Elektrostatik

Hier gibt es Fachwissen auch ohne Experimentierkästen

Pendeln im Elektrischen Feld

Ungelesener Beitragvon hgd » 5. Jan 2014, 16:59

Elektrostatik (18)
Pendeln im Elektrischen Feld

25.11.2013

Hallo Liste,

Vorbemerkungen

gemeint sind "Ping-Pong-Versuche" im elektrischen Feld, reizvoll, weil sich so viel dabei bewegt, und "angetrieben" durch Influenz. Das elektrische Feld lässt sich durch die elektrische Feldstärke charakterisieren, einen Vektor. Deser zeigt nicht nur die Stärke des Feldes an seinem Ort, sondern auch dessen Richtung. Man kann sie als Pfeil zeichnen, oder einfach als ausreichende viele Linien, die "Feldlinien". Elektrische Feldlinien stehen immer senkrecht auf der Oberfläche von Leitern. Sie kreuzen sich nicht. Daneben bietet sich als alternative Beschreibung das elektrische Potenzial an. Feldlinien und die Flächen des elektrische Potenzials stehen senkrecht auf einander.

An Spitzen (Spitzenelektroden) ist bei gleicher Spannung die Feldstärke größer als zwischen den Platten eines Plattenkondensators. Man kann dann einfach an den Spitzen die Feldlinien dichter zeichnen. Mit Übung und Erfahrung lassen sich so Verläufe der Feldstärke und Flächen des Potenzials (im Querschnitt auf dem Blatt Papier Linien) zeichnen, wenn man daran Gefallen findet und so bereits intuitiv Lösungen finden, z. B. über den Feldlinienverlauf zwischen einer Spitzenelektrode und einer Plattenelektrode.

Nachdem es 8 Stunden gedauert hat, die Wohnungstür gegen eine neue Wand mit neuer Tür auszuwechseln, und ich die ganze Zeit vor dem offenen Höhleneingang meiner Wohnhöhle ausharren musste, damit kein ungebetener Höhlenbär eindringt, war der gesamte Abend und die Nacht dem Experimentieren gewidmet.

Es beginnt mit der Wiederholung eines Versuchs aus dem Kasten "Elektro-Zauber", aber es werden weitaus mehr Gegenstände in Kondensator aus Kreisplatten im "Zauberring" gehangen, um Ping-Pong zu spielen. Auch ein paar Überschläge sind nicht ausgeschlossen.

Styroporkügelchen im Alu-Mantel

Das hört sich etwas gastronomisch an und ist der originale Versuch aus dem "Elektro-Zauber". Der Abstand der Kreisplatten im "Zauberring" beträgt 95 mm. Die Feldstärke bei 18 kV beträgt gem. der Formel E = U / d = 18 kV / 0,095 m = 190 kV / m bzw. 0,19 kV / mm bzw. 190 V / mm. Kein Wunder, dass Überschläge zwischen beiden Platten ausbleiben. Fürs Pendeln mit der kurzen isolierenden Nylonschnur ist der Abstand zu groß. Bei 55 mm setzt dann das Pendeln ein. Die Feldstärke beträgt nun 327 kV / m bzw. 327 V / mm. Das treibt auch noch keinen Angstschweiss auf die Stirne.

Ich stelle nun den Spannungsregler am 18-kV-Netzteil auf Null und verringere den Abstand der Platten auf 30 mm. Der interne Kondensator des Netzteils entlädt sich nun durch den Ladungsausgleich, den das pendelnde Kügelchen in kleinen Portionen aber in rasend schneller Bewegung durchführt, eine Nachlieferung von Ladung erfolgt nicht mehr. Das kleine leichte Pendel trommelt nur so vor sich hin. Erst nach 2 Minuten ist ein Langsamerwerden der Pendelschwingungen festzustellen. Und erst nach 6 Minuten (für diesen Versuch wird die Zeit jedesmal an einer DCF77-Uhr genau abgelesen) kommt das Kügelchen zur Ruhe.

Wie lange würde dieses Schwingen wohl dauern, befände sich parallel zum Kondensator aus den beiden Kreisplatten nicht nur der interne Kondensator im Netzteil (564 pF) sondern zusätzlich noch der externe Hochspannungskondensator von 2 nF? Mir fehlt die Zeit, den Versuch erneut zu starten, diesmal mit dem zusätzlichen Hochspannungs-Kondensator. Außerdem ist der aktuelle Versuch ja auch noch lange nicht zuende.

Anmerkung zu DCF und zu DCF77

Oben erwähnte ich die DCF77-Uhr. DCF77 ist das Rufzeichen des Zeitzeichensenders der Telekom in Mainflingen, der von einigen Atomuhren der PTB (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt) synchronisiert und moduliert wird. DCF gab es auch als Rufzeichen. Zunächst hörte hierauf das Feuerschiffs Borkumriff. Viele Jahre später war es das das Rufzeichen von Norddeich Radio für den Funkfernschreibverkehr, bis dieser eingestellt wurde [2].

Welche Spannung weist der Plattenkondensator auf?

Ich schiebe die Kreisplatten ohne andere Änderungen auf 20 mm zusammen: mit extrem hoher Frequenz, das Auge kann der Bewegung nicht mehr folgen, schwingt das Kügelchen wieder an und pendelt surrend hin und her.

Man könnte auf die Idee kommen, beim jetzt verringerten Abstand die Feldstärke erneut zu berechnen. Aber mit welcher Spannung? Außerdem schwingt trotz der Entladung, die zum vorläufigen Stillstand der Pendelbewegung führte, nach dem Zusammenschieben das kleine Pendel offenbar mit "neuer Kraft" wieder an? Ist das nicht seltsam? Diese Fragen lasse ich zunächst noch unbeantwortet.

Es ließe sich noch etwas anderes berechnen: die Anfangsspannung von 18 kV, die Kapazität des Kügelchens (ein Kugelkondensator), die bei dieser Spannung gespeicherte Ladung, die Frequenz der Pendelbewegung, der Ladungsausgleich pro Schwingung, pro Senkunde, pro Minute usw. Aber auch darauf verzichte ich. Das könnte später mal geschehen.

Fortsetzung des Pendelversuchs

Nach 11 Minuten (seit Abschaltung des Netzteils) tritt erneut Stillstand ein. Ich schiebe nochmals die Platten zusammen, jetzt auf 13 mm Abstand. Die Spannung dürfte nach Anzeige des Elektrometers jetzt ca. 6 kV betragen. Wie hoch wäre jetzt die Feldstärke? Die Spannung ist niedriger, der Abstand aber ebenfalls. Ist die Feldstärke nochmals gestiegen, oder gefallen? Ich komme auf 460 kV / m. Allerdings rate ich, die beiden Fragen oben nicht zu vergessen.

Aber der Versuch ist immer noch nicht abgeschlossen. Der gesamte Verlauf bis zum Ende kurz zusammengefasst ...

Stillstand nach ... neuer Plattenabstand
- 30 mm
6 Minuten 20 mm
11 Minuten 13 mm
15 Minuten 11 mm
17 Minuten 9 mm
18 Minuten 8 mm
19 Minuten 5 mm

Rasend schnell surrt es zwischen den Platten, und kurz danach ist endgültig Schluss. Und eine weitere Einengung des Zwischenraums ist sinnlos, sie klemmt das Kügelchen zwischen den Platten ein: keine Bewegungsmöglickeit, Kurzschluss und nun wirklich keine Spannung mehr.

Das war wegen der langen Warterei ein sehr anstrengender Versuch. Wie länge hätte das statt mit 564 pF mit 2.564 pF gedauert? Imo mindestens 5 mal so lange. Das will ich mir nun wirklich nicht antun. Aber interessant war der Versuch (auch mit seinen Anregungen) allemal. Und ist es immer noch, denn eine Frage wartet noch auf ihre Beantwortung.

Die Spannung zwischen den Kondensatorplatten

Hängt ein Kondensator an einer Spannungsquelle, sorgt diese für die Konstanz der Spannung. Wird der Abstand der Platten vergrößert, ohne Verbindung des Kondensators mit anderen Geräten bzw. Bauelementen, so bleibt die Ladung erhalten, die Kapazität sinkt und damit steigt die Spannung an (die Ladung Q = C * U, die Kapazität C ~F / d).

Das hatte ich bereits in zwei Versuchen mit dem "Elektro-Zauber" (gemessen mit einem Elektrometer) gesehen. Ein faszinierender Versuch. Ich möchte das mit dem 20-kV-Voltmeter genauer und mit Messprotokoll wiederholen.

Eine effektvolle "Arabeske" soll dann auch sein, parallel zum Kondensator (vielleicht ohne Voltmeter) eine Funkenstrecke mit kleinen Kugelelektroden anzuschalten. Die Kugeln sollen eine spannungsabbauende Koronaentladung vermeiden. Vielleicht bestimme ich aber auch den Abstand der Kugelelektroden für einen Durchschlag bei 20 kV, dann könnte das Voltmeter angeschaltet bleiben.

Dieser Versuch würde so erfolgen: bei 5 mm Plattenabstand lade ich den Kondensator auf maximal 18 kV auf (es darf kein Durchschlag erfolgen). Das Netzteil wird abgetrennt und die Platten sofort auseinander gezogen. Dabei sollte an der Kugelfunkenstrecke ein kräftiger Durchschlag stattfinden. Das wäre dann ein gelungener Versuch.

Natürlich muss mit einer niedrigeren Anfangsspannung der Versuch wiederholt werden (dann ohne Kugelfunkenstrecke), um einige Erhöhungsschritte am Voltmeter messtechnisch verfolgen zu können, ohne dessen Messbereich zu verlassen. Das Instrument hat zwar intern eine Funkenstrecke, aber dieses wertvolle Instrument will ich nicht überlasten.

Beim obigen Versuch wurde der Plattenabstand nicht erhöht, sondern verringert. Hierbei steigt die Kapazität des Kondensators, bei konstanter Ladung bleibt der Spannung gar nichts anderes übrig, als abzunehmen. Auch das möchte ich am Voltmeter messtechnisch verfolgen.

Wie wirkt sich die Spannungsreduzierung durch Verringerung des Abstands auf die Feldstärke aus?

Die Spannung nimmt ab, der Abstand "auch", die Feldstärke könnte gleich bleiben. Stimmt das? Was bedeutet das für das kurze Pendel aus dem metallisierten Styroporkügelchen? Da spielt ja die Influenz auf dem Kügelchen, seine Masse und die Länge des Pendelfadens eine Rolle. Das ist dann schon wieder etwas komplexer, als sich einfach nur am Ping-Pong-Spiel im Feld des Plattenkondensators zu erfreuen.

Gruß
Hans-Günter

[2] Feuerschiff Borkumriff, Gregor Ulsamer, Eigenverlag [Interessenten an diesem Buch würde ich privat die Bezugsquelle mitteilen].
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Kugelkette im Elektrischen Feld

Ungelesener Beitragvon hgd » 7. Jan 2014, 01:15

Elektrostatik (19)
Kugelkette im Elektrischen Feld

25.11.2013

Hallo Liste,

dieser Bericht ist die Fortsetzung des Berichts Elektrostatik (18) einem der vorhergehenden Berichte über Versuche am 25.11.2013). An der Aufhängung diverser Pendelkörper an einem Galgen wurde nichts geändert.

Kugelkette (Perlenkette) solo

Die "Kugelkette" besteht aus ca. 7 mm Durchmesser großen Kunststoffkugeln mit metallisierter Oberfläche, vermutlich überdeckt von einer dünnen nichtleitenden Schutzschicht. Dies müsste in einem früheren Bericht stehen (24.11.2013), tut es aber nicht. Der Abstand zwischen den jeweils benachbarten, auf einem nichtleitenden Faden aufgereihten Kugeln beträgt 3 mm. Diese "Kugelkette" hängt zwischen den senkrechten Kreisplatten des "Zauberrings" (aus dem "Elektro-Zauber"). Der Abstand der Platten ist 35 mm.

Bei einer Spannung von 18 kV DC tut sich nichts, auch beim ersten leichten Anstoß keine Änderung. Schließlich führe ich sie bis zum Kontakt mit einer der beiden Platten. Und dann endlich schwingt die "Kugelkette" an und schlägt mit sehr lauten Klacken und hellem Klingen der Kreisplatten in deren mechanischen Resonanz (die Platten dienen quasi als Klangschalen) auf deren inneren Oberflächen auf.

Ich schaue auf die Funkuhr und stelle den Spannungsregler des 18-kV-Netzteils auf Null. Die Spannung beträgt laut Elektrometer ca. 15 kV. Je nach Zustand der aktuellen Schwingung der vielgliedrigen Kette steigt und sinkt die Pendelfrequenz.

Zwei Minuten später schiebe ich die Platten auf einen Abstand von 20 mm zusammen: das Pendeln wird schneller. Mal schlagen alle Kugeln parallel (also zur selben Zeit), dann wiederum schlagen sie nacheinander auf die Platten auf. Das gibt schöne Schwingungsbilder und entsprechend schöne, abwechslungsreiche "Klangbilder". Bei einer Spannung von ca. 8 kV bleibt die Kette nach ca. 5 Minuten stehen.

Erneutes Zusammenschieben auf einen Abstand von jetzt 9 mm entfacht ein rasendes Stakkato, dass nur eine Minute später (6 Minuten seit Beginn) endet. Und damit ist Schluss, näher bekomme ich die Platten wegen der Kugeln nicht mehr zusammen.

Kugelkette mit vielen Funken

Neuer Lauf, neues Glück. Bei einem Anfangsabstand von 20 mm wird der Kondensator mit 18 kV gespeist. Jetzt wirds noch lauter als bisher, heftigstes Schwingen ist zu sehen und zu hören. Funken entlang der isolierenden Kordel des Galgens und entlang des Aufreihfadens der Kugelkette führen schliesslich zur Selbstzerstörung: die Kugelkette fällt vom Galgen herunter. Damit ist wieder einmal ein Versuch beendet, aber nur vorläufig :-)

Kugelkette im Funkenrausch

Manche Hochspannungsfreunde beitzten imho einen leicht destruktiven Hang, den ich jetzt auch bei mir deutlich verspüre. Hochstromfreunde sind auch nicht ganz davon frei, immerhin zerstören sie häufig Nägel und Blechdosen, wobei die Kondensatoren auch auf Hochspannung aufgeladen werden. Das müssen aber besondere Kondensatoren sein, bei denen die internen Verbindungen nicht bereits vor den Nägeln durchbrennen.

Mein erster Gang im Deutschen Museum führte immer in die Hochspannungshalle, wo ein vielleicht bereits ertaubter Museumswärter die Technik des 1-MV-Impulsgenerators erklärte, um anschliessend mit trotz stoischer Ruhe leicht beunruhigend klingenden Stimme erklärte: "Sie erleben jetzt einen Überschlag von ca. 1 Millionen Volt, bitte erschrecken sie nichtl". Bevor man diese Aussage intellektuell verarbeitet hatte, schallte bereits ein ohrenbetäubender peitschenartiger Knall durch die Hallen. Sollte dieser Versuch heute noch so durchgeführt werden, wie zwischen 1968 und 1977, dann würde heute sicherlich ein vorheriger Anruf der Museumsverwaltung bei der 110 erfolgen müssen. Das besonders Destruktive an dem Versuch, war sein Zielobjekt: ein Papphäuschen, dass beim ersten Einschlag dank seines geerdeten Blitzableiters die 1 MV überlebte, im zweiten Durchgang ohne Blitzableiter aber in Flammen aufging.

Ähnlich desktrutiv war auch der Beginn der Party im Hochspannungsinstitut der RTWH Aachen, wo ebenfalls ein Blitz in eine größere Pappschachtel gejagt wurde, die dabei auseinanderfiel und den Blick auf ein darunter zunächst verborgenes, natürlich metallenes Bierfass (Faradayischer Käfig !) frei gab. Dessen Daseinszweck war, sofort nach Freigabe der Hochspannungshalle (Sicherheitsvorschriften) vom Institutsleiter persönlich angezapft zu werden. Damit war dann die Party eröffnet. So etwas bringen nur Hochspannungsingenieure zustande ... :-)

Zurück zu meiner kleinen "Hochspannungshalle". Bei 20 mm Abstand und 18 kV funkt es zunächst nicht. Die Reduzierung des Abstands auf 18 mm führt zur gelegentlichen Funkenbildung. Die einzelnen Kugeln schlagen aber in einem wahnsinnig schnellen und lauten "Trommelfeuer" auf die Kreisplatten auf. Als sei dies nicht genug, schiebe ich die Platten auf 13 mm zusammen. Eine Feldstärke von 1385 kV / m bzw. 1.385 V / mm wird erreicht. Die "Nähmaschine" erreicht ihre Höchstdrehzahl mit einem Höllenspektakel. Langsam mache ich mir Gedanken, ob das Tragen von Gehörschutz jetzt nicht sinnvoll wäre. Funken springen gleichzeitig von der linken Platte und von der rechten Platte auf dieselbe Kugel über, die gerade auf dem Weg von der einen zur andere ist. Dies ist einer meiner spektakulärsten Versuche und ganz oben auf den Charts, mit dem Zusatz "multimedial": man sieht, hört und riecht etwas (NOx).

Aber noch ist das Ende der Fahnenstange nicht erreicht, denn der Plattenabstand wird weiter, nun auf 11 mm verringert: waagerechte Platte-Kugel-Platte-Funken bestimmen das Bild. Im Dunkeln ist das ein Gedicht: bis zu drei Kugeln sind gleichzeigig involviert, an einer Kugel springen die Funken an bis zu drei Stellen gleichzeitig über. Und es sind nicht etwas nur die drei selben. Ich vergrößere die Spannung und setzte die Sonnenbrille auf.

Nochmals wird der Abstand auf inzwischen 10 mm verrringert, aber gleichzeitig auch die Spannung auf ca. 5 kV reduziert. Funken sind jetzt keine mehr zu sehen. Dafür aber ein mechanische stehende Welle der Kugelkette. Und es ist immer noch sehr laut: wahrlich kein Versuch für die Zeit nach Mitternacht.

Die Platten werden wieder auseinander geschoben, auf 16 mm. Ich schalte das Netztteil aus, nur noch der interne Kondensator von 564 pF wird durchs Pendeln entladen. Nach 101 s schiebe ich die Platten auf zunächst 11 mm und dann auf 8 mm zusammen. Nach 180 s ist dann endgültig Schluss.

Jetzt "freigeschaltet" ist endlich der Augenblick gekommen, sich die Kugeln der Kugelkette genau anzusehen. Die obersten drei Kugeln befinden sich in einem desolaten Zustand. Ihre Metallisierung ist bis auf einen Gürtel (parallel zu den Platten und in der Mitte der Kugeln) weggebrannt. Dies erklärt auch die im späten Versuchsverlauf auftretenden Mehrfachfunken pro Kugel. Für einen erneuten Versuch mit Platte-Kugel-Kugel-Platte-Entladungen (3 Teilfunkenstrecken) ist somit eine vollständig intakte, neue Kugelkette erforderlich.

Ich beginne, mich nach etwas Stabilerem umzusehen

Gruß
Hans-Günter
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Schwingungen im Gleichtakt und in Gegenphase

Ungelesener Beitragvon hgd » 8. Jan 2014, 19:39

Elektrostatik (20)
Leitende Ketten im Elektrischen Feld
Aufladung eines Hochspannungskondensators
Schwingungen im Gleichtakt und in Gegenphase


Hallo Liste,

25.11.2013

der letzte elektrostatische Pendelversuch, der mit der Kugelkette, hatte sich als ziemlich zerstörerisch erwiesen (für die Kette). Um weiter zu "pendeln", musste ich mich nach einem stabileren Pendelobjekt umsehen. Und fand im Badezimmer eine Stöpselkette.

Stöpselkette solo im E-Feld

Der Aufbau hat sich gegenüber "Elektrostatik (19)" nicht geändert. Nur hängt jetzt die Stöpselkette vom Galgen herunter in den Raum zwischen den Kreisplatten des "Zauberkreis" vom "Elektro-Zauber". Die Kugelkette ist (diesmal) so lang, dass sie noch 4 cm aus dem Plattenkondensator nach unten heraus hängt. Der Abstand der beiden Kreisplatten beträgt 17 mm. Bei 5 kV angestossen, pendelt das unten heraushängende Kettenteil weiter. Es ergeben sich dabei "schöne" stehende Wellen. Dennoch ergeben sich Änderungen im Erscheinungsbild. Und weil die Stöpselkette (im Gegensatz zur Kugelkette vom letzten Versuch) ausschliesslich aus elektrisch leitenden Teilen besteht, also einen durchgehenden Leiter bildet, funkt es häufig.

Dies ist der Fall, wenn die Stöpselkette z. B. oben die Kathodenplatte und unten die Anodenplatte berührt und dadurch die inzwischen auf ca. 8 kV hochgedrehte, vom 18-kV-Netzteil gelieferte Spannung kurzschliesst. Das zeigt wieder einmal, wie wichtig es ist, in die "obere" Spannungszuleitung einen Schutzwiderstand von 2 GigaOhm eingeschleift zu haben.

Schwingungsmodi

Ein Hochspannungsnetztteil mit kontinuierlich einstellbarer Spannung ist bei dieser Art von Versuchen wirklich eine feine Sache. Jede Spannung hat ihre eigenen, charakteristischen Schwingungsmodi im Repertoire. Bei 18 kV funkt es ständig und laut. Häufig schlagen Funken über die gesamten 17 mm Abstand hinweg, zumindest sieht es so aus. Durch die handfesten Kurzschlüsse zwischen den Platten zappelt das Elektrometer (welches die Spannung zwischen den Platten anzeigt) ordentlich hin und her. Also gibt es jetzt im Versuch nicht nur einen, sondern zwei Zappelphillipe. Das ist ein deutlich spürbarer Unterschied zum Versuch mit der Kugelkette und zeigt sich auch in der erhöhten Gehäusetemperatur vom Netztteil und der riechbaren Produktion von NOx, die gelegentliches Lüften erfordert. Wer es gern "wild" mag, dem sei dieser Versuch ans Herz gelegt.

Vergrößerung des Plattenabstands

Bei größerem Abstand gibt es keine Überschläge, dies ist bei 32 mm und bei 38 mm Abstand der Fall (beidesmal mit 18 kV). Aber die Stöpselkette schwingt dennoch, nur langsamer, tuckert wie ein großer Schiffsdiesel im Leerlauf vor sich hin. Und selbst bei einem Abstand von 110 mm bleibt dieser "Motor" nicht stehen.

Auch ohne Funken (Kurzschlüsse) bewegt sich das Elektrometer, weil ja jedesmal die gesamte Kette, auch der lange, oben im Innern des Galgens mit U-Profil untergebrachte Teil umgeladen werden muss. Ein weiterer Unterschied zur Kugelkette.

Auch bei einem Abstand von 145 mm schlägt die Stöpselkette immer noch hart und laut auf die Platten, die nicht mehr weiter auseinander beschoben werden können. Wirklich beeindruckend. Dann stelle ich den Spannungsregler auf Null. Und kurz danach setzt das Pendeln bei immerhin noch ca. 15 kV (Feldstärke 103 kV / m bzw. 103 V / mm) aus.

Ms-Schelle

Weil alles so einfach und schnell von der Hand geht, wird das noch ungenutzte Ms-Schellchen (aus einem Hunde- oder Katztenspielzeug, ein Knusperherz wie früher für unseren Welli gibt es nicht mehr) in eine Schlaufe aus der mit ihrem Ende mittels Tesafilm am Galgen befestigten Stöpselkette ins E-Feld des Plattenkondensators gehängt. Der Plattenabstand beträgt 25 mm, die Spannung wieder 18 kV. Und einem langsamen Pendeln und lautem Tackern der Kette. Aber es "klingelt" mehr als bei allen anderen Glöckchen- und Schellchen-Versuchen bisher und klingt schon ziemlich ähnlich einer winterlichen Schlittenfahrt mit 2 PS ...

Und es gibt doch Funken, aber nur kurzzeitige, im Dunkeln sichtbare Funken.

Im Schwingunsknoten und bei Resonanz mit maximaler Amplitude

Bei 20 mm Plattenabstand fängts jetzt aber kräftig an zu funken. Neue Schwingungsmodi stellen sich ein. Das Schellchen schwingt kaum noch, kommt zur Ruhe, hängt jetzt in einem sog. Schwingungsknoten. Bei 30 mm Abstand ist das Pendel in einer Resonanz mit maximaler Amplitude des Schellchens. Wie einem Drehko kann hier die mechanische Fequenz auf Resonanz durch Veränderung der Kapazität des Plattenkondensators abgestimmt werden. Zumindest modellhaft sich vorstellen. Wieder einer der Versuche, bei denen elektrostatische und mechanische Phänomene auf einander treffen und sich auch beeinflussen.

Mich erstaunen immer noch die Überschläge über kurze Entfernungen bei großen Abständen zwischen den Platten von z. B. 45 mm. Es muss der Umladestrom sein, der für kurze Zeit als Funke zwischen Schellchen und Kondensatorplatte fliesst. Wie wäre es, könnte ich die Kapazität der Stöpselkette erhöhen, durch Parallelschalten des 2-nF-Hochspannungskondensators?

Stöpselkette parallel am 2-nF-Kondensator

Der Abstand zwischen Stöpselkette und Masseplatte des Plattenkondensators (Gehäusebuchse des 18-kV-Netzteils, minus 18 kV) beträgt jetzt 40 mm, bei einem Plattenabstand des Kondensator von 45 mm, eine ziemlich asymmetrisch Andordnung diesmal, die Kette befindet sich jetzt also nicht in der Kondensatormitte. Von der Aufhängung der Stöpselkette im Galgen führt ein Kabel zum "hohen" Ende des
2-nF-Kondensators, dessen anderer Anschluss auf Masse liegt.

Die Stöpselkette schwingt sehr langsam. Mit kräftigem Funken berührt sie die Anodenplatte und lädt sich und den 2-nF-Kondensator an den +18 kV auf. Nach erfolgter Aufladung wird das Pendel von der Anodenplatte abgestossen und von der Masseplatte (Kathodenplatte) angezogen. Bei deren Berührung wird die gesamte Ladung des 2-nF-Kondensators brutal nach Masse kurzgeschlossen, der Kondensator also wieder entladen. Ein normaler Kondensator hielte das nicht lange aus. Es bedarf eines besonderen Aufbaus, damit die (internen und externen) Anschluss"drähte" nicht durchschmelzen bzw. verdampfen. Da die "2 nF" aus der Kondensatorbank eines Lasers stammen, müssten die das bei mir aushalten.

Das Schwingungsverhalten der Stöpselkette bei einem Plattenabstand von 35 mm ist etwas besser, aber eine Änderung der mechanischen Schwingungsfrequenz ist nicht erkennbar. Bei 20 mm findet ein Moduswechsel statt, die Frequenz der Stöpselkette springt auf die doppelte Frequenz. Wiederum ein interessanter Effekt.

Aufladung und Entladung des 2-nF-Kondensators

Es sieht so aus, dass die sichtbare mechanische Schwingung wesentlich durch den deutlich längeren Aufladungsvorgang des 2-nF-Cs aufgrund seiner höheren Kapazität dominiert wird. Die gesamte Kapazität ist jetzt ja 5 Mal größer, als es nur mit dem internen C des Netzteils der Fall war.

Ich muss erneut an die große Gefahr von Hochspannungsversuchen mit Gleichspannung und Kondensatoren erinnern. Das Entladung eines Kondensators muss um einen dauerhaften Kurzschluss seiner Anschlüsse ergänzt werden. Umladungsvorgänge im Dielektrikum führen dazu, dass sich der Kondensator wieder auflädt und wie aus dem Nichts erneut Hochspannung an seinen Anschlüssen zeigt.

Der Versuch wird ohne Schellchen fortgesetzt und das Verhalten von Spannung und Stöpselkette genauestens verfolgt. Der Plattenabstand beträgt jetzt 40 mm.

Bei 18 kV setzt ein holpriges Schwingen ein: Die Stöpselkette bleibt längere Zeit an der Anodenplatte hängen, löst sich langsam Kügelchen um Kügelchen ab und schwingt hinüber zur Kathodenplatte. Dort macht es dannn laut und hell PATSCH!

Die Zeit des "Klebens" an der Anodenplatte ist die erforderliche Zeit, um den parallelen 2-nF-Kondensator auf 18 kV aufzuladen. Dies ist keine Vermutung, sondern lässt sich wunderbar deutlich am zunehmenden Ausschlag des Zeigers vom Elektrometer verfolgen. Dies mit der zunehmenden Ablösung der Stöpselkette von der Anodenplatte ist ein wirklich schöner Versuch zum Thema "Aufladung eines Kondensators" in Verbindung mit "Elektrostatik". Die Stöpselkette vibriert beim Zurückschwingen zur Anodenplatte an bzw. vor dieser, die Kette wird wegen gleicher Spannung und Polarität von der Anodenplatte abgestossen. Eine Ruhelage der Kette an dieser Platte verstärkt die Chance einer vollständigen Kondensatoraufladung. Es gibt also wiederum einige Parameter, mit denen "gespielt" werden könnte.

Idee für neuen Versuch

Dies kommt mir in bester Formulierung bei der Erfassung der Versuchsniederschrft. Ich möchte mit dem elektrostatischen 20-kV-Voltmeter parallel zum und mit unterschiedlichen Vorwiderständen in Reihe mit dem 2-nF-Kondensator diesen auf 18 kV aufladen und möglichst die Spannung in Abhängigkeit vom Wert des Vorwiderstands und der Zeit erfassen. Sollte das nicht in einem Aufladungsvorgang möglich sein, würde ich das mit mehreren Vorgängen durchführen. Das Ergebnis, die Spannung als Funktion von R und t - U = f (R, t) würde ich als Kurvenschar in einem Diagramm darstellen und hier präsentieren. Eine effektvolle Arabeske dürfte es sein, als Ersatz des 20-kV-Voltmeters eine Kugelfunkenstrecke mit zuvor bestimmter Durchschlagsspannung (bei verschiedenen Abständen) parallel zum Kondensator zu schalten. Man schaltet die Spannung ein bei hh:mm:00 und schaut auf die Uhr, bis es knallt und notiert sich die Zeit dieses Ereignisses als hh:mm:t1t2. Oder man nutzt beide "Spannungsmesser" gemeinsam.

26.11.2013

Pendelversuche im inhomogenen Feld

Zuletzt befanden sich 1 Stöpselkette im homogenen E-Feld zwischen 2 Kreisplatten im "Zauberring" des "Elektro-Zaubers". Jetzt hänge ich 3 Kugelketten, jede ca. 130 mm lang, am Galgen auf. Der Abstand zur nächsten Nachbarkette beträgt 30 mm. Diese kurzen Ketten müssten eigentlich Kügelchenketten heissen. Die Kügelchen sind noch etwas kleiner als die Kügelchen der Stöpselkette (natürlich voll metallisch und leitend verbunden). Nur es hing nie ein Stöpsel unten dran. Sie stammen aus einer entsorgten Vertikaljalousie.

Mit diesem Versuch wird das homogene E-Feld des Kondensators im "Zauberring" verlassen. Die Ketten erzeugen ihr elektrisches Feld jetzt selbst, in dem sich ihre Teammitglieder aufhalten und bewegen. Sie sind sich selbst genug. Und das E-Feld ist nicht mehr homogen wie im Plattenkondensator, sonder ziemlich inhomogen. Was vom Aufbau erheblich einfacher aussieht und auch ist, wird sich als ausgesprochen dynamisch erweisen. Ich freue mich bereits darauf.

3 parallele Kugelketten neben einander

Die beiden äußeren Kugelketten werden ans 18-kV-Netzteil angeschlossen, Minus (Masse) kommt an die linke und +18 kV an die rechte Kette. Der "Kondensator" besteht jetzt also aus zwei Ketten, zwischen denen sich als isoliertes Pendel eine mittlere Kugelkette befindet. Aber die äußeren Kugelketten sind (anders als die Kreisplatten der voran gegangenen Versuche) nicht starr, auch sie dürfen sich jetzt bewegen und beim Arobic mitmachen. Alle drei Kugelketten können mit allen Freiheitsgraden schwingen und sich bewegen, gerade gestreckt, zur S-Kurve gebogen, zwei spiegelsymmetrische S-Kurven sich berührend u. v. m. Damit kann und muss einfach experimentiert werden. Was wird passieren: bei verschiedenen Spannungen, mit und ohne Anstoßen, bei doppelten Berührungen und vermutlich auch bei kräftigen Entladungen?

Bei 10 kV hängen alle drei Kugelketten senkrecht nach unten. Die mittlere, isolierte Kette zeigt einen Drang nach links, zur Kathodenkette, geradlinig gestreckt, aber eben nicht senkrecht nach unten. Das sieht bereits interessant, weil irgendwie absonderlich, aus.

Bei 18 kV hängt die mittlere Kette senkrecht nach unten, dafür streckt sich nun die Anodenkette und ist aus der Senkrechten nach links, zur Mitte hin "geneigt" bzw. gedreht. Offenbar ist ihr aufgefallen, dass die mittlere Kette von der linken Kathodenkette durch Koronaentladung auf negatives Potenzial aufgeladen wurde und dadurch an Attraktivität zugenommen hat.

Alle drei Ketten sind jetzt elektrostatisch geladen. Es "knistert" zwischen ihnen. Die Influenz beginnt ihr Spiel. Ich kann nicht mehr länger warten und bringe die mittlere Kette mit dem Kunststofflineal ein Stück nach rechts in Richtung zur Anodenkette hin und lasse sie dort los.

Und jetzt fängt alles an elektrostatisch zu schwingen. Die Ketten bleiben kurz aneinander "kleben", lösen sich wieder und schwingen in ihren (durch gleiche Länge) gleichen mechanischen Resonanzfrequenzen. Manchmal berühren sich sogar Kathodenkette und Anodenkette mit einem kleinen knatternden Funken als Folge dieser dynamischen Dreierbeziehung. Dies lässt sich auch der Anzeige des Elektrometers entnehmen, dessen Zeiger immer in Bewegung ist. Permanent findet Ladungsausgleich statt. Und wenn es nicht gerade knallt, dann bruzzelt und funkt es.

Auch zwei Kugelketten (außen und mittig) schwingen in Phase und als Ensemble gemeinsam in Gegenphase zur 3. Kette. Ein wirklich schöner und kurzweiliger Versuch. Laufend zeigen sich Veränderungen, ohne dass ich eingreifen müsste. Lange schaue ich zu, ohne Langeweile zu empfinden.

2 parallele Kugelketten im Abstand von 60 mm

In einer weiteren Variante wird die mittlere, isolierte Kugelkette ausgehangen. Nun stehen sich nur noch Kathodenkette und Anodenkette gegenüber, in einem Abstand von 60 mm. Ich warte bei herunter gedrehter Spannung das Auspendeln beider Ketten ab und drehe dann wieder hoch auf 18 kV.

Zunächst vibrieren beide Kugelketten und zittern an ihren unteren Enden. Dann tritt Ruhe ein, die Anodenkette wird steif, streckt sich und dreht sich (als hätte sie einen Stock verschluckt) ein wenig in Richtung auf die Kathodenkette zu. Da weiter nichts geschieht, schiebe ich die Anodenkette das letzte Stück bis zum Kontakt auf die Kathodenkette zu. Sofort erfolgt ein Überschlag [ich notiere mir den Begriff "Funkenkette"], und ich lasse los. Die Kathodenkette "bleibt unbehelligt" [kann meine Notiz nicht vollständig entziffern]. Die Anodenkette schwingt mit großer Amplitude, aber einer erneute Berührung bleibt aus. Kaum habe ich dies geschrieben, nähert sich das untere Ende der Anodenkette dem unteren Ende der Kathodenkette sehr nahe an. Es folgt kein Überschlag, die Spannung bricht aber kurz zusammen (am Elektrometer sichtbar), sodass ein kurzzeitiger Stromfluss durch Koronaentladung (Büschelentladung?) stattgefunden haben muss.

Ich erzwinge den Ruhezustand und führe nun die Kathodenkette zur Anodenkette hinüber und lasse wieder los. Es ergibt sich nun ein Verhalten, dass an zwei gekoppelte Pendel aus der Mechanik erinnert. Mal schwingen Anoden- und Kathodenkette im Gegentakt, dann tritt wieder Ruhe ein. Nur die steif gestreckte und schief zur Kathode geneigte Anodenkette deutet darauf hin, dass hier 18.000 Volt im Spiel sind und eine Berührung tunlichst zu unterbleiben hat.

Erzwungenes schräges Schwingen führ auch mal zu "Drehschwingungen". Dass hängt die Anodenkette wieder steif in der Gegend herum.

2 parallele Kugelketten im Abstand von 30 mm

Hänge nun beide Ketten direkt im Abstand von 30 mm nebeneinander. Nun setzten Schwingungen ohne externe Hilfe ein. Beide Ketten schwingen auch mal parallel und gleichphasig aus der Verbindungsebene heraus. Beim unvermeidlichen Kontakt funkt es wie zuvor bereits. Halte ich das Kunststofflineal zwischen beide Kugelketten, kommt es zu heftigen, hellen Gleitentladungen über die Oberfläche des Lineals hinweg. Auch in dieser Anordnung zeigen sich viele Möglichkeiten im Umgang der beiden Kugelketten.

Ausschwingen

Im Haushalt gibt es eine ganze Reihe mechanischer Objekte, die in vielgestaltigen und effektvollen Versuchen mit Hochspannung beaufschlagt werden können. Mir macht das Experimentieren mit ihnen große Freude, besonders wenn gekoppelte Systeme auf ihrer mechanischen Resonanzfrequenz in Gegenphase, im Gleichtakt oder "chaotisch" schwingen, und es dabei auch noch zu kräftigen Überschlägen kommt. Messinstrumente sin nicht erforderlich. Diese "Unmittelbarkeit" macht wohl auch den Reiz der Elektrostatik und (wenn es knallt) der Physik der Gasentladungen aus.

Mit dieser Berichterstattung möchte ich die Leser motivieren, selbst aktiv zu werden und mit dem vorhandenen Material in ihrem Umfeld zu experimentieren. Es lohnt sich.

Gruss
Hans-Günter
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