Influenzmaschine

Diese Seite beschäftigt sich eingehend mit dem Bau und Betrieb einer Infuenzmaschine, wie sie von James Wimshurst konstruiert wurde. Die wichtigsten dieser Influenzmaschinen waren Varley's Maschine (um 1860) und Töplers und Holzens Maschine (um 1865). Alle diese frühen Maschinen hatten den Nachteil, dass sie bei feuchtem Wetter gar nicht erst ansprangen oder dauernd ihre Polarität wechselten, was das Experimentieren mit ihnen schwierig machte. 1878 gelang es James Wimshurst, dieses Problem zu lösen und er verbesserte die Maschine von Holtz. Er brachte viele schmale Metallsegmente auf den rotierenden Scheiben an und fügte erstmals zwei Leidener Flaschen zur Maschine hinzu. Dann, im Jahre 1883, erschien die Wimshurst-Influenzmaschine, welche sich als sehr zuverlässig erwies und auch bei feuchtem Wetter lief. Ausserdem blieb die Polarität beim Betrieb erhalten. Der grösste Wimshurst-Generator wurde 1885 gebaut. Er hatte Glasscheiben mit 2 m Durchmesser und 1 cm Dicke. Damit liessen sich Funkenlängen von bis zu 56 cm erreichen.





Funktionsweise

In der Regel liefern Influenzmaschinen sehr kleine Ströme mit sehr hohen Spannungen. Dies erreichen sie, indem sie Elektrizitätsträger paarweise durch Influenz aufladen, dann trennen und den Abstand der Ladungen durch mechanische Bewegung vergrössern. In folgender Abbildung ist die Wirkungsweise einer der einfachsten Influenzmaschinen gezeigt. Diese bildet das Grundprinzip der Wimshurst Influenzmaschine und soll deshalb etwas genauer angeschaut werden.



Wie in der Abbildung zu sehen ist, besitzen die Platten γ und δ eine Ladung. Platte γ ist positiv, Platte δ negativ geladen. Diese Ladung kann durch Anbringen einer Gleichspannungsquelle an die Platten erreicht werden. Diese beiden Platten wirken wie ein Plattenkondensator. Zwischen diesem Plattenkondensator werden nun die zwei, von einander isolierten Elektrizitätsträger α und β gebracht.


Zeichnung I:
Durch den Schleifkontakt, der mit zwei verbunden Pfeilen dargestellt ist, werden die Elektrizitätsträger α und β elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch Influenz werden die Ladungen in diesen verbundenen Elektrizitätsträgern durch das elektrische Feld der Platten γ und δ getrennt. Links in der Abbildung ist das Prinzip dargestellt, rechts das gleiche mit Rotation, was eine periodische Wiederholung des Vorgangs ermöglicht. (In den Zeichnungen I - V sind Isolatoren schraffiert eingezeichnet!)



Zeichnung II:
Wenn die Elektrizitätsträger α und β den Schleifkontakt verlassen, so werden die Träger von einander wieder isoliert, und somit sind auch die influenzierten Ladungen getrennt worden. Die negativen Elektronen sind jetzt auf Platte α. Diese fehlen auf der Platte β, was bedeutet, dass es dort einen Überschuss an positiven Atomrümpfen gibt.



Zeichnung III:
Diese nun getrennten Ladungen können über die Schleifkontakte A und K abgenommen werden und über einen Verbraucher einander wieder zugeführt werden. Zwischen diesen Ladungen herrscht eine gewisse Spannung, welche durch die Gleichung U = Q/C gegeben ist. Je höher die getrennte Ladung Q, bei gleich bleibender Kapazität C der Platten α und β, desto grösser wird auch die Spannung U zwischen diesen Platten. Die Menge der getrennten Ladungen hängt dabei von dem elektrischen Feld zwischen den Platten γ und δ ab.




Das Multiiplikatorverfahren

Mit einer Zusatzeinrichtung kann nun die Ladung der influenzierten Kondensatorplatten γ und δ auf höhere Werte gebracht werden. Für diese Zusatzeinrichtung wurden zwei verschiedene Verfahren erfunden. Das Erste ist das so genannte Multiplikatorverfahren, welches in folgender Abbildung zu sehen ist. Der Trick besteht darin, dass man die durch Influenz gewonnenen Ladungen nicht ganz dem Verbraucher zuführt, sondern einen Rest auf den Elektrizitätsträgern lässt und diesen auf die Platten γ und δ überträgt. Somit verstärkt sich das für den nächsten Influenzvorgang verfügbare elektrische Feld.



Zeichnung IV:
Die - wie in Zeichnungen I - III dargestellt - getrennte Ladung wird nicht dem Verbraucher, sondern einem Kondensator zugeführt und somit gespeichert. Die Elektrizitätsträger α und β behalten dabei einen Rest der Ladung, da sie nicht alle Ladung an den Kondensator abgeben können.



Zeichnung IV:
Diese Restladung auf den Elektrizitätsträgern α und β werden nun über die Schleifkontakte F1 und F2 auf die Platten γ und δ übertragen. Somit hat es auf diesen Platten eine höhere Ladung als vorher, was bedeutet, dass auch das elektrische Feld zwischen diesen Platten verstärkt wurde. Die Flächendichte, gegeben durch σ = Q/A, hat auf den Platten zugenommen. Je grösser Q, bei gleich bleibendem A, desto grösser ist die Flächendichte σ , was wiederum bedeutet, dass die elektrische Feldstärke zunimmt!



Wenn die Elektrizitätsträger nun wieder an dem Neutralisatoren vorbeikommen, bei dem sie kurzgeschlossen werden, wird auch eine höhere Ladung auf ihnen influenziert. Von denen sie wieder einen Teil auf den S peicherkondensator abgeben usw. Dabei steigt die Spannung über dem Kondensator immer mehr (U = Q/C, C = konstant)! Mit diesem Multiplikatorverfahren werden nach wenigen Umdrehungen schon sehr hohe Spannungen mit mehreren tausend Volt erreicht.



Die Wimshurst Influenzmaschine

Das zweite Verfahren ist eigentlich die Weiterentwicklung des Multiplikatorverfahrens. Es werden abermals Ladungen durch Influenz getrennt und vermehrt. Die Erneuerung bestand aber darin, dass die Platten α, β und γ, δ in grösserer Anzahl vorhanden sind. Dies wurde mit zwei gegenüberstehenden, entgegengesetzt rotierenden Scheiben realisiert, auf die viele leitende Platten geklebt wurden. Folgende Abbildung zeigt schematisch eine solche Influenzmaschine. Auch hier gibt es die Schleifkontakte. Diese, beschriftet mit K1- K4, sind paarweise leitend miteinander verbunden. Die Schleifkontakte, die so genannten Neutralisatoren, sind mit Massepotential verbunden. Die Abnehmer der Ladung sind mit S bezeichnet. An den Abnehmern sind auch die Speicherkondensatoren (C1 und C2) zu sehen, von denen je eine Platte auf Massepotential liegt. Die eigentlich hintereinander liegenden Segmentkränze sind zur bessern Übersicht konzentrisch liegend gezeichnet.



Zeichnung I:
Auf dem Segment gegenüber von Segment 1 des ‚äusseren' Kranzes habe es durch Zufall einen kleinen Elektronenmangel, d.h. eine positive Ladung. Diese übt ein schwaches elektrisches Feld auf sein Umfeld aus. Also auch auf Segment 1, welches mit Segment 2, durch den Neutralisator leitend verbunden ist. Auf Segment 1 wird eine negative Ladung influenziert, was bedeutet, dass Segment 2 positiv geladen wird und somit eine negative Ladung auf das Segment des äusseren Kranzes influenziert. Zwischen den Trägern "+" und 1, sowie den Trägern "-" und 2 herrscht ein schwaches elektrisches Feld, welches durch zwei Feldlinien dargestellt ist.



Zeichnung II:
Der innere Kranz wird um drei Segmente im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Je drei Träger des inneren Kranzes haben durch Influenz Ladungen erhalten. Wenn nun die Segmente bei 1 und 2 den Schleifkontakt bei der Rotation verlassen, werden sie und auch damit die Ladungen getrennt. Auf dem Segment, welches sich bei 1 befand, haben wir somit eine negative Ladung, und auf dem gegenüberliegenden Segment, welches bei 2 war, eine positive. Bei all den anderen Segmenten, die an 1 und 2 vorbeistreichen, geschieht dasselbe. Die drei Segmente nach 1 sind jetzt alle negativ, alle Segmente nach 2 positiv geladen. Der springende Punkt ist der, dass die Feldlinien von all den geladenen Segmenten zu den beiden Segmenten 3 und 4 übergreifen! Das geschieht deshalb, weil die Segmente 3 und 4 leitend verbunden sind und somit auch den kürzesten Weg für einen Ladungsaustausch der geladenen Segmente darstellen würden, wenn sie nicht durch die Scheiben von einander isoliert wären. In diesen Segmenten 3 und 4 wird nun die Ladung durch Influenz viel stärker getrennt, als bei Zeichnung I dargestellt, weil das elektrische Feld durch insgesamt 6 geladene Segmente viel grösser ist als nur durch 2!



Zeichnung III:
Jetzt wird der innere Kranz festgehalten und nur der äussere um drei Segmente im Uhrzeigersinn gedreht. Die Ladungstrennung bei den Segmenten 3 und 4 geschieht im gleichen Prinzip wie in Zeichnung II. Nur, wie oben erwähnt, wirken nun insgesamt ‚sechs Feldlinien'. Die influenzierten Ladungen sind nun dreimal so gross wie die Ausgangsladungen im inneren Kranz. Jetzt enden‚ Feldlinien' an den Segmenten 1 und 2, was bedeutet, dass auf diesen, durch den Neutralisator verbundenen Segmenten noch eine grössere Ladung influenziert wird. Die Ladung, die bei Zeichnung I gegenüber dem Segment 1 lag, hat sich nun schon verdreifacht. Natürlich hat sich auch die Ladung gegenüber dem Segment 2 verdreifacht.



Zeichnung IV:
Jetzt wird wieder der innere Kranz gedreht. Wie oben schon erwähnt wirken jetzt 18 Feldlinien, was dazu führt, dass noch mehr Ladungen auf die Segmente, welche an 1 und 2 vorbeistreichen, influenziert werden, usw. Anstatt der abwechselnden Drehung, die hier nur für einen besseren Überblick sorgt, werden die Scheiben natürlich gleichzeitig in entgegengesetzter Drehrichtung rotiert. Auf allen Segmenten, die sich zwischen 1 und 4 auf der rechten Seite befinden hat man positive Ladungen. Auf der anderen Seite hat man zwischen 2 und 3 alle negativ geladenen Segmente mit Elektronenüberschuss. An den Segmenten 5 und 6 bringt man nun die Saugkämme an, die einen Teil der Ladungen abnehmen und dann in den Leidener Flaschen gespeichert werden.




Bau der Influenzmaschine

Die Scheiben

Die Scheiben stellen sicher das Kernstück der Influenzmaschine dar, da sie eine Ladungstrennung erst möglich machen. Die Scheiben bestehen aus einem Isolator und sollten eine möglichst hohe Dielektrizitätszahl aufweisen, da die Scheiben das Dielektrikum vieler kleiner Plattenkondensatoren darstellen. Ich verwendete für die Scheiben 2 alte Vinyl-Schallplatten. Der Vorteil dabei war, dass sie einen Durchmesser von 30 cm haben, nur etwa 1 mm dick und auch recht stabil sind. Zuerst wollte ich die Scheiben aus Plexiglas fertigen, aber Plexiglas in dieser Grösse ist recht teuer. Dafür hat Vinyl keine so hohe Dielektrizitätszahl wie Plexiglas. Ausserdem müssen die Scheiben absolut schön rund laufen, denn bei hoher Drehzahl würden die Scheiben sonst zu Umwucht neigen und könnten die Aufhängung beschädigen. Bei den Vinyl-Schallplatten besteht dieses Problem nicht, da sie diese unerwünschte Eigenschaft s chon als Schallplatte nicht aufweisen dürfen und somit schon ‚von Haus aus' ein absolut zentriertes Mittelloch besitzen, durch welches die Achse für die Aufhängung geführt werden kann.



Auf die Scheiben wurden je 30 Segmente, die aus Aluminiumklebband ausgeschnitten wurden, aufgeklebt. Die Segmente sollten nicht zu breit sein, da es sonst beim Betrieb der Maschine zu Überschlägen zwischen den Segmenten kommt. Auch sollten an den Segmenten überall die Kanten abgerundet werden, da sich dort trotz hoher Feldstärken keine allzu grossen Sprühentladungen bilden können. Damit die Scheiben fast reibungslos drehen, habe ich je 2 Kugellager ins Getrieberad einer Scheibe montiert. Später stellte sich heraus, dass die Scheiben mechanisch nicht stabil genug waren, und so habe ich noch eine kleinere 5mm dicke Plexiglasscheibe auf ihnen montiert. Für die Riemen, welche die Kraft der Handkurbel auf die Scheiben übertragen, wurden zuerst 2 dünne Gummiriemen verwendet. Diese bewährten sich nicht, da sie spröde wurden und immer wieder rissen. Die Scheiben müssen gegenläufig rotieren, dass es zu einer Ladungstrennung kommen kann. Dies erreicht man durch einen Trick, indem man einen der beiden Riemen so überschlägt dass sich eine Acht bildet und so wieder ins Führungs- und Getrieberad hängt. Eine gute Lösung war, die Riemen aus einem Stück Hochstart-Gummiseil, wie es für Modell-Segelflugzeuge verwendet wird, zu benutzen. Es ist aber wichtig, dass die Riemen den richtigen Umfang haben. Sie sollten eng auf den Getriebe- und Führungsrädern anliegen, dabei aber keinen zu festen Zug auf sie ausüben, da sonst die Achsen beschädigt würden. Die Aufhängung der Achse, auf welcher die beiden Führungsräder und auch die Kurbel montiert sind, wird mit zwei Kugellagern in die zwei Sperrholz-Stützen gesteckt. Auf diese Stützen wird auch die Achse der beiden Scheiben montiert. Die Scheiben sollten in möglicht geringem Abstand zu einander stehen, aber sie dürfen einander nicht berühren. Bei dieser Maschine beträgt der Abstand der Scheiben 4 mm, welcher durch Unterlegscheiben auf der Achse gehalten wird. Auch sonst ist darauf zu achten, dass die Scheiben nicht verrutschen können. Dies kann ebenfalls durch Unterlegscheiben erreicht werden.




Die Neutralisatoren

Die Neutralisatoren spielen für die Funktion der Maschine eine zentrale Rolle, da es ohne sie zu keiner Ladungstrennung kommt und damit auch keine Spannung aufgebaut würde. Die Neutralisatoren wurden aus 4mm dickem Aluminiumdraht gefertigt. Die Halterung der Neutralisatoren wurde aus einem Stück Rundholz gefertigt, so dass sie auf der Achse der Scheiben verstellbar aufgesteckt werden konnten. An ihnen wurde auch noch eine Plexiglaskugel befestigt. Sie waren ursprünglich dazu gedacht, dass man die Neutralisatoren auch bei laufender Maschine verstellen konnte. Sie sollten dabei eine isolierende Funktion übernehmen. Später habe ich gemerkt, dass das gar nicht nötig gewesen wäre, da an den Neutralisatoren gegenüber Massepotential keine hohe Spannung vorhanden ist.



Es ist zwingend notwendig, dass die Pinsel an den Enden der Neutralisatoren die Segmente auf den Scheiben berühren. Sonst funktioniert die Maschine nicht! Die Pinsel sollten aus weicher Kupferlitze oder aus etwa 10 sehr dünnen Kupferdrähten bestehen. Die Kupferdrähte können aus sehr dünnen Kabeln entnommen werden. Zu dicke, widerstandfähige Drähte beschädigen oder zerkratzen die Segmente beim Betrieb. Die Pinsel sollten die Segmente auch bei wenigen, weichen Drähten nur ganz leicht berühren. Auch sollte darauf geachtet werden, dass die Pinsel auswechselbar sind. So ist es möglich beschädigte oder oxidierte Pinsel leicht zu ersetzen. Ausserdem kann man so ein wenig mit der Breite, Art und Material der Pinsel experimentieren.


Die Abnehmer

Die Abnehmer sollen die getrennte Ladung von den Segmenten ‚abnehmen' und zu den Kondensatoren befördern. Zwei Aluminiumstangen mit 6 mm Durchmesser wurden gebogen und auf die richtige Länge zugeschnitten. Ich habe viel mit verschiedensten Abnehmern und Befestigungen experimentiert. Am besten bewährt als Abnehmer hat sich ein breites Stück Alufolie, in das an einer Kante etwa 6 Zacken hinein geschnitten wurde. Befestigt habe ich alle 4 Abnehmer, indem ich die ungezackte Kante um die Aluminiumbögen gewickelt und einen aufgeschnittenen PVC- Schlauch darüber gestülpt habe. Somit sind die Abnehmer fixiert und doch verstellbar, so dass man sie austauschen oder auch den Abstand zu den Scheiben verstellen konnte.



Am Anfang hatte ich gedacht, dass die Abnehmer, gleich wie die Neutralisatoren, die Segmente berühren müssen. Die Segmente wurden durch die breiten Kämme der Abnehmer jedoch stark zerkratzt und die Scheiben erfuhren ausserdem eine grosse Reibung und waren nicht mehr so leicht zu drehen. Ich merkte durch Zufall, dass die Abnehmer die Segmente nicht berühren müssen um ihre Funktion zu erfüllen. Seither haben die Zacken der Abnehmer eine Abstand von etwa 1 - 2 mm zu den Segmenten.


Die Kondensatoren

Die Kondensatoren dienen dazu, die durch Influenz getrennten Ladungen zu speichern und so bei einem Funkenüberschlag mehr Strom und dadurch auch mehr Energie bereitzustellen. Die Kondensatoren müssen Spannungen über 120 kV standhalten. Deshalb werden bei Influenzmaschinen meistens so genannte Leidener Flaschen verwendet. Das ist nichts anders als ein Zylinder-Kondensator. Wegen der hohen Spannungen stellte sich die Herstellung der Kondensatoren wesentlich schwieriger heraus als angenommen. Es bedurfte vier Verbesserungen, bis sie ihre Aufgabe korrekt erfüllen konnten. Normalerweise verwendet man für Leidener Flaschen Glasgefässe, die sich jedoch nicht bearbeiten lassen. Die Kondensatoren dieser Influenzmaschine bestehen deshalb aus je einem Plexiglasrohr mit 5 cm Aussendurchmesser und 3 mm Wandstärke. Plexiglas ist einfach zu bearbeiten und ist mit einer Dielektrizitätszahl von 3,4 auch für Kondensatoren geeignet. Auf das zugeschnittene Rohr wurde ein Boden aufgeklebt. Das Rohr wurde nun innen und aussen mit selbstklebender Alufolie beklebt. Die Alufolie sollte dabei nicht zu hoch am Rohr hinaufgezogen werden, da es sonst zu Funkenüberschlägen kommt. Den Anschluss für die innere ‚Platte' macht ein 4 mm dicker Aludraht, der von oben in der Mitte bis auf den beklebten Boden des Zylinders führt. Mit einem Bügel aus 4 mm Aludraht werden die Aussenflächen der Kondensatoren miteinander verbunden und gemeinsam auf Massepotential gelegt.



Der beklebte Zylinder bekam einen Boden aus 1 cm dickem Plexiglas, der genau in die Röhre eingepasst wurde. Das Ganze wurde dann in einen Plexiglasring gestellt und mit Silikon ausgefüllt, so dass ein Funke eine Strecke von 2 cm durch Silikon überbrücken müsste. Da Silikon ein guter Isolator ist und dabei auch noch flexibel, gab es seither keine Überschläge mehr, und die Flaschen konnten auf mehr als 100 kV aufgeladen werden. Die Verbindungsstange zur inneren Alufolie wird mit zwei Plexiglas-Ringen in der Mitte des Zylinders zentriert. Ausserdem wurde, zur Erhöhung der Kapazität, die Alufolie noch weiter nach oben gezogen. Dies erforderte natürlich auch wieder eine extra Isolation aus Plexiglas, um den Deckel gegen die äussere Alufolie abzuschirmen.


Die Entladeelektroden und die Verbindung der leitenden Elemente

Damit die Maschine hohe Spannungen aufbauen kann, sind scharfe Kanten, Ecken sowie Spitzen an den leitenden Teilen zu vermeiden. Denn durch sie kann sich wegen den auftretenden Sprühentladungen keine hohe Spannung aufbauen. Natürlich sind die Neutralisatoren und die Abnehmer davon ausgeschlossen, denn diese müssen Spitzen haben. Alle elektrisch leitenden Verbindungen und Abschlüsse sollten durch Kugeln realisiert werden. Gut eignen sich dabei Aluminium- oder Messingkugeln. Ich verwendete Messingkugeln, da diese billiger und einfacher zu beschaffen sind als Alukugeln. Stahl-, oder Eisenkugeln sind zu schwer und ausserdem lässt sich praktisch kein Loch in solche Kugeln bohren. Die Verbindung von Abnehmer, über den Kondensator, zur Entladestange auf beiden Seiten ist aus einer 6 mm Alustange gefertigt worden.



Auf den Bildern, die ich gesammelt hatte, waren die Entladeelektroden immer als Doppelkugeln ausgeführt. Ich habe mich also entschlossen, dies gleich zu tun. Die grössere Kugel hat einen Durchmesser von 2.5 cm und die Kleinere 1 cm. Die Kugeln sind mit einem 4 mm Aludraht miteinander verbunden und werden auf die 6 mm dicke Entladestange gesteckt.



An der Entladestange wird noch ein Griff aus Plexiglas befestigt, so dass man den Abstand der Elektroden bei Betrieb der Maschine einstellen kann. Die Entladestange wird mit einer Kugel mit 1.5 cm Durchmesser drehbar an der Querverbindung von Abnehmer und Kondensator verbunden.


Die fertige Maschine








Die Entladungen

Folgende Bilder zeigen die beeindruckenden Entladungen der Influenzmaschine. Von der Gestalt her haben sie grosse Ähnlichkeit mit echten Blitzen. Der Vorgang ist eine Kondensatorentladung, die sehr schnell abgschlossen ist. Die Spannung baut sich so schnell auf, sodass sich die freien Elektronen den Weg mit dem geringsten Widerstand durch die Luft suchen, wodurch diese charakteristischen Verästelungen entstehen, wie man es sich bei Blitzen gewohnt ist. Die Bilder sind Langzeitaufnahmen (5 - 10 Sekunden), sodass auf einem Bild mehrere Funkenüberschläge zu sehen sind.








Das folgende Bild ist eine Langzeitaufnahme der Influenzmaschine im Betrieb. Man sieht sehr schön die Koronaentladungen an den Neutralisatorspitzen und an den Rändern der Scheiben. Diese Koronaentladungen sind äussert unerwünscht, denn sie bedeuten einen Ladungsaustausch und damit eine 'entladung' des Generators. Da die Influenzmaschine sowieso nur sehr kleine Ströme liefern kann, haben solche Koronaentladungen schon grosse negative Auswirkungen auf die Effizienz der Maschine. Diese Entladungen vollständig zu unterdrücken ist praktisch unmöglich. Um dieses Problem zu lösen hatte man früher diese Generatoren in einem Druckbehälter in Wasserstoffgas unter Druck betrieben.



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