Elektrostatischer Walzenläufer

Der Aufbau des Walzenläufers gestaltet sich im Vergleich zur Influenzmaschine sehr einfach. Ein dünnwandiges Plexiglasrohr wird auf der Innenseite mit Alufolie beschichtet. Diese entstehende Trommel wird mit einer kugelgelagerten Welle in zwei Halterungen befestigt. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass die Trommel möglicht reibungslos drehen kann. Die beiden Sprühkämme bestehen aus einer 1mm dicken Aluplatte, die mit einem Winkel von 35° angewinkelt werden und bei welcher der Sprührand zu einer Schneide geschliffen ist. Die scharfe Schneide sorgt durch den extrem kleinen Krümmungsradius an der Kante dafür, dass sich dort die meisten Sprühentladungen ausbilden. Alle anderen Kanten sollten möglichst rund und glatt geschliffen werden, um dort Koronaentladungen möglichst zu vermeiden.




Die zwei Sprühkämme werden auf zwei Isolatoren aus Plexiglas aufgeschraubt. Die Sprühkämme können mit den Schleifkontakten eines elektromagnetischen Motors verglichen werden. Der grosse Unterschied besteht aber darin, dass die Sprühkämme den Rotor nicht berühren müssen. Das heisst, dass die Reibung am Rotor gering gehalten werden kann.





Funktionsweise

Über die zwei Sprühelektroden, die schräg zu der Vorzugslaufrichtung der Walze stehen, werden die Ladungen aufgebracht. Durch die langen Sprühkämme kann ein relativ grosser Strom fliessen, was die Leistung des Motors erheblich erhöht. Die Schrägstellung der Sprühelektroden ist enorm wichtig für die Kraftwirkung zwischen Elektrode und Trommel, welche die Drehbewegung verursacht. Durch die Alufolie, die im Innern der Trommel angebracht ist, erscheint der Abstand zwischen den Elektroden viel geringer. Ein Ladungsaustausch wäre somit viel leichter, als wenn die Trommel innen nicht mit Alufolie beschichtet wäre. Nur ist die Alufolie von den Elektroden durch die Rohrwand isoliert. Die Ladungen müssen also einen Umweg um die isolierende Trommel machen, um die andere Elektrode zu erreichen. An den Kanten der Elektrodenplatten entsteht nun eine Sprühentladung, welche die Ladung, die von der gegenüberliegenden Elektrode auf die Trommel ‚aufgesprüht' wurden, neutralisiert und mit der entgegengesetzten Polarität auf den Rotor aufbringt.

Unter die schräg stehenden Platten laufen also jeweils die von der anderen Elektrode ausgesandten Ladungen. Diese werden von den ungleichnamigen Ladungen der Platte angezogen, was den Rotor dreht und beschleunigt. Diese anziehende Kraft wird immer stärker, je enger der Spalt zwischen Elektrodenplatte und Rotor ist. Die abstossende Kraft zwischen der Elektrode und deren ‚aufgesprühten' Ladungen kann vernachlässigt werden. Demnach sind nur die anziehenden Kräfte der entgegengesetzten Ladungen von Bedeutung für die Drehbewegung. Der Rotor erfährt eine Rotation in Richtung der Sprühelektroden abgewandten Seite.





Koronaentladungen an den Sprühelektroden bei laufendem Motor. Als Spannungsquelle wurde die Influenzmaschine benutzt. Die Fotos wurden mit einer Belichtungszeit von 30 Sekunden gemacht.


Betrieb des Motors

Der Walzenläufer wird an die Influenzmaschine angeschlossen und in Betrieb genommen. Bei einem Neutralisatorwinkel von 50° läuft der Walzenläufer von alleine an. Zuerst ist ein lautes Knistern zu hören, welches mit steigender Drehzahl des Motors immer schwächer wird. An dem leiser werdenden Knistern merkt man schnell, dass die Spannung an der Maschine abfällt. Das kommt daher, dass der fliessende Strom mit der Drehzahl zunimmt. Aber ab einer bestimmten Drehzahl des Motors kann die Influenzmaschine den benötigten Strom nicht mehr liefern und die Spannung fällt sofort ab. Für solche Experimente ist deshalb einen flachen Neutralisatorwinkel zu wählen, da der Motor viel Strom benötigt, aber auch schon bei geringeren Spannungen (ca. 9 kV) läuft.


In Abbildung 43 sind die Sprühentladungen am Motor sehr schön sichtbar. Sie leuchten in einem tiefen Blau, bis hin ins Ultraviolett. Wenn man den laufenden Motor etwas bremst, wird das Knistern wieder lauter, weil bei geringerer Drehzahl auch die Spannung an der Influenzmaschine wieder zunimmt. Die Sprühentladungen werden dabei an den Kämmen des Walzenläufers viel markanter und gleichen mehr vielen kleinen Blitzen.

Ein ganz interessanter und schöner Effekt tritt auf, wenn bei laufendem Motor ein Kabel aus der Steckbuchse gezogen und von der Elektrodenplatte entfernt wird. Zuerst treten bei kurzer Entfernung kleine Funken vom Kabel zur Buchse über. Der Motor läuft dabei immer noch. Je weiter man nun den Stecker entfernt, desto markanter treten Sprühentladungen an Stecker und Elektrode auf.



Sprühentladung an Stecker und Elektrodenplatte bei laufendem Motor. Auch schön zu sehen sind die Sprühentladungen zwischen Elektrodenplatte und Rotor. Das Foto wurde 30 Sekunden lang belichtet.

Das Erstaunliche ist nun, dass sogar bei einer Entfernung von 10 cm zwischen Stecker und Elektrodenplatte der Motor noch immer recht gut läuft. Hält man ein Papier zwischen den Stecker und Elektrode, so stoppt der Motor. Hält man die befeuchtete Hand dazwischen, so spürt man ganz deutlich einen Windstoss, der vom Stecker zur Elektrode bläst. Durch die hohe Betriebsspannung des Motors wird die Luft zwischen Stecker und Elektrodenplatte ionisiert, und es kann immer noch ein Strom fliessen, welcher den Motor immer noch antreibt.


Messungen am Motor

Für alle Messungen wurde ein Hochspannungsnetzgerät verwendet, das von 0 - 11kV stufenlos einstellbar ist. Zuerst wurde die Mindestbetriebsspannung für den Walzenläufer ermittelt, bei der er gerade noch läuft. Diese Mindestbetriebsspannung beträgt für diesen Motor 8,5 kV. Bei 8,5 kV macht der Walzenläufer gerade mal 92 Umdrehungen pro Minute. Unter dieser Mindestspannung überwiegt die Reibung am Rotor, und es ist kein Betrieb mehr möglich. Unterhalb von etwa 8 kV ist die Spannung auch zu niedrig um die Luft zu ionisieren und Sprühentladungen auszubilden.

Die Spannung wurde in 500 Volt Schritten von 8,5 kV bis auf 11 kV erhöht und bei jedem Wert die Drehzahl des Walzenläufers ermittelt.

Spannung [kV] Drehzahl [rpm]
8.5 91.8
9 262.5
9.5 336.5
10 415.6
10.5 481.2
11 603.7

Man erkennt, dass sich die Spannung stark auf die Drehzahl des Motors auswirkt. Je höher die Spannung, desto höher ist auch die Drehzahl. Mit dem Erhöhen der Spannung werden auch die Sprühentladungen immer stärker, was sich positiv auf den Ladungstransport auswirkt!


Strommessung

Um die beim Betreib umgesetzte Leistung des Motors zu berechnen, musste zuerst der Strom, der beim Betreib des Motors fliesst, ermittelt werden. Es war nicht möglich, den Strom mit einem digitalen Multimeter zu messen, da der Motor durch seinen nicht ganz perfekten Rundlauf hochfrequente Fragmente und Spannungsimpulse erzeugt, welche das Messinstrument störten. Leider stand auch kein Drehspulamperemeter zur Verfügung, welches Ströme im µA-Bereich messen kann. Ein weiteres Problem stellte die hohe Betriebsspannung des Walzenläufers dar, welche die Messinstrumente durch Überspannungen oder Funkenüberschläge zerstören könnte. Folgende Messanordnung hat sich nach einigen missglückten Versuchen mit einem Speicher-KO bewährt. Alle Strommessungen wurden bei voller Spannung von 11 kV durchgeführt. Somit war ein klares Ergebnis wahrscheinlicher, als bei einer Spannung von 9 kV, da dabei auch nur ein verhältnismässig geringer Strom fliesst.




Die gemessene Spannung über dem Messwiderstand betrug etwa 0,41V. Mit diesem Wert kann man den Strom berchnen, der durch den Widerstand und damit auch durch den Motor geflossen ist. Dieser Beträgt bei einer Betriebsspannung von 11kV etwa 17,1μA. Damit ist beträgt die Leistung des Motors 188mW. Die Leistung ist also relativ gering. Der Motor wäre aber zu höheren Leistungen fähig. Je höher die Spannung am Motor ist, desto effektiver läuft er auch, da bei höheren Spannungen auch stärkere Sprühentladungen auftreten und ein höherer Strom transportiert werden kann.


Folgendes Video zegt den Walzenläufer im Betrieb. Diesmal wird der Walzenläufer vom Hochspannunsnetzgerät betrieben, bei welchem sich die Spannung von 0 bis 30kV einstellen lässt:



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