Kelvin-Generator

Kelvin-Generator Der Wassertropfengenerator, wie der Kelvin-Generator oft auch genannt wird, ist ein relativ unbekannter elektrostatischer Hochspannungsgenerator. Jeder kennt die Wimshurstmaschine, den Bandgenerator (Van de Graf) oder ähnliche Geräte. Doch das Elektrizität auch durch die Verwendung von Wasser erzeugt werden kann, ist schon ein etwas seltsames Prinzip. Aber es funktioniert wirklich. Man dreht die Wasserhähne auf, und schon nach kurzer Zeit sind die beiden Auffangbehälter elektrostatisch aufgeladen. Es ist verblüffend zu sehen, wie allein durch das Tropfen des Wassers eine sehr hohe Spannung erzeugt wird, wo doch jeder meint Wasser und Elektrizität seien so gegensätzlich wie Tag und Nacht.

Theoretischer Hintergrund - Influenz
Das Prinzip, dass hinter dieser Art der Spannungserzeugung steckt, heißt Influenz. Es ist übrigens ein Prinzip, nachdem viele Hochspannungsgeneratoren arbeiten. Man bezeichnet deshalb die Wimshurstmaschine auch als Influenzmaschine. Influenz nennt man die Fähigkeit des elektrischen Feldes in anderen Körpern Ladungen hervorzurufen. (zu influenzieren)
Prinzip der Influenz Das soll diese Zeichnung noch weiter verdeutlichen. Bringt man eine punktförmige Ladung (schwarze Ladung) an eine ungeladene, 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 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. Daraus geht hervor, dass die Influenz ohne direkten Kontakt der beiden Materialien über den Raum wirkt, wie bei den Versuche mit dem Elektroskop zu sehen ist. Die Ladungen entstehen natürlich nicht von selbst, sondern erst durch die bei der Annäherung an die Platte aufgewendete Energie. Es ist klar, dass die influenzierte Ladung immer die umgekehrte Polarität der hervorrufenden Ladung haben muss, wie leicht mit einer Feldmühle nachgewiesen werden kann.

Funktionsprinzip
Das Influenzprinzip lässt sich jetzt leicht auf den Kelvin-Generator anwenden. Das Wasser selbst ist ja bekanntlich leitfähig, solange es Verunreinigungen wie Salze oder ähnliches enthält. Das Wasser ist also mit der leitenden Metallplatte aus dem obigen Beispiel vergleichbar. Das Wasser fließt aus den Hähnen und bildet irgendwann Tropfen. Das ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion ! Fließt es in einem kontinuierlichen Stahl, dann kann es nicht funktionieren, da beide Auffangbehälter über den Vorratsbehälter kurzgeschlossen sind !
Der Influenzring, ist mit der Punktladung im oberen Beispiel zu vergleichen. Er ist sozusagen der Erreger. Der auf Mittelpotential (bei ungeerdeten Vorratsbehälter) liegende Wasserstrahl darf sich erst  innerhalb des Ringes zu Tropfen abschnüren. Würde der Tropfen von oben nach unten durchfallen, so hätte er zwar eine Ladung innerhalb des Ringes, würde aber diese beim Verlassen wieder verlieren. Der Wasserstrahl ist vergleichbar mit dem ableitenden Berühren des Elektroskops, oder mit den Neutralisatorbürsten bei der Influenzmaschine.
Der soeben aus dem Strahl gebildete Tropfen im Ring ist durch die abschirmende Wirkung des Rings immer noch ungeladen. Erst wenn er den Ring verlässt, wird in ihm die entgegengesetzte Ladung influenziert. Die so im Tropfen gefangene Ladung kann nicht mehr abgeleitet werden und gibt beim Erreichen des Auffangbehälters seine Ladung an diesen ab.
Das funktioniert deshalb, weil das Innere eines leitfähigen Behälters keine Ladungen enthält. Er kann somit auch nur durch sehr kleine Ladungen immer weiter aufgeladen werden (Prinzip des Faradaybechers).
Die Energiegewinnung geschieht erst bei der Annäherung des Tropfens an den Auffangbehälter. Die Influenz selbst stellt ruft nur die notwendigen Ladungen im Wasser hervor. Da der Auffangbehälter die gleiche Polarität wie der Tropfen besitzt, versucht er ihn abzustoßen. Energie ist bekanntlich Kraft mal Weg . Die Kraft muss vom Tropfen aufgewendet werden, wenn er die Abstoßung vom Behälter überwinden will. Die Kraft wird natürlich von der Gravitation erzeugt. Der Weg ist jene Strecke, die der Tropfen zurücklegt, bis er das feldfreie Innere des Auffangbehälters erreicht. Dort wirkt dann natürlich keine Kraft mehr.
Der Behälter hat 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. Die erste Ladung entsteht immer zufällig uns so kann auch nicht vorausgesagt werden, mit welcher Polarität der Generator anlaufen wird. Mit einer Feldmühle kann man die Polarität der Spannung im Betrieb messen.
Ist einmal durch geringe Unregelmäßigkeiten in der Feldverteilung auf einer Seite eine kleine 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. Influenz auf der linken Seite verstärkt. Auf diese Weise bilden sich zwischen den beiden Auffangbehältern rasch sehr hohe elektrostatische Spannungen im kV-Bereich.  

Grundsätzlicher Aufbau
Einfacher Aufbau Beim Aufbau eines solchen Gerätes sollten zwei Dinge unbedingt beachtet werden. Diese gelten allgemein für alle elektrostatischen Generatoren. Die erzeugten Ströme sind ja meistens sehr gering, so dass jeder unnötige Ladungsverlust vermieden werden muss. Doch bevor Sie sich durch all diese Erklärungen davon abbringen lassen, so einen Generator zu bauen, möchte ich noch darauf hinweisen, dass es auch mit diesem sehr einfachen Aufbau funktioniert hat.

1.) Scharfe Kanten vermeiden
An allen Kanten und Spitzen bilden sich bei höheren Spannungen Sprühentladungen, die einen Teil der Ladungen wieder im Raum verteilen. Es sind deshalb nur Gefäße bzw. Ringe mit runden Kanten und umgebogenen bzw. dicken Rändern zu verwenden. Auch an sehr dünnen Verbindungsleitungen können Sprühentladungen auftreten. Besondere Beachtung ist dabei auf Wassertropfen zu richten, die sich auf leitenden Flächen gebildet haben. Da diese auch leitfähig sind, bilden sie spitzenförmige Erhöhungen, an denen Ladungen austreten können. Weiters kommt noch hinzu, dass sich die Tropfen bei höheren Feldstärken verformen können, was die Spitzenwirkung  noch weiter erhöht.
Die Spannung sinkt also durch diese oft auch als Koronaverluste bezeichnete Zusatzlast. Man darf deshalb eine eventuell verwendete Funkenstrecke zur Lastankopplung auch nur als Kugelfunkenstrecke ausführen. Für Kugeln siehe Bezugsquellenliste.

2.) Feuchtigkeit vermeiden
Das Wasser wird zwar für den Ladungstransport benötigt, doch auf den Isolierteilen kann man es nicht gebrauchen. Es lässt sich aber kaum vermeiden, dass es etwas herumspritzt. Es sind deshalb wasserabweisende Isolatoren wie Plexiglas oder Keramik zu verwenden. Durch den mechanischen Aufbau sollte man sicherstellen, dass keine Tropfen auf die Isolatoren gelangen können (abdecken der Isolatoren). Auch die bei längerem Betrieb entstehende Luftfeuchtigkeit kann zu unerwünschten Ableitungswiderständen an den Isolatoren führen. Dann empfiehlt es sich alle Isolierteile mit einem Föhn zu trocknen. Die Luftfeuchtigkeit ist auch der Grund dafür, warum es an manchen Tagen besser funktioniert als an anderen. Dem kann man ausweichen, wenn man einen Raum mit Klimaanlage besitzt. Denn in einer Klimaanlage kondensiert ein Großteil der Luftfeuchtigkeit am Wärmetauscher. Das erzeugt eine sehr trockene Luft, die ideal für elektrostatische Versuche ist.

Tropfenbildung

Da dieses Gerät nur durch die Tropfenbildung funktioniert, sollten wir diese ein wenig genauer besprechen. Tropfen bilden sich deshalb, weil für kleine Flüssigkeitsmengen die Oberflächenspannung gegenüber der Schwerkraft überwiegt. Eine kleine Wassermenge wird daher immer ihre Minimalfläche einnehmen. Das ist eben eine Kugel (kleinste Oberfläche). Wassertropfen sind im freien Fall fast vollständig kugelförmig und nicht tropfenförmig, wie viele meinen. Das ist auf den folgenden Bildern auch schön zu erkennen. (Beachten Sie auch den Schatten !)
Es gibt verschiedene Arten einen Tropfen zu erzeugen.

Wassertropfen 1.) Wenig Wasserzufluss
In diesem Fall bildet sich ein Tropfen nach dem anderen. Das bringt eine gleichmäßige Größe und regelmäßige Tropfzeiten. Im Bild ist auch schön zu sehen, wie der Abstand der Tropfen nach unten annähernd quadratisch zunimmt. Dieses Muster entsteht deshalb, weil jeder Tropfen für sich eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung (abgesehen vom Luftwiderstand) ausführt, die Tropen aber in einem gleichmäßigen Intervall abreißen.
Die Tropfen erreichen bei dieser Art die maximal mögliche Größe für die verwendete Düse. Eine größere Düse erzeugt auch größere Tropfen, doch das kann man nicht unendlich steigern. Der Luftwiderstand begrenzt die Größe von Wassertropfen auf etwa 2,5mm Durchmesser. Größere Tropfen zerteilen sich beim Fallen in mehrere kleinere.
Vorteil: Wenig Spritzer auf umliegenden Teilen, wenig elektrostatische Ablenkung
Nachteil: Geringer Ladungstransport durch das langsame Tropfen, daher lange Ladezeiten.
Dieses Prinzip eignet sich für hohe Spannungen, da die großen und schweren Tropfen nicht so leicht durch den Influenzring abgelenkt werden können und auch bei hoher Feldstärke noch in die Auffangbehälter fallen.

Wasserstrahl 2.) Dünner Strahl
Ein dünner Wasserstrahl wird bei seinem Fall immer mehr in die Länge gezogen, bis er sich schließlich zu Tropfen abschnürt. Dadurch entstehen unterschiedlich große Tropfen in einem sehr unregelmäßigen Muster. Die Lage des Abrisspunktes hängt von vielen Faktoren ab. Ein wesentlicher Faktor sind die mechanischen Vibrationen des ganzen Aufbaus. Diese verursachen Störungen im kontinuierlichen Strahl, was die Abschnürung beschleunigt. Den Abreißpunkt kann man übrigens sehr schön mit einem Stroboskop sichtbar machen. Hat man das nicht zur Verfügung, reicht auch eine starke Beleuchtung aus. Haben sich Tropfen gebildet, so glänzt der Strahl  viel stärker, da die Tropfen  mehr Reflexionen erzeugen.
Vorteil: Großer Ladungstransport durch viele Tropfen
Nachteil: Spritzer durch elektrostatische Ablenkungen der kleinen Tropfen
Dieses Prinzip erzeugt höhere Ströme, als das obige, kann aber nicht so gut für hohe Spannungen eingesetzt werden. Denn die kleinen Tröpfchen werden bei hohen Feldstärken so stark abgelenkt, dass sie nicht mehr in die Behälter treffen.

3.) Strahl mit Luft
Durch das Einbringen von Luftblasen in einen kontinuierlichen Wasserstrahl wird die Tropfenbildung verstärkt. Der Strahl benötigt dann keine so lange Vorlaufzeit, um Tropfen zu bilden. Leider ist es bei den geringen Strömungsgeschwindigkeiten nicht möglich, die Luft durch Unterdruck selbst anzusaugen. Es wird also ein Kompressor oder ein Druckbehälter benötigt. Dieses Prinzip vereint schnelles Tropfen mit gleichmäßiger Tropfengröße. Da aber Zusatzgeräte verwendet werden müssen ist es nicht sehr zu empfehlen. Ein elektrisch betriebener Kompressor macht sich nicht sehr gut in einem Generator, der eigentlich ohne Stromzufuhr arbeiten könnte.

Abmessungen

Zur Lage des Influenzringes
Die Influenz ist am größten, wenn der Ring dort angebracht ist, wo sich der Wasserstrahl gerade zu Tropfen abschnürt. Denn der kontinuierliche Strahl ist ja ein Leiter. Reicht dieser bis in den Ring oder kurz davor, so ist die Feldstärke an der Stelle der Tropenbildung am größten (Spitzenwirkung). Die Höhe des Ringes ist dabei gar nicht so wichtig. Es könnte auch ein dickerer Draht verwendet werden. Doch da man den Abreißpunkt des Strahles meist nicht sehr gut einstellen kann empfiehlt es sich, einen höheren Ring zu verwenden und den Abrisspunkt genau in seine Mitte zu legen. Bei sehr hohen Spannungen kann es vorkommen, dass die kleineren Wassertröpfchen zu stark vom Influenzring abgelenkt werden. Dann kann man ihn auch etwas unterhalb des Abrisspunktes anbringen, um die Feldstärke an der "Wasserspitze" zu verringern.
 
Vorratsbehälter 1l Küchenmaß aus Edelstahl, 114mm Außendurchmesser, 125mm hoch
Düsen Düsen von Schweißbrenner, Loch auf 2mm Durchmesser aufgebohrt
Der Austrittspunkt der Düse liegt 420mm über der Grundplatte, 
Der horizontale Abstand der beiden Düsen beträgt 250mm
Influenzringe "Faschingskrapfenform" aus Weißblech, 52mm Innendurchmesser, 40mm hoch 
Die Mitte der Influenzringe liegt 320mm über der Grundplatte
Auffangbehälter 1/2l Küchenmaß aus Edelstahl, 94mm Außendurchmesser, 95mm hoch
Isolatoren Plexiglas Rundstab 20mm Durchmesser, 50mm lang
Leuchtstofflampe 7W-Sparlampe, ohne Elektronik, ohne Heizung
Verbindungsleitungen Aluminium Rundstab mit 5mm Durchmesser

Viel mehr gibt es zum Aufbau wohl nicht mehr zu sagen, da er wirklich einfach ist. Dieses Modell wurde durchwegs aus Plexiglas gefertigt, doch im Prinzip müssen nur die Isolatoren unter den Auffangbehältern und eventuell auch die Halterungen der Auffangbehälter aus Plexiglas sein. Plexiglas hat den großen Vorteil, dass es nicht viel Feuchtigkeit aufnimmt. Andere Kunststoffe können durch Feuchtigkeitsaufnahme mitunter sehr leitfähig werden. Zum Anschluss der Sparlampe ist noch zu sagen, dass diese direkt zwischen den beiden Heizwendeln erfolgt. Die Röhre wird nicht beheizt, da sie sonst ja leitend wird.

Messung der Spannung mit der Kugelfunkenstrecke
Die hier erzeugten Ladungen sind so klein, dass sie schon durch den Innenwiderstand eines Voltmeters völlig abgeleitet werden. In so einem Fall ist es nur möglich, die Spannung aus der Funkenlänge zu bestimmen. Für so eine Messung sollte unbedingt eine Kugelfunkenstrecke verwendet werden, da die Messung sonst durch vorzeitige Überschläge an Kanten und Spitzen verfälscht wird. Zum Ablesen der Spannung dient folgendes Diagramm, dass die Abhängigkeit der Funkenlänge von der Spannung angibt. Diese Werte gelten natürlich nur als Richtwerte, da die wirkliche Funkenlänge auch noch durch andere Faktoren, wie z.B. die Luftfeuchtigkeit und die Zusammensetzung der Luft bestimmt wird. Zu beachten ist auch, dass diese Werte nur für Gleichspannung gelten. Bei Wechselspannungen sinkt die Durchbruchsfestigkeit mit der Frequenz ab. Das ist auch der Grund, warum Teslatrafos meterlange Funken erzeugen können ohne dazu im MV-Bereich arbeiten zu müssen.

zur Spannungs- und Funkenlängen Berechnung

Mit diesem Modell wurde unter sehr günstigen Bedingungen eine Funkenlänge von 2 x 5mm erreicht, was etwa einer Spannung von 30kV entspricht. Aber auch geringere Spannungen reichen aus, um die Sparlampe sichtbar aufblitzen zu lassen. Man sollte also eher einen hohen Strom, als eine hohe Spannung erzeugen. Dadurch werden auch eventuell vorhandene Verlust besser ausgeglichen, und die Lampe blitzt öfters.

MPEG-Video 869kB Dieses Video zeigt das Aufblitzen der Sparlampe bei den Entladungen. Die kleinen Funken zwischen den Kugelelektroden sind zu schwach, um sie darstellen zu können. Es ist aber der Überschlag der Funken hörbar.

Weitere Beobachtungen
Elektrostatische Ablenkung Interessant ist der Betrieb ohne Lampe. 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, landen aber sicher nie im Behälter (wegen der gleichen 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. Es ist deshalb sinnvoll den Generator nie komplett zu entladen, da er dann schneller wieder seine Spannung erreicht.
 

MPEG-Video 237kB Dieses Video zeigt, wie sich die Tropfen bei zu hoher Spannung zerstreuen. Besonders auf der linken Seite ist zu erkennen, wie sich die Tropfen unterhalb des Influenzringes auffächern. In die beiden Becher wurde etwas Trockeneis geschüttet. Das erzeugt den effektvollen Rauch. Für die Funktion ist das Trockeneis aber in keiner Weise erforderlich. Der Rauch sollte auf keinen Fall mit heißem Wasser erzeugt werden, denn durch den Wasserdampf beschlagen sich die Isolatoren, wodurch sich die Kriechströme erhöhen. Ein Großteil der Ladungen wird dann ungenutzt abgeleitet.

Der Kelvin-Generator verwendet viele physikalische Prinzipien, um auf sehr schöne und einfache Weise elektrostatische Spannungen zu erzeugen. Der krasse Gegensatz von Wasser und Elektrostatik macht diesen Generator zu einem sehr eindrucksvollen Demonstrationsobjekt, das noch dazu relativ unbekannt ist. (Ich könnte jetzt wieder schreiben: "Warum lernt man so etwas nicht in einer HTL ? {Vorwurf an die Elektrotechnik- und Physiklehrer.}" aber das will ich ja nicht....) 

Info zum Buch
Der Kelvin-Generator findet sich auch in diesem Buch, wo versucht wird, durch Grundlagenexperimente und neue theoretische Ansätze mehr Licht in das Thema der Freien Energie zu bringen. Nähere Informationen zum Buch.
Titel:  Grundlagen und Praxis der Freien Energie
Alternative Theorien und interessante Experimente
Autoren: Harald Chmela und Wolfgang Wiedergut
Verlag: Erschienen im August 2004 im Franzis Verlag
ISBN Nr.: 3-7723-4400-3


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