Vortrag zur Elektrostatik

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


1. Einleitung

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.

1.1 Begriffsdefinitionen

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.

2. Historisches

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.

3. Erste Versuche

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.

4. Elektroskop


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. 

Feldmühle 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. 

Prinzip 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.

6. Influenz

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.

6.1. Ausnutzung der Influenz

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.

6.2. Verschiedene Polarität

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.

 MPEG-Video 495kB
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.

6.3. Spannung und Kapazität

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. Influenzmaschine

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.

8. Faraday-Effekt

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. Kelvingenerator

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.

9.2. Weitere Beobachtungen

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.

10. Elektrostatischer Motor

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.

  1. Werden zwei identische Maschinen verwendet, so läuft sie in die umgekehrte Richtung, wie die Generatormaschine. Durch Auskreuzen der Neutralisatoren kann die Drehrichtung umgekehrt werden. Wird sie in der falschen Richtung gestartet, so kehrt sie um und läuft in der richtigen Richtung weiter.
  2. Sie ist prinzipiell nicht selbst anlaufend. Die Scheiben müssen in der durch die Lage der Neutralisatoren vorgegebenen Richtung gegengleich angedreht werden. Erst wenn die Segmente schon geladen sind und die Maschine schnell angehalten wird, läuft sie auch von selbst an. Wenn die langsam ausläuft, so wird sie wieder zum Generator, was auch hörbar ist, und dadurch gehen die Ladungen verloren. Da sie ja für den Generator in die falsche Richtung läuft, tritt die Spannung in einem Winkel von 90° zu den Abnehmern, also oben und unten auf.
  3. Die Scheiben synchronisieren sich in ihrem gegensinnigen Lauf von selbst auf annähernd gleiche Drehzahl. Wird eine Scheibe festgehalten, läuft die andere doppelt so schnell. Wird die festgehaltene Scheibe wieder in Bewegung versetzt, entzieht sie der anderen die Drehzahl.
  4. Ein steiler Winkel bei den Neutralisatoren, was einer Einstellung auf hohe Spannung beim Generator entspricht, ergibt eine höhere Drehzahl, ein flacherer Winkel eine geringere Drehzahl.
  5. Besonders interessant ist, dass es auch komplett ohne Neutralisatoren funktioniert. Dann erreicht die Maschine die höchste Drehzahl und ist in jeder Richtung zu starten, wird aber beim Auslauf nicht mehr zum Generator. Das zeigt uns, dass es auch ohne elektrischen Kontakt zu den Segmenten funktioniert.
10.2. Elektrostatischer Scheibenläufer

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.

10.2.1. Funktionsweise

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:

  1. Der Motor läuft immer nur in eine Richtung, egal wie die Spannung gepolt wird. Die Laufrichtung wird nur durch die geometrische Anordnung der Sprühelektroden zu den Elektrodenplatten bestimmt.
  2. Daraus könnte man schließen, dass er auch mit Wechselstrom funktionieren müsste. Ein Versuch mit dem CW-Teslatrafo bei 1,3MHz zeigte aber, das sich dann überhaupt nichts mehr tut. Mit dem Impuls-Teslatrafo hingegen ist eine ganz leichte Drehung festzustellen, was ich auf den zurückbleibenden Gleichanteil beim Zünden des Funkens zurückführe. Bei niedrigeren Frequenzen, wie etwa mit einem Ölofenzündtrafo bei 10kV und 50Hz erreicht er hingegen schon 200U/min.
  3. Weiters ist noch zu bedenken, dass dieses elektrostatische Prinzip nicht umkehrbar ist. Werden die Elektroden nach dem Hochlauf kurzgeschlossen, so bremst der Motor nicht stärker, wie es bei einem magnetischen Motor der Fall wäre. Auch wenn die Scheibe angetrieben wird, entsteht keine Ladungstrennung an den Elektroden !
  4. Noch viel interessanter ist, dass der Strom durch den Motor erst mit steigender Drehzahl zunimmt. Im Anlaufmoment ist der Strom so gering, das er nicht messbar ist. Erst wenn sich die Segmente in Bewegung setzen, werden Ladungen transportiert und es beginnt Strom zu fließen. Wird der Motor belastet, so sinkt dadurch zwangsläufig die Drehzahl und der Strom nimmt ab !
Dieses seltsame Verhalten wurde durch weitere Messungen untersucht. Für diese Diagramme wurde der Motor vom Zeilentrafo mit konstanter Spannung betrieben. Der Strom wurde in der Masserückleitung mit einem
µA-Meter und die Drehzahl berührungslos mit einem optischen Drehzahlmesser gemessen. Die einzelnen Kurven zeigen den Strom für eine fixe Spannung beim Hochlauf bis zur jeweiligen Maximaldrehzahl. Eine Anlaufstromüberhöhung, wie bei elektromagnetischen Motoren, fehlt vollständig.

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.

10.3.1. Funktionsweise

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.

11. Testatika

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

Kapazitiver Trafo 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.
 

11.2. Wellenbildung

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.

Schematische DarstellungLängsschnitt des Magnetrons
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.


Ing. Harald Chmela, August 2001
Elektrotechnikseite