen auf jeden
Fall vermieden werden.
Um das lästige Wechseln der Kugeln zu vermeiden, wurden schon seit
früh her immer Doppelkugeln als Elektroden verwendet. Das sind zwei
Kugeln mit unterschiedlichen Durchmesser, die übereinander montiert
sind, wobei die kleinere oben ist.
Damit kann man sowohl eine große, als auch eine kleine Kugel
nur durch Ändern des Anstellwinkels simulieren. Die negative Elektrode
wird steil aufgestellt, wodurch sozusagen nur der untere Teil, also die
große Kugel, verwendet. Die positive Elektrode wird ihr von unten
so genähert, dass der Funke von der kleinen Kugel gezündet wird
und auf der negativen Elektrode die große Kugel trifft.
In diesem Bild ist schön zu erkennen, wie der Funke auf der großen
Kugel einschlägt. Wird diese Anstellung bei gleichbleibender Polarität
umgekehrt, so tritt die bereits bekannte Sprühentladung auf der negativen
Elektrode auf und die Schlagweite nimmt mitunter stark ab.
Der Faraday-Effekt ist ein sehr interessanter elektrostatischer Effekt, der einen Bezug der Ladungen zur Oberfläche und zur Geometrie der geladenen Körper aufweist.
Wir stellen einen Becher auf das Elektroskop
und laden ihn wie gehabt mit dem Lineal auf. Danach nehmen wir eine leitende
Kugel, in diesem Fall ist das eine Styroporkugel mit Graphitüberzug,
und berühren damit den Becher an der Außenseite. Dann fallen
die Blättchen ein wenig zusammen, weil Ladung auf die Kugel übergeht.
Führt man die so geladene Kugel jetzt von oben in den Becher ein und
berührt damit den Boden des Bechers, so steigt der Ausschlag wieder
auf den ursprünglichen Wert an. Selbst wenn man die Kugel anschließend
aus dem Becher hebt ändert sich nichts mehr am Ausschlag. Die Kugel
ist jetzt völlig ungeladen obwohl sie ja in leitender Verbindung mit
dem geladnen Becher stand, wie mit einem zweiten Elektroskop bewiesen werden
kann.
Der Grund für dieses merkwürdige Verhalten liegt darin, dass
das Innere eines leitenden Körpers immer frei von elektrischen Feldern
und somit auch frei von Ladungen ist. Die gesamte Ladung eines Körpers
sitzt nur an seiner Oberfläche ! Das soll nicht heißen, dass
man den Becher innen mit der Erde kurzschließen kann, ohne dass er
sich entlädt. Metalle sind immer noch leitend ! Er kann innen nur
keine Ladungen abgeben, da sich eben alle Ladungen an seiner Außenfläche
befinden. Das soll heißen, mit einer Kugel auf einem isolierten Stab
kann man aus dem Inneren keine Ladungen abziehen. Die Kugel ist ungeladen,
sobald man sie aus dem Becher zieht ! Nur durch eine Berührung an
der Außenfläche kann die Kugel geladen werden.
Der Faraday Effekt wird vom Kelvingenerator angewandt, um Ladungen
aufzuspeichern.
9.1. Prinzip
=
Der Kelvingenerator, oder auch Wassertropfengenerator
ist ein elektrostatischer Generator, der zum Ladungstransport Wassertropfen
verwendet. Aus einem Vorratsbehälter fließt über zwei Düsen
ein dünner Wasserstrahl nach unten. Dieser hat die Eigenschaft, sich
nach einiger Zeit durch die Oberflächenspannung zu Tropfen
abzuschnüren. Es ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion,
dass sich die Tropfen erst innerhalb der beiden Influenzringe bilden. Nur
so ist es möglich, dass Ladungen dauerhaft im Tropfen zurückbleiben.
Würden die Tropfen von oben nach unten durch den Ring fallen, dann
würde zwar beim Annähern eine Ladung influenziert werden, beim
Entfernen vom Ring aber würde sie wieder schwächer werden und
der Tropfen den Ring ungeladen verlassen. Das ist vergleichbar mit dem
im Kapitel 5.1 beschriebenen Influenzeffekt am Elektroskop. Dort musste
das Elektroskop ableitend berührt werden, während es hier notwendig
ist, den Nullpunkt in den Influenzring hineinzuschieben. Das macht der
leitende Wasserstrahl, der über den Vorratsbehälter genau auf
dem Mittelpotential zwischen beiden Ringen liegt. Der bis zur Mitte
des Rings reichende Wasserstrahl ist vergleichbar mit dem ableitenden Berühren
des Elektroskops, oder mit den Neutralisatorbürsten bei der Influenzmaschine.
Die Tropfen verlassen also den Ring mit der umgekehrt gepolten influenzierten
Ladung und fallen auf den Becher zu und geben dort ihre Ladung nach dem
Prinzip des Faradaybechers ab.
Der Behälter sammelt wegen des Influenzprinzips immer die umgekehrte
Polarität wie der Influenzring. Jetzt wird sicher auch klar, warum
die Behälter bzw. Ringe jeder Seite miteinander ausgekreuzt verbunden
sind. Die Ladung des einen Behälters dient dazu im anderen die entgegengesetzte
Ladung zu influenzieren. Dieses gegentaktähnliche Prinzip führt
dazu, dass sich der Generator in der Praxis immer von selbst erregt. Ist
einmal auf einer Seite, durch geringe Unregelmäßigkeiten in
der Feldverteilung, eine Ladung entstanden, dann nimmt die andere Seite
sofort die entgegengesetzte Polarität an. Eine größere
Ladung auf der linken Seite verursacht eine stärkere Influenz auf
der rechten Seite, was wiederum die Ladung auf der rechten, bzw. die Influenz
auf der linken Seite verstärkt. Auf diese Weise bilden sich zwischen
den beiden Auffangbehältern rasch sehr hohe elektrostatische Spannungen
im kV-Bereich.
Ist die Spannung hoch genug, so kommt es zu einem Überschlag an
der Funkenstrecke. Der dabei
fließende Strom wird in diesem Modell zusätzlich noch durch
die Sparlampe sichtbar gemacht.
Interessant ist der Betrieb ohne, oder mit sehr großer Funkenstrecke.
Dann wird die Spannung immer höher, bis sie durch das Gewicht der
fallenden Tropfen selbst begrenzt wird. Die Tropfen müssen ja gegen
das Feld des gleichnamig geladenen Auffangbehälters fallen. Das führt
bei zu hoher Spannung zu einer Abstoßung. Man kann das gut hören,
wie mit steigender Ladung die Tropfen immer sanfter und leiser auftreffen.
Die kleineren Tropfen werden schon im Influenzring abgelenkt, da sie
von der ungleichnamigen Ladung des Ringes angezogen werden. Sie fliegen
dann auf mitunter sehr skurrilen Bahnen herum und versuchen sogar den Ring
zu umkreisen, landen aber sicher nie im Behälter, wegen der gleichen,
abstoßend wirkenden Ladung. Während der Ladezeit bemerkt man
auch, dass die Selbsterregung des Generators überproportional zunimmt.
Am Anfang dauert es sehr lange (ca. 15s), bis überhaupt eine Ladung
entsteht, doch dann zerstreut sich der Stahl innerhalb weniger Sekunden.
Nachdem wir jetzt einige elektrostatische Generatoren kennen gelernt haben, stellt sich die Frage, ob es nicht auch möglich ist, diese Effekte umzukehren, um einen elektrostatischen Motor herzustellen.
10.1. Umkehrung der Influenzmaschine
Ein sehr einfacher Versuch kann durchgeführt werden, indem man zwei Influenzmaschinen miteinander verbindet. Eine wirkt dann als Generator und die andere als Motor. Es empfiehlt sich, die als Motor arbeitende Maschine so wenig als möglich zu belasten. D.h. die Treibriemen sollten von der Kurbel gelöst werden, damit möglichst wenig Reibung die Rotation bremst.
Folgende Beobachtung können dabei an der Motor Maschine gemacht werden.
Ausgehend von diesem Prinzip lässt sich ein elektrostatischer
Motor mit nur einer Scheibe und kontaktloser Ladungsübertragung
bauen. Dieses Modell ist eine 4-polige Ausführung. Dazu werden immer
zwei benachbarte Elektrodensätze mit unterschiedlicher Polarität
beaufschlagt und die gegenüberliegenden Elektrodensätze mit gleicher
Polarität.
Je ein Elektrodensatz besteht aus einer unter der Scheibe liegenden
Al-Platte mit abgerundeten Kanten. Auf der Oberseite der Scheibe befinden
sich zwei spitze Sprühelektroden. Diese haben die Aufgabe, durch eine
Koronaentladung die Ladungen kontaktlos auf die Segmente zu sprühen.
Um die Funktion zu verstehen, betrachten wir ein Segment auf der Scheibe.
Nehmen wir an, es befindet sich genau unter der in Laufrichtung gesehenen
2. positiven Sprühelektrode (oben). Es wird also mit positiver Ladung
aufgeladen. Ihm gegenüber befindet sich die negativ geladene Platte.
Es wird also zwischen Segment und Platte zu einer Kraftwirkung kommen,
welche die Scheibe in Richtung der negativen Elektrode dreht. Alle
nachkommenden Segmente werden durch die Sprühelektrode ebenfalls positiv
aufgeladen.
Diese Kraft wirkt jetzt so lange, bis sich das erste Segment genau
über dem hinteren Rand der negativen Platte befindet. Ohne weitere
Maßnahmen würde sich in dieser Position die Kraftwirkung umkehren
und die Scheibe wieder abbremsen. Doch genau über dem Rand der negativen
Platte befindet sich die 1. Sprühelektrode der negativen Seite. Die
negativen Ladungen werden also gegen das Segment fliegen und seine positive
Ladung neutralisieren, ja es wird sogar leicht negativ geladen. Dadurch
wird auch die gegen die Laufrichtung wirkende Kraft aufgehoben und in eine
abstoßende Kraft umgewandelt, die in Laufrichtung wirkt. Das Segment
kann sich weiter drehen, bis es die 2. negative Sprühelektrode erreicht.
Dort wird die negative Ladung in voller Menge aufgebracht und der Vorgang
wiederholt sich jetzt mit umgekehrter Polarität.
An diesem Motor können folgende interessante Beobachtungen gemacht
werden:
Daraus lässt sich schließen, das bei einem elektrostatischen
Motor der Strom für die Drehzahl maßgeblich ist und
die Spannung für das Drehmoment. Also genau umgekehrt wie bei
einem elektromagnetischen Motor. Eine höhere Spannung verursacht eine
stärkere Kraftwirkung auf die Segmente und somit ein höheres
Drehmoment. Der Strom jedoch steigt aber nur als Folge der größeren
Drehzahl und des damit verbundenen erhöhten Ladungstransportes an.
Er ist nur das Nebenprodukt das zwangsläufig entsteht, wenn Ladungen
auf die Segmente übertragen werden und ist mit der Gegen-EMK beim
elektromagnetischen Motor zu vergleichen.
10.3. Elektrostatischer Walzenläufer
Das Problem beim Scheibenläufer war, dass über die Spitzen der Sprühelektroden nur eine verhältnismäßig kleine Ladungsmenge transportiert werden kann. Dadurch ist die umgesetzte Leistung sehr klein. Um einen leistungsfähigen Motor zu bauen, müssen größere Ladungsmengen verschoben werden, sodass der Strom durch den Motor ansteigt und so mehr elektrische Leistung umsetzen kann.
Aus diesen Überlegungen heraus folgt der Walzenläufer.
Der Läufer dieses Motors besitzt überhaupt keine leitenden Segmente
mehr. Er besteht nur aus einem Kunststoffrohr, das innen mit Alufolie beschichtet
ist. Über zwei Sprühelektrodenplatten, die schräg mit der
Vorzugslaufrichtung zur Walze stehen, werden die Ladungen aufgebracht.
Durch die kantenartige Ausführung der Elektroden kann viel mehr Strom
fließen, als bei einer Punktelektrode, was insgesamt mehr Leistung
umsetzt. Das äußert sich in der sehr hohen Drehzahl und Leistungsaufnahme
dieses Motors. Mit 20kV erreicht er bei ca. 3W Aufnahmeleistung über
7000U/min.
Die Schrägstellung der Elektroden ist für die Kraftwirkung und den Anlauf wichtig. Die Elektroden können auch symmetrisch zu beiden Laufrichtungen z.B. mit einem Rohr und einer Kante an dessen Oberfläche ausgeführt werden. Eine sehr einfache Ausführung dieses Motors besteht aus 3 Plastikflaschen, von denen die 2 feststehenden außen, und die als Rotor wirkende innen mit Alufolie beschichtet ist. Dann gibt es keine Vorzugsrichtung mehr und der Motor ist nicht mehr selbstanlaufend. Auch die erreichten Drehzahlen sind dann nicht mehr so hoch. Der Selbstanlauf kommt hauptsächlich durch den Ionenwind zustande, der die Ladungen in Richtung der anziehenden Elektrode weht. Bei kleinen Spannungen muss auch dieses Modell angeworfen werden.
Betrachten wir dazu wieder einen Punkt auf der Oberfläche des Rotors
im eingelaufenen Zustand, da wie gesagt der Anlauf auf einen anderen Effekt
beruht. An der scharfen Kante der Elektrode entsteht eine Sprühentladung,
welche Ladungen zum Rotor transportiert. Zur Erzeugung dieser Sprühentladung
ist die im Inneren angebrachte leitende Beschichtung hilfreich. Deren Potential
liegt genau auf Mittelpotential zwischen den beiden Elektroden, also auf
halber Betriebsspannung und muss nirgends angeschlossen sein. Durch diese
Verbindung von einer Seite zur anderen erreicht man eine sehr hohe Feldstärke
im Bereich der Kante, die eine Sprühentladung auf der Elektrode auslöst.
Zu einem Überschlag kann es nicht kommen, weil ja der isolierende
Rotor dazwischen liegt. Die von der Elektrode austretenden Ladungen sammeln
sich so auf der Oberfläche des Rotors, da sie von der darunter liegenden
Beschichtung, die auf tieferen Potential liegt, angezogen werden.
Die an der Oberfläche haftenden Ladungen werden nun in Laufrichtung
mitgenommen, bis sie etwa nach einer Viertel Umdrehung in den Einflussbereich
der anderen Elektrode kommen. Ihre Ladung ist entgegengesetzt, wodurch
sie angezogen werden. Die Kraftwirkung beginnt etwa auf der Höhe des
geraden Elektrodenbleches. Die Ladungen und somit auch der Rotor werden
in den Spalt hineingezogen, da mit geringerem Abstand die Kraftwirkung
immer stärker wird. Das geht so lange, bis sie den Punkt größter
Annäherung an die Elektrode erreichen. Danach würde sich die
Kraftwirkung umkehren. Doch genau in diesem Punkt endet die Elektrode in
der scharfen Kante. Hier kommt es wieder zur Sprühentladung, wodurch
die positiven Ladungen auf dem Rotor sofort neutralisiert und die negativen
aufgebracht werden. Dann wiederholt sich der Vorgang zur positiven Elektrode
hin mit umgekehrter Polarität.
Wir haben jetzt die Funktion von elektrostatischen Generatoren und Motoren kennen gelernt. Die Überlegung liegt nahe, dass man jetzt Motor und Generator miteinander koppelt, um eine Freie Energiemaschine zu bauen.
Eine elektrostatische Freie Energiemaschine, bei der das verwirklicht ist,
ist die Testatika, oder auch Testa-Disthatika
genannt.
Sie wurde von Paul Baumann, einem Mitglied der christlichen Gemeinschaft
Methernitha in Linden in der Schweiz entwickelt. Aus den wenigen Bildern
die uns von diesen Maschinen zur Verfügung stehen, können wir
zumindest einige grundlegende Funktionen ableiten, obwohl es natürlich
für eine vollständige Erklärung nicht ausreicht.
Eine Auffälligkeit ist, das die Maschinen keine Bürsten besitzen, welche die Segmente berühren, wie wir es von der Influenzmaschine her kennen. Es ist mit einer herkömmlichen Influenzmaschine nicht möglich, eine Ladungstrennung ohne die ableitende Wirkung der Neutralisatoren zu erreichen. Warum die Ableitung benötigt wird, geht ja aus den Versuchen mit dem Elektroskop unter Punkt 6 und 6.1 hervor. Daraus können wir aber auch erkennen, dass ohne Ableitung sehr wohl eine Influenz auftritt, nur eben in positiver und negativer Richtung, sodass in Summe keine statische Ladung nutzbar zurückbleibt. Im dynamischen Fall aber gibt es sehr wohl eine Ladungsverschiebung, die sich aber nur als Wechselspannung äußert. Die Scheiben der Testatika sind demnach ein Wechselspannungsgenerator oder besser gesagt ein Asynchrongenerator, da die mechanische Frequenz viel geringer sein muss, als die elektrische. Die Wechselspannung wird auch nicht leitend von den Scheiben abgenommen, sondern über die so genannten "Taster" ebenfalls in die großen "Kondensatoren" influenziert. Hier könnte der Schlüssel für die Rückwirkungsfreiheit liegen, denn beim Annähern eines geladenen Körpers an einen ungeladnen ist keinerlei Arbeit zu leisten, im Gegenteil, da sie sich ja anziehen, kann sogar noch mechanische Energie gewonnen werden.
Die so gewonnene hohe Wechselspannung bedarf einer weiteren Verarbeitung, um sie auf ein niedriges Niveau zu bringen. Dabei könnte ein Teslatrafo in Verwendung als kapazitiver Transformator zum Einsatz kommen.
11.1. Kapazitiver Transformator
Ein kapazitiver Transformator ist im Prinzip
ein Teslatrafo, der mit einer leitenden Elektrode
umgeben ist. Zur Verminderung von Wirbelströmen empfiehlt sich hier
die Verwendung eines Gitterbleches. Weiter empfiehlt es sich zur Vermeidung
einer magnetischen Kurzschlusswindung das Blech am Umfang nicht zu schließen.
Das Blech sammelt alle Feldlinien, die von der Oberfläche der Sekundärspule
ausgehen wieder ein und ist mit der äußeren Elektrode eines
Zylinderkondensators zu vergleichen. Die Oberfläche der Sekundärspule
ist die zweite Platte des Kondensators. Der vom Gitter abfließende
Strom ist gleich mit dem am Fußpunkt der Sekundärspule und im
Allgemeinen sehr hoch im Vergleich zu dem Strom an der Spitze.
Diese auf Resonanzgesetzen beruhende Transformation kann genutzt werden,
um eine hohe Spannung herabzusetzen. Wird der Teslatrafo in herkömmlicher
Weise über die Primärspule gespeist, so tritt an der Spitze eine
sehr hohe Spannung, mit der bekannten Sprühentladung eines Teslatrafos
auf. Am Gitterblech kann gegen Erde jedoch eine relativ geringe Spannung
in der Größenordnung von 100V abgenommen werden, mit der eine
Glühbirne zum Leuchten gebracht werden kann. Ein direkter Anschluss
der Glühbirne an der Spitze des Teslatrafos ist unmöglich, da
hier ein viel zu geringer Strom fließt.
=
Um zu zeigen, dass es sich um eine wirkliche Transformation handelt,
wird an der Spitze des kapazitiven Trafos eine hohe HF Spannung von einem
zweitem, herkömmlichen CW-Teslatrafo eingespeist.
Am Gitter kann wieder eine niedrige Spannung abgenommen werden und die
Glühbirne zum Leuchten gebracht werden. Wird die gleiche Lampe in
die Verbindungsleitung zwischen den beiden Teslatrafos eingeschaltet, so
leuchtet sie nicht und zeigt, wie gering der dort fließende Strom
ist.
Jetzt sind die in mechanischen Systemen erzeugten Frequenzen im Allgemeinen
sehr gering und für die Weiterverarbeitung mit HF-Bauteilen, wie etwa
Teslatrafos nicht verwendbar. Die erzeugte Frequenz liegt z.B. bei einer
Scheibe mit 40 Segmenten und 50U/min nur bei 33Hz.
Ein anderer Effekt könnte für die Erzeugung einer hochfrequenten
Wechselspannung auf den Scheiben verantwortlich sein, nämlich die
Wellenbildung. Haben Sie sich schon einmal überlegt, wie die Wellen
auf einem See oder auf dem Meer zustande kommen ? Der Wind bläst über
die glatte Wasseroberfläche und verursacht kleine Unregelmäßigkeiten,
die sich dann langsam zu Wellen auftürmen. Ohne Resonanzkreise werden
einfach so Wellen, also Schwingungen erzeugt, die noch dazu für eine
Windstärke eine konstante Frequenz haben.
Ähnliches könnte auch bei den Elektronen möglich sein.
Wenn ein Erreger über den normalerweise ruhenden Elektronensee auf
der Oberfläche eines Leiters streicht, könnten Schwingungen mit
sehr hoher Frequenz, ohne Verwendung von Resonanzkreisen, angeregt werden.
Interessant ist dabei noch zusätzlich, dass bei geringer Windstärke,
also bei geringer Leistung, eine viel höhere Frequenz entsteht, als
bei starkem Wind oder großer Leistung. Das deckt sich mit einigen
Aussagen, wonach die Spulen in den "Kondensatoren" der kleinen Maschinen
sehr wenige Windungen haben. Weil hier wenig Leistung umgesetzt wird, ist
die Frequenz entsprechend hoch und es wird nur ein Teslatrafo mit wenigen
Windungen benötigt, um in Resonanz zu kommen.
=
Ein Bauteil, das nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet, ist das
Magnetron.
In ihm wird ein zuerst kontinuierlicher Elektronenstrom durch ein Magnetfeld
in Rotation versetzt. Dieser streicht über die Kanten von Resonanzkammern
und regt dort eine Schwingung an. Diese Schwingung beeinflusst ihrerseits
wieder den Elektronenstrom und führt dort zu einer Bündelung
der Elektronen. Wenn so ein Bündel den nächsten Resonator genau
im richtigen Moment erreicht, erteilt es der Schwingung in ihm einen Anstoß.
Ein eingeschwungenes Magnetron kann mit einem Asynchronmotor verglichen
werden, wobei die Elektronen den Läufer darstellen. Die Testatika
könnte ähnlich funktionieren, nur bei weitaus tieferen Frequenzen.
Die Scheibe mit ihren Segmenten stellt die gebündelten elektrischen
Ladungen dar, die an den Abnehmern vorbeistreichen. An diese sind Resonanzbauteile
angeschlossen, die dadurch erregt werden und ihrerseits die Ladung auf
den Segmenten verstärken.
11.3. Elektrostatischer Asynchronmotor
Das Prinzip eines elektrostatischen Asynchronmotors ist in der Technik bis jetzt noch nicht zur Anwendung gekommen. In der Elektrostatik wurden bisher immer nur die mit Gleichspannung betriebenen Motore gebaut, so wie vorher gezeigt.
In der Magnettechnik gibt es die bekannten Gleichstrommotore, die mit
Kommutatoren arbeiten. Analog dazu gibt es in der Elektrostatik die Motore
wie z.B. den elektrostatische Scheiben-
und Walzenläufer. Die Kommutation
erfolgt hier über die Sprühentladungen und ist keineswegs kontaktlos
im elektrischen Sinn.
Auf der Generatorseite gibt es im magnetischen Bereich die Gleichstromgeneratoren,
als einfache Umkehrung des Motorprinzips. Analog dazu gibt es in der Elektrostatik
den Bandgenerator und die Influenzmaschine.
Als Beispiel für mit Wechselstrom betriebene Maschinen gibt es
in der Magnettechnik die Drehstrom Asynchronmaschinen, die eine breite
Anwendung finden. Diese Maschinen gehen auf die Erfindungen von Nikola
Tesla zurück, der das Wechselstromsystem in Form des mehrphasigen
Drehstroms einführte. Diese Maschinen nutzen die induktive Übertragung
der Leistung zum Rotor und arbeiten daher völlig kontaktlos.
In der Elektrostatik fehlt aber bis jetzt eine dazu analog aufgebaute Maschine. Vor allem die kontaktlose Übertragung der Leistung zum Rotor, die hier dann natürlich nur auf kapazitiven Wege erfolgen kann, gibt es in der gängigen Elektrostatik nicht und das führt auch zu großen Problemen im Verständnis der Testatika, die ja ebenfalls völlig kontaktlos arbeitet. Wie mit den Versuchen beim Elektroskop gezeigt, kann ohne ableitende Berührung keine statische Ladungstrennung erzeugt werden. Es ist dann nur im dynamischen Fall die Erzeugung von Wechselspannung möglich. Das lässt bereits vermuten, dass es auch in der Elektrostatik Maschinen geben muss, die mit Wechsel- oder Drehspannung betrieben werden.
Um zu zeigen, dass auch ein mit Wechselspannung betriebener, elektrostatischer
Asynchronmotor machbar ist, habe ich dieses Modell gebaut. Es ähnelt
dem elektrostatischen Scheibenläufer, nur wird hier ein etwas komplizierterer
Stator verwendet. Er besteht wie aus 8 Segmenten. Jedes 4. Segment ist
untereinander verbunden. Dadurch entstehen insgesamt 2 Pole mit je 4 Segmenten.
Daran sind die 4 Phasen, die von der Versorgung zur Verfügung gestellt
werden angeschlossen.
Dazu werden zwei Ölofenzündtrafos verwendet. Diese sind in der
Mitte geerdet und liefern daher immer zwei um 180° phasenverschobene
Spannungen. Damit können bereits zwei Segmente eines Pols versorgt
werden. Die anderen beiden, dazwischenliegenden, benötigen eine 90°
Phasenverschiebung. Das wird erreicht, indem man einen zweiten Trafo über
eine Phasenschieberschaltung an das Netz anschaltet. Diese erzeugt eine
um 90° voreilende Spannung am Trafo. Mit der 180° Drehung der Sekundärwicklung
erhält man so –90° und +90°.
Der Anschluss der Segmente erfolgt gemäß der zeitlichen
Abfolge der 4 Phasen in Drehrichtung gesehen immer mit –90°, 0°
,+90° und +180°. Das ist eine 4phasige Drehspannung. Auf dem Stator
haben wir somit ein elektrostatisches Drehfeld, dessen Maximum in der gezeichneten
Polung gegen den Uhrzeigersinn über die Scheibe läuft. Über
den Schalter S1 kann diese umgekehrt werden.
Um damit jetzt den Rotor zu beeinflussen, muss er speziell gebaut sein.
Der Stator überträgt die Ladungen auf den Rotor gemäß
dem magnetischen Asynchronmotor berührungslos und ohne Kommutator,
also hier ohne Sprühentladungen, was auch gut hörbar ist. Dieser
Motor läuft völlig lautlos, ganz ohne die bei den vorigen Modellen
so charakteristischen und dort unerlässlichen Sprühentladungen.
Die Ladungen werden nur durch Influenz, sprich durch kapazitive Kopplung,
auf den Rotor übertragen. Ein Segment, stellt dabei eine Platte eines
Kondensators dar. Diese wird, ohne weitere Beschaltung immer von der Statorplatte
gemäß der elektrostatischen Kraftwirkung angezogen. Diese Kraftwirkung
ist polaritätsunabhängig und daher würde ein unbeschalteter
Rotor einfach in einer überdeckenden Stellung zum Stator "einrasten".
Auch bei einer ungleichen Stator-/Rotorteilung, wie hier verwendet, kann
es zu keiner gerichteten Kraftwirkung kommen, da sich um den Rotorumfang
alle Kräfte zu Null addieren.
Erst durch Einbringen von Rotorwiderständen, die alle Segmente gegeneinander
ableiten, kann dieses Gleichgewicht gebrochen werden. Das ist zu vergleichen
mit dem Kurzschlussring beim magnetischen Asynchronmotor. Betrachten wir
zur Erklärung ein Segment des Rotors, das sich gerade in einer Stellung
zwischen zwei Statorsegmenten befindet. Auf dieses Rotorsegment koppeln
die beiden Statorphasen 1~ und 2~ über C1 und C2 kapazitiv an. Die
Ersatzschaltung für dieses eine Segment lässt sich durch Einbringen
einer virtuellen Masse am Sternpunkt der Rotorwiderstände zeichnen.
Das ist zulässig, da sich alle Ströme auf dem Rotor in einem
symmetrischen Drehfeld zu Null addieren und so am Sternpunkt ebenfalls
Nullpotential anliegt. Dieser könnte ohne weiteres mit dem N-Leiter
des speisenden Drehsstromsystems verbunden werden, ohne dass es zu einem
Stomfluss käme und aus diesem Grund kann er genau so gut weggelassen
werden und wird praktisch auch nicht ausgeführt. Über den gedachten
N-Leiter lässt sich das Zeigerdiagramm für die Ersatzschaltung
zeichnen. U1 und U2 sind die um 90° verschobenen Spannungen des speisenden,
4phasigen Drehstromsystems. An der, dem Widerstand zugewandten Seite der
Kondensatoren, addieren sich die Ströme i1 und i2 zum Gesamtstrom
i. Dieser verursacht an dem Widerstand R den Spannungsabfall UR. Mit UR
lassen sich die Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 gemäß
den Maschengleichungen U1=UC1+UR und U2=UC2+UR zusammensetzen. Dabei wird
der für die Kraftwirkung so wichtige Effekt sichtbar. Durch die 90
Phasenverschiebung von U2 gegenüber U1 erfolgt die Addition bei UC2
in einem anderen Winkel, wodurch sich für UC2 eine größere
Spannung ergibt. Aus diesem Ungleichgewicht ergibt sich die eigentliche
Kraftwirkung. Da der Betrag von UC2 größer ist als der von UC1
ist in dem Teilkondensator C2 auch die elektrostatische Anziehung größer,
als die in C1. Das führt zu einer zu einer Bewegung des Rotors nach
rechts, was auch der für dieses Beispiel zugrunde gelegten Drehfeldrichtung
entspricht.
Vereinfacht könnte man die Funktion auch so beschreiben, dass sich das Segment beim Vorbeilaufen des Spannungsmaximums des Drehfeldes durch den Widerstand nur langsam auflädt und der aktuellen Spannung nicht unmittelbar folgen kann. Es bleibt ein Ladungsüberschuss übrig, der erst verzögert abgeleitet werden kann und der an der Ablaufenden Seite zu einer stärkeren Anziehung führt, den Rotor sozusagen ein Stück mitnimmt, bis die Überschussladung abgeleitet ist.
Eine Parallele dazu sind in der Magnettechnik die Wirbelströme,
wie sie in leitfähigen Materialien auftreten. Deren Magnetfeld versucht
immer dem erzeugenden Magnetfeld entgegen zu wirken, stößt sich
also von ihm ab. In realen, mit einem Widerstand behafteten Materialien,
ist das aber nur für kurze Zeit möglich, da sich die Wirbelströme
rasch abbauen. Dadurch wird es erst möglich, mit einem Magnet, den
man rasch über ein Kupferblech hinwegzieht, das Kupferblech ein Stück
in Bewegungsrichtung mitzuziehen. Das ist nur möglich, weil auf der
ablaufenden Seite die Wirbelströme schon geringer sind, als auf der
dem Magneten zulaufenden Seite. Würde ein Supraleiter
anstelle des Kupfers verwendet werden, dann wären die abstoßenden
Kräfte auf beiden Seiten genau gleich groß, der Supraleiter
würde zwar hin- und hergeworfen, in Summe aber trotzdem nicht von
der Stelle kommen.
Das ist auch der Grund, warum ein magnetischer Asynchronmotor mit einem
Supraleiter als Rotor nicht funktionieren kann. Der Begriff Kurzschlussläufer
muss also in dieser Hinsicht auf Widerstandsläufer reduziert werden,
denn mit einem idealen Kurzschluss kommt es zu keiner gerichteten Kraftwirkung.
Was in der Magnettechnik nur mit dem enormen Aufwand eines Supraleiters
möglich ist, können wir in der Elektrostatik leicht erreichen,
nämlich einen idealen, hier eben isolierenden Rotor. Damit haben wir
aber auch die Möglichkeit, direkten Einfluss auf die Rotorwiderstände
zu nehmen und zwar auch in einem Bereich nahe dem idealen Rotor, also hier
bei sehr hohen Widerstandswerden. Es wäre hier also denkbar, die beim
magnetischen Motor verschwendete Energie durch geeignete Abnehmer nicht
in Widerständen umzusetzen, sondern nur von der Scheibe anzuleiten,
um die Rotation hervorzurufen, die Leistung dann aber wieder in die Versorgung
zurückzuspeisen. Das ist ein weiteres wichtiges Wirkungsprinzip für
die Testatika, was nur in der Elektrostatik mit vernünftigem Aufwand
zu realisieren ist.
11.4. Die Frage nach der Energie
All diese Überlegungen geben zwar ein besseres Verständnis
von der Funktionsweise, doch die Frage, wo die Energie denn letzten Endes
herkommt können sie nicht beantworten.
Ich denke die Testatika muss wie eine sich selbst antreibende Wärmepumpe
funktionieren. Elektronen sind ähnlich wie Wärme überall
vorhanden, können aber nicht direkt genutzt werden. Es muss ein Gefälle
aufgebaut werden, das es erlaubt diese einzusammeln. Das ist in diesem
Fall die hohe elektrische Spannung vorzüglicher Weise der Pluspol.
Dann gilt es die so eingesammelten Elektronen auf ein anderes Niveau,
bei der Wärmepumpe ist das eine höhere Temperatur, zu heben,
damit sie gegen die Umgebung wieder Arbeit verrichten können. Im Fall
der Testatika ist das die Transformation von Spannung zu Strom. Nur der
hohe Strom bei geringer Spannung hat die Eigenschaft, sich nicht sofort
wieder in die Umgebung zu zerstreuen und so kann man ihn über den
Lastwiderstand ausgleichen lassen.
Das ist vergleichbar mit dem kalten Absorber bei der Wärmepumpe.
Er hat zwar zusätzliche Wärme eingesammelt, kann sie aber gegen
die warme Umgebung nicht abgeben und würde sie wieder verlieren, wenn
man ihn ungenutzt liegen lässt. Erst der Kompressor hebt die Temperatur
und dann kann die Zusatzwärme Arbeit verrichten und natürlich
auch die Wärmepumpe antreiben.
Daraus könnte man folgern, dass es zwei verschiedene Arten von
Elektrizität gibt, die ähnlich wie das Kältemittel in der
Wärmepumpe einem Phasenübergang unterliegt. Ein galvanischer
Strom, der in einem Leiter fließt, ist vergleichbar mit einer unter
Druck stehenden Flüssigkeit in einem Rohr. Die hohe elektrostatische
Spannung ist gleichzusetzen mit dem gasförmigen Zustand der Flüssigkeit
unter verminderten Druck im freien Raum.