Pendeln im Elektrischen Feld
Verfasst: 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].
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].