Hochspannungsversuche im Zauberring

Hier gibt es Fachwissen auch ohne Experimentierkästen

Hochspannungsversuche im Zauberring

Ungelesener Beitragvon hgd » 19. Okt 2013, 00:26

Hochspannungsversuche im Zauberring (I)

Hallo Liste,

Elektroskop-Versuch

Arbeite mich seit vorgestern spielerisch probierend durchs Anleitungsheft von KOSMOS "Elektro-Zauber". Durch Vergleich des Ausschlags des mit dem Kasten aufgebauten Elektroskops (gefaltetes Seidenpapier), aufgeladen mit Rundplatte über wolltuch-geriebene Plastikfolie (alles im Experimentierkasten enthalten) mit dem Auschlag dieser Anordnung, jetzt allerdings mit dem 18-kV-Netzteil aufgeladen, sehe ich, dass die Wolltuch-Kunststofffolien-Aufladung auch an die ungefähr 18 kV erreicht. Der kleine Entladungsknall mit der Glimmlampe des "Elektro-Zaubers" hatte mich das bereits erahnen lassen.

Besonders hilfreich beim "Elektro-Zauber" ist dessen "Zauberring", eine ringförmige Vorrichtung mit Ständer und drei Einstecköffnungen für einen kleinen Kugelkondensator mit Stab zum Anfassen und drei metallischen Kreisplatten mit längeren isoliertem Stiel. Mit deren zwei lässt sich ein Plattenkondensator mit weit und kontinuierlich verstellbaren Abstand aufbauen.

Mit dieser Vorrichtung (dem "Zauberring") kann ich einen Kondensator mit senkrechten Platten aufbauen, mit einer geplanten Vorrichtung will ich den "Zauberring" auch so stellen können, dass die Kreisplatten waagerecht stehen. Damit werden dann vielgestaltige Versuche mit Dielektrika möglich. Auch Kräfte lassen sich mit einer externen Federwaage messen, die entstehen, wenn Dielektrika in das elektrische Feld zwischen den Platten hinein gezogen werden.

elektrisches Ping-Pong

Zurück beim Elektro-Zauber lade ich den Plattenkondensator (senkrechte Rundplatten) mit Wolltuch und Hargummistab bzw. Plastikfolie auf, verbinde ein kleines Styroporkügelchen mit einem isolierenden Nylonfaden, umhülle das Kügelchen mit Alufolie und hänge dieses metallisierte Kügelchen am Faden zwischen die beiden Kreisplatten.

Zuerst tut sich nichts, dann bewege ich das Kügelchen zu einer Platte, es lädt sich auf und wird sofort (weil gleichnamig geladen) abgestossen: die Pendelbewegung, das "elektrische Ping-Pong" hat begonnen. Mehrmals pendelt das Kügelchen hin und her, dann sind die Ladungen beider Platten ausgeglichen, der Kondensator also entladen, und das Kügelchen kommt zur Ruhe.

Ich wiederhole diesen Pendelversuch statt mit der Wolltuch-Reibe-Aufladung mit dem Anschluss ans 18-kV-Netzteil. Wie beim Elektroskop-Versuch mit dem Zauberring schalte ich beide Kugelkondensatoren parallel zum Hochspannungsausgang. Lohnt sich die Beschaltung mit den beiden Kugelkondensatoren?

Ich messe mit dem automatischen LCR-Messgerät vom HV-Ausgang hinein ins ausgeschaltete und sorgfältig entladene Gerät hinein: 564 pF ! Da kann ich die beiden Kugelkondensatoren von zusammen ca. 10 pF glatt vergessen. Zum Anschluss füge ich zwischen Halter und Rundplatten M3-Lötösen ein, damit sind Verbindungen mit Krokodilklemmen schnell herzustellen.

Mit dem 18-kV-Netzgerät am Plattenkondensator des Zauberrings lässt sich das Wechselspiel von [b]Anziehung, Berührung und (sofort folgender) Abstoßung gut verfolgen[/b] und lädt zum Experimentieren ein. Und das "elektrische Ping-Pong" an 18 kV ist der bisherige Höhepunk der Hochspannungsversuche.

Der Abstand der Kreisplatten beträgt zunächst 40 mm. Wiederum ist zuerst ein Anstoss des Kügelchens erforderlich. Bei 5 kV sind die Pendelbewegungen langsam mit ca. 3 Hz. Ich erhöhe die Spannung wieder auf 18 kV. Mit Abstand der Platten von 55 und 70 mm verlangsamen sich die Pendelschwingungen auf ca. 3 Hz. Bei 85 mm hören sie auf, das mit Alufolie umhüllte Kügelchen schwing aus mit Ruhelage zwischen beiden Platten.

Nun verringere ich den Abstand. Bei 25 mm sind die (durch Aufschlagen auf die Platten) gut hörbaren Bewegungen so schnell wie eine Nähmaschine. Bei 15 mm Abstand werden sie rasend schnell, und es kommt zu sich wiederholenden Überschlägen. Ich gehe zurück auf ca. 10 kV. Jetzt schnurrt die Vorrichtung wie ein kleiner Modellbaumotor auf Höchstdrehzahl.

Häufig wird das Kügelchen am Faden zum Rand der Platten und heraus gezogen und "verhakt sich" auf deren Außenseite. Es ist nicht leicht, unter Hochspannung das Kügelchen zurück zwischen die Platten zu bringen.

Unterhalb von 5 kV bleibt das Kügelchen immer im Zwischenraum, ohne seine Pendelfrequenz wesentlich zu erniedrigen, auch bei 2 kV findet noch "elektrisches Ping-Pong" statt. Verringerung auf 10 mm wird die Pendelfrequenz nochmals deutlich schneller.

Ich höre mit dem analogen tragbaren Radio den Versuchsaufbau auf LW und MW ab. Vom Pendelvorgang ist nichts zu hören. Allerdings ist auf Langwelle deutlich die Störstrahlung der Hochspannungserzeugung (mit der Höhe der Ausgangsspannung zunehmend) zu hören. Bis auf 1 m Abstand sinkt der Pegel aber schnell ab. Selbst auf Mittelwelle ist das Störspektrum "erträglich": Selbst in 30 cm Entfernung vom 18-kV-Netzgerät ist sie schwächer als der Pegel des "Brummknatterns".

Ich zähle die Pendelschwingungen unter Sekundenkontrolle einer DCF77-Uhr ab: 3 Hz bei 5 kV und 33 mm Abstand, 3 Hz bei 5 kV und 40 mm Abstand.

Nach dem Abschaltung der Hochspannungserzeugung des 18-kV-Netzteils dauert es 13 Minuten, bis die Ping-Pong-Schwingungen zur Ruhe gekommen (der interne Kondensator von 564 pF entladen ist.

Zusammenfassung:

Bereits bei 5 kV ist dieser Versuch ohne Abstriche mit einem Plattenabstand von 10 mm gut durchführbar.

Flugversuche mit Styroporflocken

Bisher waren meine 18-kV-Styropor-Flocken-Flugversuche nicht spektakulär, weil sich auf der Kugeloberfläche der Kugelkondensatoren mit ca. 9 cm Durchmesser nur immer sehr wenige postieren liessen, ohne gleich wieder herunter zu rutschen. Jetzt steht im Elektro-Zauber mit seiner oben im Zauberring waagerecht einsteckbaren Kreisplatte eine aufladbare Vorrichtung mit erheblich größerem Fassungsvermögen zur Verfügung. Ich übergehe den entsprechenden Versuch im Elektro-Zauber und speise die Kreisplatte sofort mit dem 18-kV-Netzteil. Das erspart die doch lästige Wolltuch-Reiberei.

Die weiteren Versuche des Handbuchs werde ich im Elektro-Zauber durchführen und hier im Forum nur dann berichtet, wenn sich beim Experimentieren über dort beschriebene Effekte Hinausgehendes zeigen sollte. Freue mich auf die deutlich hörbaren und durch einen Lichtblitz in der Glimmlampe auch sichtbaren Versuche. Nach diesen Versuchen werden die Gerätschaften vom "Elektro-Zauber" dem allgemeinen Elektrostatik-Fundus einverleibt, allem Voran der Zauberring und seine Rundplatten.

Zurück zum Flugversuch: Bei ca. 4 kV bewegen sich zum ersten Mal einige Styroporkügelchen am Plattenrand und bewegen sich auf diesen zu, und fallen / fliegen von dort in den Abgrund (auf den Fussboden).

Auch bei 18 kV passiert (wie zuvor bei den Kugelkondensatoren) nicht wirklich viel, eher weniger. Ich "rühre" etwas im Häufchen der Kügelchen mit dem Plastiklineal herum:

Ein einziges Kügelchen fliegt dabei im Bogen nach oben, fällt zurück in Richtung Platte und bleibt wie auf einem unsichtbaren Luftkissen längere Zeit schweben, sich nur parallel zur Platte ein wenig zu bewegend. Langsam driftet es so schwebend zum Rand der Kreisplatte ... und tschuess!

Das war ein sehr schönes Detail, aber offenbar schwierig zu reproduzieren. Ich müsste versuchen, einzelne Kügelchen senkrecht von oben mittig auf die Platte fallen zu lassen, auch nicht ganz einfach. Vielleicht versuchen, die Kügelchen in Alufolie einwickeln (?). Oder, mit Graphitspray einzusprühen. Aber Alufolie ist schwerer. Die kommen dann eher auf der Kreisplatte an. Was besser ist, genau das wäre wiederum einen kleinen Versuch wert.

Ein Blechnäpfchen klappert und funkt

War es mir bis hierher gelungen, die "trockene" Verschmutzung des Bodens in Grenzen zu halten, führte die Einführung eines leeres Blechnäpfchens vom Teelicht zum unerwünschten Ergebnis. Und zu interessanten weiteren Anregung.

Weit unter 18 kV hob ich das [b]Näpfchen mit dem Plastiklineal auf die Kreisplatte[/b] und stellt zunächst fest, dass die Feldstärke dort oben das sehr leichte Näpfchen zuerst auf die Kreisplatte zieht und sofort danach aufs Lineal zurück schiebt. Alles was im Weg ist wird wegschoben und häuft sich auf dem Boden an.

Das Näpfchen wird vor dem Kontakt mit der Kreisplatte zu dieser hin gezogen, es kippt dabei und wird bei passender Höhe des Lineals fast vollständig auf die Oberfläche der Platte gezogen (und sofort wieder weggedrängt). Das ist derselbe Effekt, der sich beim "elektrische Ping-Pong" bei dem mit Alufolie ummantelten Styroporkügelchen am Nylon-Faden zeigte: Influenz.

Es gelang mir, das Näpfchen so aufs Lineal zu bugsieren, dass es oben zu periodischen Kippbewegungen kommt. Die heftigen Kippbewegungen sind deutlich zu hören, wenn das Blech des Bodens vom Näpfchen auf die Kreisplatte klatscht, und auch in der das Lineal haltenden Hand zu spüren. Und sie werden zudem von Überschlägen begleitet. Die Lichtbogenweite beträgt bis zu 6 mm. Der Lichtbogen entspringt an der Stelle aus dem Boden des Näpfchens, die sich direkt am Ende des Lineals befindet. Und endet (oder umgekehrt) am Rand der Kreisplatte, wo die Feldstärke den höchsten Wert annimmt.

Ich erkläre mir das so, dass sich hier an der Grenze zwischen Dielektrikums Luft und Dielektrikum Kunststoffplatte (Lineal) ein besonders hoher Feldstärke-Unterschied auftritt: im Kunststoff ist die Feldstärke erheblich niedriger, direkt nebenan ist sie hoch. Vielleicht ist der Effekt, dass sich das Näpfchen "bei" der Berührung zurück aufs Lineal schiebt auch teilweise auf die Kraft zurück zu führen, welche Dielektrika zwischen die Platten eines Kondensators zieht. Vielleicht liegt in diesem Feldstärke-Unterschied auch die Ursache, der an anderer Stelle beschriebenen Lichtbögen, die bevorzugt an der Oberfläche von Isolierstoffen verlaufen.

Jedendalls interessant, leicht komplex, und multimedial (taktil, akustisch u. optisch, mehrere Komponenten und Effekte im Spiel). Das hat Potenzial, elektrisch wie didaktisch !

Anregung

Das könnte Anregung sein, aus leichtem dünnen Blech eine Art von dynamischer "Blitztafel" zu bauen, wo die Überschläge nicht zwischen aufgeklebten Alufolien-Streifen überspringen, sondern zwischen metallischen sehr dünnen Blechen, die sich als horizontal gelagerte Wippen je nach Ladungs- bzw. Entladungszustand (durch Überschläge) bewegen und vielleicht auch eine periodische Wellenbewegung zeigen.

Ein toller Ausblick. Muss darüber noch nachdenken, äußerst reizvoll. Anregungen ausdrücklich erwünscht! Elektrostatische Vorrichtungen zu basteln macht einfach Spass, und für dünnes Blech benötigt man auch keine Blech- oder Gartenschere.

Gruß
Hans-Günter
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Re: Hochspannungsversuche im Zauberring

Ungelesener Beitragvon buedes » 19. Okt 2013, 08:32

hgd hat geschrieben:Besonders hilfreich beim "Elektro-Zauber" ist dessen "Zauberring", eine ringförmige Vorrichtung mit Ständer und drei Einstecköffnungen für einen kleinen Kugelkondensator mit Stab zum Anfassen und drei metallischen Kreisplatten mit längeren isoliertem Stiel. Mit deren zwei lässt sich ein Plattenkondensator mit weit und kontinuierlich verstellbaren Abstand aufbauen.


Hallo Hans-Günter,

ein paar Bilder von deinen interessanten Versuchen wären hier nicht schlecht und für unser Verständnis äußerst hilfreich!

Gruß, Horst
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Re: Hochspannungsversuche im Zauberring

Ungelesener Beitragvon ChrisH » 19. Okt 2013, 17:45

Hallo die Herren,
ich denke, dies ist der Kasten den Hans-Günter sein Eigen nennt - und sehr gut zu sehen: der ominöse "Ring".
Schönes Stück, kostet neu 20 € und in der Bucht für 10 € zu haben.

Bild

Ich muß gestehen, ich lese diese ausserordentlich spannenden und einfallsreichen Experiementierbeschreibungen genüsslich mehrmals durch! Die Art der Beschreibung ist so fesselnd, also ob man live mit dabei wäre. Danke Hans-Günter!

viele Grüße, Christian
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Re: Hochspannungsversuche im Zauberring

Ungelesener Beitragvon hgd » 19. Okt 2013, 18:42

Hallo Christian,

ChrisH hat geschrieben:Hallo die Herren,
ich denke, dies ist der Kasten den Hans-Günter sein Eigen nennt - und sehr gut zu sehen: der ominöse "Ring".
Schönes Stück, kostet neu 20 € und in der Bucht für 10 € zu haben.
viele Grüße, Christian


ja, das ist er. Und danke fürs "feedback"

Hallo Horst,

Deine Anmerkung ist berechtigt. Aber leider habe ich keine Digicam zum Aufnehmen, das gäbe dann für mich einen großen Zeitaufwand beim Erlernen, ich würde wieder anfangen, alle Bilder zu speichern (bin froh, dass ich mein Hobby Astrofotografie mit ca. 40 GB und großer Datenbank (ca. 50 MB) "überwunden" habe). Wir werden also damit leben müssen. Aber wenn es Fragen gibt zum Aufbau und zur Durchführung, dann muss ich die natürlich (und werde es auch tun) beantworten.

So Krizzelzeichnungen mit einem Malproggi sind ja auch weder gut noch schön. Und CAD mache ich ebenfalls nicht mehr, dass geht alles dem Experimentieren verloren.

Eine Blechwippe zum Versuch von gestern habe ich bereits grob geplant, falls es realiter funktioniert, werde ich eine kleine Skizze mit CorelDRAW (version uralt) erstellen und anhängen. Aber so weit ist es noch. Mehr kann ich leider nicht dazu anmerken, und bitte um ein wenig Verständnis für meine Sicht und Situation.

Wer unter "Blitztafel" auf google sucht, wird einenn Physik Shop finden mit imho nicht ganz so teuren Elektrostatik-Versuchsgerätschaften wie PHYWE finden. Aber dort ist mein Ehrgeiz(?) auch, das selber mit Bordmitteln hinzubekommen.

Noch einen schönen guten Sonntag.
Gruß
Hans-Günter
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Hochspannungsversuche im Zauberring (II)

Ungelesener Beitragvon hgd » 20. Okt 2013, 14:18

Hallo Liste,

Kondensator-Versuche (Einleitung)

Bereits jetzt ist mir klar, dass es mehrere "Kondensator-Versuche" geben wird. Aber dafür führe ich keine weitere Nummerierung ein, das würde zu viel werden. Die Einführung von "Hochspannungsversuche im Zauberring (II)" dient dem Zweck, die Reihenfolge besser verfolgen zu können. Und bietet die Möglichkeit, gezielt zu einzelnen Versuchen Frage und Antworten auszutauschen.

Der "Zauberring" vom KOSMOS "Elektro-Zauber" bietet die Möglichkeit, einen Plattenkondensator mit veränderlicher Kapazität aufzubauen. Nicht nur lassen sich zwischen seinen Platten vielfältige "Ping-Pong-Versuche" durchführen, sondern sich auch dem Thema "Dielektrika" zu nähern. Und mit entsprechender Spannung und Ladung (Stromstärke) Löcher in diese hinein zu brennen oder auch Lichtbogen um die Dielektrika herum zu produzieren. Verschiedene Dielektrika in Reihe oder gar parall nebeneinander im selben Kondensator, also vielfältige Möglichkeiten ... :-)

Kapazität des Plattenkondensators messen

Das Vermögen, elektrische statische Energier zu speichern, Ladungen auf seinen Platten zu speichern, kann gemessen werden, auf der "Hochspannungsebene" mit entsprechenden Messinstrumenten. Ich wähle hier aber, weil für mich einfacher, die "Niederspannungsvariante", um das Fassungsvermögen (die "Kapazität") zu bestimmen. Als grundsätzlich bequemer Mensch nutze ich ein LCR-Messgerät, das automatisch (einen Knopf muss man aber doch noch drücken), dass ich mir für die Radiobastelei zu gelegt hatte. Wer kleine Cs im pF-Bereich kennt, weiss um die Vorteile. Also ...

"Zauberring" mit zwei Kreisplatten in die Bohrungen lins und rechts. Die Platten des Kondensators stehen sich also senkrecht gegenüber. Ich stelle verschiedene Abstände zwischen den Platten ein und messe diese mit einem Lineal. Dann der oben erwähnte Knopfdruck aufs LCR-Messgerät und die Messwerte in eine Tabelle ...

Abstand d Kapazität C

0,5 mm 60,2 pF
1 mm 29,5 pF
2 mm 18,8 pF
3 mm 18,5 pF
4 mm 12,2 pF
7 mm 7,8 pF
10 mm 6,6 pF
12 mm 5,4 pF
16 mm 4,3 pF
19 mm 3,4 pF

Mit größerem Abstand d zwischen den Platten nimmt die Kapazität ab, und zwar linear. Bestimmt habe und konnte ich nicht genau die Abstände messen, weil ein Lineal ja bei den kleinen Abständen nicht so genau ist. Und bestimmt die Platten auch nicht exakt axiel und exakt parallel sind. Das stört mich nicht (auch wenn der Leser bei Abstanden von 0,5 mm und 1 mm die Stirn runzeln dürfte).

Kapazität des Plattenkondensators berechnen

Die Abmessung der Kreisplatten ist bekannt bzw. mit dem Lineal zu messen, daraus ergibt sich die Fläche. Und man könnte sich ungefähr die Formel selber ableiten, oder in einem Schulbuch für Physik nachlesen (ich habe mir meine beiden alten Physik-Lehrbücher aus dem Antiquariat wieder gekauft, ein tolles Gefühl, aber nur für den Physik-Liebhaber). Heute gibt es auch schöne Lehrbücher der Experimentalphysik, habe mir eines vor zwei Wochen gekauft, kam zufällig beim Wellnitz beim Spazierengehen vorbei. Buchhandlungen sind für mich immer besonders gefährlich, wie ebay ...

Ich mache hier nichts davon, auch keine Berechnungen (mit den Kugelkondensatoren mal durchgeführt, war langweilig, was der Anbieter genannt hatte, kam bei mir auch heraus).

Nun zu den Angaben aus der Tabelle für Abstände von "0,5 mm und 1 mm". Wie konnte ich das nur messen und einstellen? Einfachst: die beiden Reibefolien aus dem "Elektro-Zauber" haben zusammen eine Dicke von 1 mm (mit Schieblehre gemessen). Und so konnte ich die Kreisplatten des Plattenkondensators fest und parallel ziemlich genau entsprechend zusammen schieben.

Kapazität des Plattenkondensators mit Dielektrikum messen

Und jetzt geht es weiter mit dem Experimentieren, denn mit dem LCR-Messgerät lässt sich die Kapazität natürlich auch messen, wenn sich zwischen den Platten isolierende Materie befindet, nämlich sog. Dielektrika. Deren wirkung steht auch in den Lehrbüchern. Sie werden durch das elektrische Feld im Kondensator polarisiert und bewirken eine Erhöhung der Kapazität. Wer das verstehen will, der benötigt jetzt ein Lehrbuch, oder wartet mit dem Verstehen und experimentiert weiter.

Oder schaut bei Wikipedia nach (wo es mit ähnlichen Suchbegriffen Infos in Hülle und Fülle gibt) ...
http://de.wikipedia.org/wiki/Dielektrizit%C3%A4tskonstante

Bei mir wurde für beide Abstände nun die Kapazität zuerst mit und danach ohne Folie gemessen ...

Abstand d Kapazität C Anmerkung

0,5 mm 171 pF mit 1 Folie
0,5 mm 60,2 pF ohne Folie

1 mm 75 pF mit 2 Folien
1 mm 29,5 pF ohne Folie

Und jetzt wird wirklich gerechnet, nämlich das Verhältnis errechnet der Kapazität mit Folie gegenüber der Kapazität ohne Folie.

C{mit} / C{ohne} = 2,8 (bei 0,5 mm Abstand und einer einzigen 0,5 mm dicken Folie.
C{mit} / C{ohne} = 2,5 (bei 1,0 mm Abstand und beiden, zusammen 1,0 mm dicken Folien.

Dieses Verhältnis ist ungefähr gleich und stellt damit eine geometrieunabhängige Materialkonstante dar, für den Werkstoff, für das zwischen die Platten eingeschobene(n) Folie(n), beide sind aus demselben Material, dem Reibekunststoff. Und diese Werkstoffkonstante wird "relative Dielektrizitätskonstante" genannt. Und Peng, jetzt sind wir einerseits voll in der Theorie und gleichzeitig in der Praxis, und kännen mit allerlei Folien und Geweben Versuche aus dem heimischen Haushalt (von Küche bis Kleiderschrank und Bastelkeller) bis zum Abwinken machen.

Ich, z. B., könnte im Internet eine Tabelle mit "relativen Dielektrizitätskonstanten" suchen und nach 2,5 bis 2,8 schauen. Und dann ablesen, bei welchem Material dieser Wert angegeben ist. Bei Wikipedia finde ich ...

Material relative Dielektrizitätskonstante
Vakuum 1,0
Luft 1,00059
Polypropylen 2,1
Holz (darrtrocken) 2–3,5
Polyethylen 2,4
Polystyrol-Schaum 1,03

Vielleicht ist die Folie aus dem "Elektro-Zauber" Polyethylen (PE)?

Versuche mit weiteren (festen und flüssigen) Dielektrika

Beim Lesen der Wikipedia-Tabelle juckt es mich in den Finger: Pertinax (ca. 5), Porzellan (2-6), Glas (6-8), Methanol (33), Glycerin (43), Wasser (80), Eis (90–150) bei Gleichspannung und Eis (3,2) über 100 kHz.

Die relative Dielektrizitätskonstante für Wasser beträg also 80. Frage an Euch zum Nachdenken (sorry!): Wie hoch ist die Brechungszahl n von Wasser? Gibt es eine Beziehung zwischen Brechungszahl und relative Dielektrizitätskonstante ? Diese Frage war längere Zeit im 19. Jahrhundert bei Physikern hochaktuell und wurde kontrovers diskutiert. Die Beziehung hätte eigentlich gefordert, dass alle Isolatoren durchsichtig wären, was ja nicht bei allen richtig ist. Ich lasse dieses Türchen für Euch offen. Postings dazu würde ich natürlich mit Genuss lesen.

Schaut Euch diese Tabelle mal in Ruhe an und unternehmt anschliessend einen Spaziergang, der sich besonders auch den Unter- und Oberschränken Eurer Wohnung widmet.

Ich werde noch heute eine flache Recheckschale ins ***-Fach des Kühlschranks schieben, als Dielektrikum für den Plattenkondensator, am Montag in der Drogerie ein Fläschchen Glycerin kaufen. Freunde höher Prozentigens könnten zuerst ihren Belchengeist (mit 70%) in den Kondensator einfüllen (besser wohl eine Küvette, in welchem zuerst das flüssige Dielektrikum und dann die Kondensatorplatten (ohne "Zauberring") eingetaucht werden. Das Dielektrikum sollte nach dem Versuchs ordnungsgemäss "entsorgt" werden. Und den Versuch würde ich auch nicht unbedingt mit 18 kV durchführen, wenn doch, dann mit Feuerlöscher Brandklasse E wie elektrisch.

Dielektrikum wird mit Kraft zwischen die Platten gezogen

Die letzten beiden Nächte konnte ich diesen Effekt bereits (unbeabsichtigt) beobachten. Ich werde das beobachten und messen. Messen mit einer 20-Gramm-Federwaage. Gibt es gelegentlich auf ebay. Oder beobachten und messen (mit Lineal) mit einem rechteckigen Plattenkondensator, der mit einem geringen Teil in Wasser steht. Werden 18 kV angelegt, sollt der Wasserspiegel zwischen den Platten höher als außerhalb stehen, das flüssige Wasser also zwischen den Platten hochsteigen. Das geht dann natürlich auch wieder mit Belchengeist.

Erhöhung der Spannung ohne externe Ladungs-/Spannungsquelle

Dann wäre möglich, mit Luft zwischen den eng stehenden Kreisplatten diese auf gegeneinander mit 18 kV zu laden, die Spannungsquelle "abzuklemmen" (wie hatte ich bereits beschrieben, mit Entladungsstab oder leitender Kugel am isolierenden Stab zwischen zwei Kugelkondensatoren), ein Elektroskop angeschlossen habend, und dann die Platten ohne Verbindung mit der Spannungsquelle auseinander zu ziehen.

Vorsicht Hochspannung !

Die Spannung wird sich (gewaltig) erhöhen. Ich werde zur Sicherheit eine Funkenstrecke mit Spitzen parallel schalten. Oder Kugelkondensatoren, aus derem Radius und Abstand lässt sich die Überschlagsspannung bestimmen. Aber in die Hochspannungsquelle würde ich diese erhöhte Spannung nicht zurück speisen.

Auch ohne 18-kV-Netzteil, alleine mit Wolltuchreiberei (aber nicht an Aladins Wunderlampe, aber vielleicht war das auch ein frühes elektrostatisches Experiment?), sollte das möglich sein.

Mir fällt noch ein, das dieses Prinzip, dessen Theorie ich hier weggelassen habe, auch bei parametrischen Verstärkern zum Einsatz kam.

Ausklang

Mir schwindelt vor den vielen Versuchsmöglichkeiten, sogar echte Hochspannung ist wieder im Spiel. Ich würde mich über viele Mitexperimentierende freuen. Bei mir kommt als Nächstes an die Reihe ...

* 18-kV plus UHU-Alleskleber,
* Kondensator aufladen, trennen und dann die Platten auseinander ziehen
* Kondensator mit Eis, 18 kV und Federwaage
* Kondensator mit Wasser 18 kV
* Kondensator mit Glycerin 18 kV

Desweiteren könnte auch untersucht werden, was passiert, wenn Dielektrika hintereinander in den Zwischenraum geschoben werden (Serienschaltung) oder (noch interessanter) wenn sie sich parallel nebeneinander im Kondensator befinden. Was passiert an den Übergangsstellen zwischen verschiedenen Dielektriker? Hinweise darauf hatte es ja bereits bei einigen Versuchen gegeben ...

Gruß
Hans-Günter
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Hochspannungsversuche im Zauberring (III)

Ungelesener Beitragvon hgd » 20. Okt 2013, 21:30

20.10.2013

UHU-Alleskleber im Zauberring

Hallo Liste,

unter meiner Agenda hatte ich an erster Stelle heute gepostet ...
* 18-kV plus UHU-Alleskleber

Geplant ist jetzt, einen frischen Tropfen UHU-Alleskleber auf die oben im "Zauberring" eingesteckte waagerechte Kreisplatte aufzutragen, getrennt durch ein Stück Folie, um keine "klebrige Kontaminierung" zu riskieren.

Aufbau

Parallel zur Kreisplatte ist das Elektrometer und ein 5,1-pF-Kugelkondensator (wie üblich einpolig) angeschlossen. Vom Kugelkondensator führt der Ladeweg über einen 2-Gigaohm-Hochspannungswiderstand (um den Kurzschlussstrom für das 18-kV-Netzgerät zu begrenzen. Dieser hängt auf der anderen Seite am zweiten Kugelkondensator, von dem ein Kabel zum +18-kV-Ausgang des Netzteils führt.

Durchführung

Ich appliziere einen dicken Tropfen UHU-Alleskleber auf die Folie und hebe diese mit dem Kunststofflineal auf die Kugelplatte. Dann nähere ich eine geerdete Kugel am isolierten Griff dem UHU-Tropfen auf der Folie. Eigentlich hatte ich das schon geahnt: die Folie lädt sich auf und wird von der Kreisplatte angezogen und sofort abgestossen, und klebt danach durch chemische Klebkräfte an der geerdeten Kugel. OK, das war nichts. Und der erste "Klebestoffunfall" ist eingetreten.

Nun trage ich einen zweiten UHU-Tropfen ohne Folie und ohne Hochspannung direkt auf die Kreisplatte auf und hoffe, das sich noch genug entzündfähiges Lösungsmittel im Tropfen befindet. Nach Aufladung auf 18 kV nähere ich dem Tropfen die geerdete Kugel an. Ihr wöllbt sich sofort ein Kegel (unten sehr breit, oben nadelfein) entgegen, noch bevor die die Überschlagsentfernung für einen Lichtbogen erreicht ist. Und kann gar nicht anders sein, kurz danach klebt erneut UHU an der Kugel. Jetzt sind bereits zwei Teile des Versuchsaufbaus kontaminiert. So geht das nicht!

Keine Explosion, kein Feuerball

Ich verbinde eine Spitzenelektrode mit dem Erdkabel (Gehäuse) des Netzteils und nähere diese nun dem UHU-Tropfen an: Koronaentladungen. Halte die Spitze in den Tropfen, unter dessen Oberfläche sich allerdings keine bemerkbaren Effekte ergeben: nichts explodiert, kein Feuerball. Eigentlich schade.

Die Spitze über die Kreisplatte im Abstand der Durchschlagsentfernung geführt, ergibt einen dauerhaften Lichtbogen, der aber immer dann verlöscht und in eine zirpende Koronaentladung übergeht, wenn die Spitze sich oberhalb des Tropfens und seiner angetrockneten Ausläufer bewegt.

Fäden überziehen die Versuchsanordnung

Die Spitze zieht einen langen UHU-Faden bis zu 70 cm lang. Bei geringeren Entfernungen ist eine Entladung "durch" den Faden am Spannungsabfall des Elektrometers indirekt ablesbar. Irgendwann steigt die Spannung, ein ggf. vorhandenes Zirpen ist längst unter meine Hörschwelle gesunken. Ich vermute durch Vergleich der Entfernung, bei dem das hörbare Zirpen aussetzt, vom Rand weg ohne UHU-Faden und mit UHU-Faden, dass eine Entladung durch den UHU-Faden erfolgt. Ich vermute sehr stark, dass die Koronaentladung entlang der Oberfläche vom Faden erfolgt.

Von Kräften aufgespannte Bögen aus feinen Fäden

Inzwischen ist der gesamte Versuchsaufbau von einer Vielzahl von getrockneten UHU-Fäden überzogen. Alle verlaufen als Bögen, vom Platterand nach außen und wieder auf gleicher Höhe zurück, waagerecht abstehend. Andere führen im Bogen vom Plattenrand nach unten zum Zauberring und zum Kabel der 18-kV-Zuführung. Die Fäden sind gespannt, hängen also keineswegs schlaff herab.

Und dann stelle ich eine gespensterhafte sehr langsame Bewegung fest: die Bögen bewegen sich, berühren sich, verzwirbeln sich mit untereinander. Interessant und unerwartet.

Natürlich kann ich das beeinflussen. Strecke ich meinen Finger aus, bewegt sich der nächste UHU-Fadenbogen auf diesen zu, bleibt kurz für ca. 2 Sekunden haften und schnellt dann zurück. Die gesamte Takelage erschaudert, aber bleibt insgesamt gespannt, nichts wird schlaff oder fällt herab. Wieder wird erkennbar, dass das gesamte Gespinnst aufgespannt wird, durch die Kraftwirkung des statischen Elektrischen Felds.

Deutlich wird das nach der Berührung eines UHU-Fadens durch meinen Finger. Bei Annäherung spüre ich ein leichtes Gefühl in der Fingerkuppe. Dann "Contact !", und nach ca. 2 Sekunden das Zurückschnellen. In diesem Zustand sehe ich einen großen Bogen, nach außen weisend, mit einer bogenförmigen kleinen Eindellung nach innen, ein kleiner Innenbogen innerhalb eines großen. Seltsam, aber gespannt, nichts schlaff, und bis auf winzige Bewegungen und gelegentliche Erschütterungen in sich stabil.

Besonders im Gegenlicht sind die Fäden sichtbar: Ein sehr schönes filigranes Beispiel der Influenz. Und ein Beleg für sehr langsame Ladungswanderungen entlang der UHU-Fäden.

Eine Idee zum Ausbau dieser Versuchsreihe könnte sein, UHU-Fäden gezielt am Plattenrand anzuheften und nach außen ziehend trocknen zu lassen. Und dann Spunngung aufschalten und hochregeln. Im Gegenlicht sollte dann etwas ähnliches wie ein "elektrostatischer Igel" sichtbar werden.

UHU-Fäden im Elektronenwind

Ich nähere nun einen Spannungsprüfer den UHU-Fäden. Im Gegensatz zu meinem Finger weicht bereits vor einem nicht stattfindenden Kontakt der Faden dem Spannungsprüfer aus. Ich vermute, dass von der scharfgratigen Klinge ein Elektronenwind abströmt (Experimentator und der Rest des Universums sind auf negativem Potzenzial zum relevanten Versuchsaufbau, welcher die filigranen Fäden wegbläst. Beim Finger war das nicht der Fall.

Anmerkung

Wieder war es eine etwas sonderbare Idee, die einen Effekt mit Potenzial für weitere Versuche in den Vordergrund stellte. Vielleicht sollte man lange UHU-Fäden parallel aufspannen, wie oben bereits angedeutet. Das Geschick des Experimentators findet ein reiches Betätigungsfeld.

Wenn auch kein "Schnüffler", mag ich den Geruch von UHU-Alleskleber, den wasserlosen ! Andere dürften abweichende Preferenzen haben, aber wesentlich ist die Fähigkeit, reissfeste feine Fäden zu ziehen.

Von Bedeutung ist Elektrostatik auch für dünnen Folien, die beim Abrollen bzw. Abziehen sich aufladen. So erlebe ich beim Tesafilm und besonders beim selbstklebenden Paketband immer wieder, dass sich nach anfänglicher mechanischer Entspannung, das herabhängende Ende sich in eine bestimme andere Richtung krümmt und dort an unpassenden Stellen chemisch festklebt.

Vielleicht liessen sich damit und dazu auch Versuche ausdenken? Ansonstenn könnte man in solchen Folien auch Durchschläge und oberflächennahe Entladungen bewirken. Vielleicht auch Alu auf Alufolie zum Verdampfen bringen. So eine Art von Schweißen mit Strom (Energie) aus einer Kondensatorbank. Hier wäre dann das Thema Leydener Flasche aus Glasflaschen und anderen Dielektrika berührt.

Gruß
Hans-Günter
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"Hündchen", Handstand und Weitsprung

Ungelesener Beitragvon hgd » 20. Okt 2013, 23:58

Hallo Liste,

Hochspannungsversuche im Zauberring (IV)

Fallversuche

Wie bei anderen bisherigen Versuchen steckt oben im Zauberring eine waagerechte Kreisplatte. Sie ist mit dem Pluspol des 18-kV-Netzteils verbunden. Ich hatte hier zuletzt versucht, kleinen Styroporkügelchen das Abheben und Fliegen beizubringen. Die Ergebnisse waren nicht spektakulär.

Idee jetzt ist, das Abheben zu Umgehen, in dem ich kleine Gegenstände zentriert von oben auf die Mitte der aufgeladenen Kreisplatte herab fallen lasse.

Seidenpapier

Vom 2-Blatt-Elektrometer-Versuch des Elektro-Zaubers ist ein gefalteter Streifen aus Seidenpapier übrig geblieben. Das Faltblättchen fliegt meistens an der Kreisplatte vorbei. Einmal bleibt es am Rand kleben und wird von dort sofort wieder weggestoßen (nach Angleichung ans Potzenzial der Kreisplatte). Wiederholung scheitert, ist nicht reproduzierbar.

Mit Alufolie umhülltes Styroporkügelchen

Das Kügelchen vom elektrischen Ping-Pong trägt noch seinen Nylonfaden, meistens fällt es vorbei, einmal bleibt es am Rand der Platte liegen. Ein elektrostatischer Effekt ist nicht erkennbar.

Büroklammer

... trifft die Rundplatte und springt ab und verschwindet unter der Waschmaschine.

Styroporkügelchen

Fast alle treffen die Rundplatte und bleiben auf ihr ohne weitere Bewegungen liegen. Ein einziges Kügelchen bewegt sich zum Rand und verlässt die Platte. Die Geschwindigkeit ist höher als Aufladung der Platte und deutet auf eine elektrostatische Wirkung. Auf dem Tisch angekommen, bewegt es sich erst langsam und dann "husch!!!" springt es auf ein isoliertes Hochspannungskabel und bleibt dort kleben. Als ich etwas später hinschaue, hat es das Kabel wieder verlassen und liegt unterhalb wieder auf dem Tisch. Es hat sich auf dem anziehenden Kabel also innerhalb von ca. 5 Minuten langsam dem Potenzial des Kabels (der Isolierung, nicht der Cu-Litze) angenähert und wurden wegen des dann gleichem Potenzial wieder weggestoßen. Also Influenz und eine andere Variante von Ping-Pong.

Ich berühre das Kügelchen mit dem Plastiklineal, es bleibt kleben, so kann es wieder aufs Kabel gesetzt werden, bewegt sich ein wenig auf dem Kabel und bleibt dann bewegungslos sitzen. So lässt sich ein wenig Ping-Pong spielen, wobei die Kügelchen es dem Experimentator nicht leicht machen, sie scheinen ziemlich "eigensinnig" zu sein.

Die Kügelchen auf der Kreisplatte lassen sich mit dem Lineal zum Rand schieben, manche springen dann ziemlich beschleunigt von der Kreisplatte weg und folgen dabei vermutlich dem lokalen Feldlinienverlauf.

Minuten später, ich schaute nicht immer hin, sind alle Styroporkügelchen von der Platte heruntergesprungen oder befinden sich auf deren Rand, allerdings unterhalb, nicht mehr oben drauf.

Die Kügelchen zu verfolgen ist zwar für den Anfang ganz nett, aber es benötigt Zeit und Ausdauer, immer hin zu sehen, wenn eines gerade mal spring.

Baumwollwatte

Bis zu diesem Zeitpunkt hatte ich "mein" ultimatives Probenmaterial für elektrostatische Versuche noch nicht gefunden. Das Ping-Pong-Spiel mit aufgehängtem Styroporkügelchen war zwar ganz nett, aber ich hatte mir von den kleinen Kügelchen doch ein wenig mehr erwartet. In einer Anleitung der Experimantalphysik im Internet war ein Bild mit Watte. Also kaufte ich eine Packung Baumwollwatte in der Drogerie, und zwar ganz bewusst keine synthetische Watte, weil die in der Baumwolle vermutete Restfeuchtigkeit, die Ladung gleichmäßig und großflächig verteilen sollte, damit der Ping-Pong-Effekt schneller, d. h. mit kürzerer Periodendauer sich abspielt. Denn nur dies könnte der Grund gewesen sein, das am Nylonfaden aufzuhängende Styroporkügelchen mit etwas Alufolie einzukleiden.

Bei den Fallversuchen hatte ich auch festgestellt, das die elektrostatisch "klebenden" Kügelchen sich nicht rollen, sondern nur schieben liessen. Die punktuell wirkende Polarisierung (Influenz) kann sich nicht auf die Oberfläche verteilen, weil im Isolator fixiert. Und es dauert dadurch auch sehr lange, bis eine Ladungsangleichung erfolgt ist, und der Partikel dadurch abgestossen wird und wegspringt. Und die Wolle sollte ja äußerst dynamische Effekte, also schnelle Effekte, zeigen. Daher fiel meine Wahl auf die Baumwolle. Wer solche Versuche mit synthetischer Watte ausführt, sollte unabhängig vom Ausgang bitte hier berichten.

Aus dem in der Tüte gefalteten langen Watteflies zupfe ich einen länglichen Fetzen heraus, ca. 2 cm lang.

Diesen Fetzen oder diese "Flocke" bugsiere ich mit dem Kunststofflineal auf die unter 18 kV stehende Kreisplatte. Offenbar wirken sofort elektrostatische Kräfte. Nun hebe ich das Lineal, um es ohne Watte vom "Blechteller" (Kreisplatte) zu entfernen. Und werde überrascht:

Hündchen

Die 2 cm lange längliche Flocke richtet sich auf und macht "Hündchen" und bleibt zwischen aufrecht zwischen Teller und Lineal stehen. Die Haare stehen ihr zu Berge. Damit kann so ein Glatzkopf wie ein festes, glattes Styproporkügelchen nicht dienen.

Hebe das Lineal an, das "Hündchen" bleibt auf dem Teller stehen, aufrecht und mit ca. einem cm Platz über dem Kopf bis zum Lineal. Und unvermittelt springt es nach oben ans Lineal. Ich warte: nach ca. 1 Sekunde springt der Wattefetzen wieder nach unten, immer aufrechte Haltung bewahrend. Und pendelt fortan zwischen oben (Lineal) und unten (Teller) hin und her. Ein schöneres (als zuvor) elektrisches Ping-Pong (diesmal lautlos) hat eingesetzt. Wirklich sehr schön. Dabei nimmt es auch ein Kügelchen mit, dass sich in seinem Filz verhakt hatte.

Man könnte dem Fetzen die Gestalt eines Hündchens, Hamsters oder Erdmännchen geben und mit Filzschreiber bei der Visualisierung etwas nachhelfen. Nicht physikalisch, aber schön.

Der Wattefetzen springt dabei immer weiter nach außen, verlässt die Kreisplatte ein letzes Mal und springt todesmutig zu meiner 20 cm weit entfernten Hand, die das Lineal führt, verlässt nach Umladung diese sofort wieder und stürzt zu boden. Ein "ultimativer" Höhepunkt.

Jetzt lasse ich das Lineal nach dem Beladen des geladenen Tellers mit dem Wattefetzen auf dem Teller liegen, hebe das Lineal nicht an, schiebe die Watte ein wenig hin und her, sehe, wie sie sich entlang der Feldlinien aufrichtet. Und dann springt dann ca. 30 cm weit in einem riesigen schnellen Satz kopfunter vom Teller weg und segelt (?, oder fällt schneller) zum Fußboden.

Mehrer zig Minuten kann ich mich an diesem Schauspiel nicht satt sehen. Baumwolle ist um ein Mehrfaches besser als Styropor. Daher streiche ich alle weiteren Versuche und gebe auch die Idee auf, die Kügelchen mit Graphitspray zu "metallisieren".

Dressurspringen

Das "Hündchen" lässt sich auch dressieren. Halte ich das Lineal exakt in der Waagerechten, pendelt der Wattefetzen immer auf der Stelle von unten nach oben und zurück. Neige ich das Lineal ich das Lineal (in Längsrichtung aber auch um die Längsachse) beget sich die hüpfende Watte immer zum geringesten Abstand des Lineals, zu der Stelle mit der höchsten Feldstärke. Das ist der Effekt, der in einem Kondensator das Dialektrikum in den Kondensator hinein zieht. Und das angehobende und durch Influenz aufgeladene Lineal bildet die obere Platte und der Teller die unter Platte eines Kondensators. Schön, dass man dies auch bei diesem Watteversuch thematisieren kann.

Mir gelingt auch, bei größerem Abstand den Wattefetzen längere Zeit über der geladenen Kreisplatte schweben zu lassen. Und ist dann blitzschnell weg. Bei Versuchen mit 18 kV verbieten sich hektische Bewegungen. Ich zwinge mich, ihm nicht zu folgen und zuzusehen, wie sich auf dem Fußboden immer mehr Styroporkügelchen und Wattefetzen ansammeln.

Und sie gezielt auch zur Hand fliegen zu lassen, mit einem Affenzahn durch die Luft, die man einem solch flauschig weichen, diffusen leichten Objekt nie zutrauen würde, das müsste ja durch seine aufgefaserte Oberfläche einen denkbar schlechten Cw-Wert haben. Aber trotz dieses, rast es durch die Luft hindurch wie nichts Anderes. Das beeindruckt (mich).

Manchmal reisst das elektrische Feld aus einem Wattefetzen auch kleinere, winzige Fetzen heraus.

Sehr fein auseinander gezogen Wattefetzen springen beim Ping-Pong besonders weit. Das Lineal lässt sich bis zu 130 mm über den Teller anheben. Das ist beachtlich, wie weit das Elektrische Feld reicht, der Experimentator ist ja auch ein Teil des felderfüllten Raumes.

größere, kürzere, zusammen gekrümelte und angefeuchtete Wattefetzen

Größere sind nicht optimal, weil zu schwer. In die Länge gezogen, muss der Abstand zwischen Lineal und Teller auch so groß sein, dass die Feldstärke dazwischen Abnimmt. Und kleinere in die Länge zu ziehen ist auch nicht so leicht möglich. Egal, welches die Gründe sind, ich werde immer längliche 2 cm Wattefetzen einsetzen. Aber wie beim Material und der Handhabung lässt sich hier grenzenlos experimentieren und variieren. Auch das macht diesen Versuch in meinem Augen zu einem Höhepunkt.

Auf klein zusammen gekrumpelte Wattefetzen fliegen und springen deutlich schneller. Anfeuchten ist kontraproduktiv. So wie sie verkauft wird, ist die Baumwollwatte optimal.

weitere Watteversuche

Das Repertoire hat sich durch Einführung der Watte vervielfacht: alle Versuche, wo etwas pendelt und springt, kleben bleibt und abgestossen wird, sollten mit Baumwollwatte erneut durchgeführt werden. Nicht nur das Material ist ein variierwürdiger Parameter, auch Dichte, Oberflächengestallt und geometrische Abmessungen könnte weiteren interessanten, noch unerkannten Effekte zur Auffälligkeit verhelfen.

Insbesondere möchte ich Wattefetzen zwischen den senkrechten Platten eines Plattenkondensators hüpfen lassen, in den Raum zwischen zwei gegensätzlich geladenen Kugelkondensatoren und auch auf einen einzelnen Kugelkondensator fallen lassen.

Elektrostatisches Kreispendel

Nach 2 1/2 Stunden "Wattespielerei" bin ich ziemlich ermattet und baue ab. Dabei entdecke ich wieder etwas für mich Neues:

Am langen isolierten Faden wird das "metallisierte" Styroporkügelchen aufgehängt, genau zentrisch über eine Kreisplatte. Die Erdanziehung zwingt es immer wieder zum Rand des Tellers zurück, dort lädt es sich um und spring wieder nach außen. Und einmal angestoßen zu einer radialen Bewegung, behält es diese bei, fällt immer von einem Potenzialberg herunter mit dem Unterschied, dass sich dieser unter ihm mitbewegt. Eine Art von Motor vielleicht. Auf Anhieb und freihändig schaffe ich öfters einen Umlauf von 180° und einmal sogar 360°. Vielleicht ist das der Wirkungsmechanismus der "Rollenden Kugel", einem Versuch der Elektrostatik, dessen Versuchsaufbau man sich bei Physik Shop kaufen oder auch selber bauen kann. Ich möchte aber zunächst das "Potenzial" des entdeckten "Kreispendels" ("Drehpendel" ist in der Mechanik etwas anderes, daher bleibe ich bei dem Begriff Kreispendels).

Ping-Pong mit Seidenpapier am Rand

Mit der gewünschten Nachtruhe wird es aber noch nichts. Denn ich hefte den gefalteten Seidenpapierstreifen ans Lineal und stelle sehr schnelle zittrige Bewegungen (vermutlich Ping-Pong-Effekt) im Papierstreifen fest, wenn ich diesen vor den Rand der Kreisplatte führe.

Wattefetzen im Blechnäpfchen serviert

Dann setze ich das leere Blechnäpfchen vom Teelicht oben auf die Kreisplatte, nachdem ich es mit einigen kleinen Wattefetzen gefüllt hatte. Im Innern des nach oben offenen Näpfchens ist die Feldstärke gering (Faraday-Becher). Die Wattefetzen müssen also ein kleines Stück über den scharfen Blechrand hinaus ragen. Hier herrscht eine sehr hohe Feldstärke. Daher richten sich die Wattefetzen auf, rutschen im Blechnäpfchen nach oben, "balancieren" zittrig auf dem scharfen Blechrand und springen dann "ins Ungewisse". Viele fliegen aber bis zum 18-kV-Netzgerät und bleiben auf dem Gehäuse bzw. auch an der 18-kV-Durchführung "kleben". Da kann man sie wenigstens ohne Bücken leicht abpflücken.

Auch ein sehr schöner Versuch, der zum Spielen einlädt. Und nochmals wirkungsvoller, als die Wattefetzen nur lose auf die Kreisplatte zu legen. Das macht mir alles sehr großen Spass.

Gruss
Hans-Günter
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Hochspannungsversuche ohne Zauberring (V)

Ungelesener Beitragvon hgd » 21. Okt 2013, 23:36

Hallo Liste,

"Weihnachten" hat begonnen

Die Zeit hat begonnen, wo es sich lohnt, nach "Electrostatica" Ausschau zu halten. Ich meine die inzwischen bereits für Weihnachten präsentierten Weihnachtsbaumkugeln. Wer noch keine Kugelkondensatoren hat könnte sich hier eindecken. Die Oberfläche der Kugeln muss aber metallisch sein (elektrisch leitend) und glatt, also kein aufgeklebtes "Kleinzeug". An der Beschreibung wird klar, dass die meisten Christbaumschmuchhersteller an unser Hobby wohl eher weniger gedacht haben ...

Die Herausforderung liegt in der Montage. Anbohren zum Befestigen von Lötösen für Krokodilklemmen dürfte schwierig sein. Aber es könnten ja neue "innovative" Ideen beim Ein oder Anderen emporsteigen, die sich hier auch posten liessen, in der guten alten Tradition dieses Forums.

Alles hat seine Grenzen - auch bei Watte

Ich wollte heute die kleineren Ideen abarbeiten, die in Form von Ausdrucken und vielen kleinen gelben Klebezettelchen die Wohnung bevölkern. Zuallererst das Verhalten von Baumwollwatte zwischen zwei Kugelkondensatoren. Bisher hatte ich Baumwolleflocken bzw. -fetzen nur auf den einpoligen Kondensator, auf die oben im Zauberring eingesteckte Kreisplatte (vielleicht könnte man auch Teller dazu sagen), komplimentiert und den positiven 18 kV aus dem entsprechenden Hochspannungsnetzteil ausgesetzt.

Kugelkondensatoren sind ja auch einpoligen Kondensatoren, deren Gegenplatte aus dem ganzen Rest des Universiums besteht. Auch wir gehören dazu ("Ich bin eine Kondensatorplatte", bitte nicht laut sagen!)

Die Wattefetzen müssen länglich (aber nicht zu lang sein, ich finde bis zu 2 cm gut geeignet, aber auch ganz kleine, wie ich gleich feststellen werde). Vor allem müssen sie sehr "luftig", also leicht sein, dass sie nicht durch Eigengewicht zu schnell zwischen den Kugelkondensatoren hindurch fallen, sondern zwischen beiden Kondensatoren hin- und herspringen können.

Hängen sie weil zu lang unbeweglich zwischen beiden Kugelkondensatoren (dessen einer auf bis zu 18 kV aufgeladen und der andere mit der Erdbuchse (SL, Gehäuse) verbunden ist), ziehe ich beide Kondensatorn langsam auseinander. Bereits bei 5 kV springt ein Wattefetzen über 40 mm zur benachbarten Kugel und wieder zurück und zurück ... ist also ziemlich leicht, dieser Versuch. Bei 45 mm rutscht er aber immer weiter nach unten und fällt zu Boden. Seine Länge beträgt 20 mm.

Auf 18 kV erhöht spring Wattefetzen schneller und wird bei jedem Aufprall etwas zusammen gestaucht, aber nur kurz, dann haben ihn die elektrostatischen Abstossungskräfte nach dem Umladen wieder vollständig gestreckt und springt zurück. Vergrößert auf einen Abstand von 50 mm finden diese Kurzreisen mit einer Frequenz von ca. 3 Hz statt).

Bei 18 kV und Abstand von nur noch 25 mm sind diese Bewegungen zu schnell fürs Auge: Nur kurz klebt er als unscharfer weißer Schimmer an der Kathodenkugel (geerdete Kugel), deutlich länger bleibt er auf der Anodenkugel (auf +18 kV permanent aufgeladene Kugel) hängen. Vielleicht gelingt den schnellen Elektronen die Umladung an der Kathode in kürzerer Zeit, als es den positiven Ionen gegenüber möglich ist. Egal wie, die eigentliche Bewegung, der Wechsle von links nach rechts und wieder zurück bleibt fürs Auge unsichtbar. Nur die Existenz von zwei verwaschenen weissen Schimmern kündet von der Bewegung, es gibt ja nur einen einzigen Wattefetzen.

Bei einem Abstand von 60 mm reicht es nur noch für 3 bis 4 Seitenwechsel, dann schlägt der Fetzen unterhalb der Kugel auf, klammert sich an der Isoliersäule fest und rutscht wie im Zeichentrickfilm (wenn jemand gegen einen Laternenfall läuft) langsam die Säule herunter.

"historische" UHU-Fäden

Die entdecke ich jetzt überall, die Überbleibsel von letzter Nacht. Sie sind elastisch und fest genug. Ich halte sie über die Engstelle zwischen beiden Kugelkondensatoren. Sie strecken sich in die Länge, springen im gestreckten Zustand (ohne einzukicken oder sich zu biegen) zweimal hin und her, und entweichen schließlich der Aparatur nach unten. Das wäre eine weitere Motivation, sich nochmals mit UHU-Alleskleber (ohne Wasser) elektrostatisch zu befassen.

Stroboskopisches Beobachten

Das wollte ich bereits bei der Bienenkorblampe. Noch immer liegt ein kleiner Modellbaumotor mit Gummischlauch"flansch" auf dem Tisch. Idee war, dem Motor ein Flügelrad aus Karton aufzusetzten und vor die Bienenkorblampe zu halten. Mit etwas geschick, sollten nicht nur die beiden Elektroden wechselweise mit Glimmlicht überzogen zu sehen sein, sondern sich auch die Netzfrequenz bestimmen lassen.

Ersatzweise hatte ich folgende wie hier jetzt getan:

Ich spreize die Finger meiner rechten Hand (die ist für so etwas schneller, der Arm!), halte sie zwischen meine Aperatur und bewege sie kurzhubig aber schnell in senkrechten Bewegungen. Tatsächlich gelingt mir, statt zweier verwaschener weisser Schimmer nur einen einzigen zu sehen, der zwischen beiden Kugeln schwebt. Mann muss etwas üben, die Frequenz und die Phase muss stimmen, also langsam die Armbewegung in beiden "Richtungen" verändern. Aber ansonsten imho schön und mit einfachsten Mitteln ausgeführt, ohne jegliche Elektronik :-).

Als ich wieder einmal einen Wattefetzen herunter fallen lasse, bin ich etwas ungenau. Und wieder öffnet sich durch diesen Zufall ein kleines Türchen (am Elektrostatik-Kalender):

Der Wattefetzen fällt auf die Anodenkugel und sofort wieder zurück zur Hand. Einige Male geht das so hin und her. Ein weiteres schönes Erlebnis, dass am Baum der Möglichkeiten einen weiteren Versuchsast austreiben lässt. Trotz intensiven Experimentierens nehmen die Möglichkeiten nicht ab, sondern ständig zu, erinnert mich an die Hydra und dem Abschlagen deren Köpfe. Aber Elektrostatik fasziniert mich im mom mehr als altgriechische Literatur. Daher gehe ich erneut durch ein Türchen und ...

Staubwischen mit 18 kV

Gemeint sind weder Staubtuch noch Staubsauger, ersteres wäre vielleicht geeignet, Letzerer jedenfalls nicht.

Ich ändere die Haltung der Hand, die Geste. Statt flacher Hand, zeigt jetzt ein Finger von oben hinab in Richtung Kugel, der Feldstärke E, dem Gradienten des elektrischen Potenzials folgend. Und weil schmaler und spitzer als die flache Hand mit deutlich erhöhter Feldstärke an der Fingspitze. Hierhin springt nun der Wattefetzen hin und zurück und wieder hin, und massiert leicht meine Fingerkuppe. Es kribbelt auch in der Kuppe gaaanz leicht elektrisch. Bei all diesen Versuchen empfinde ich als gut zu wissen, dass dier Lichtbogen erst unterhalb von ca. 5 mm überspringt. Der körperliche Einsatz lässt aber die Fluchtdistanz gefährlich immer kleiner werden. Als das Zirpen der Koronaentladung einsetzt, weiss ich, näher dran wäre nicht so lustig und gehe mit dem Finger wieder zurück.

Im Gegenlicht schimmert die glänzende Oberfläche des Kugelkondensators. Ganz so glänzend ist sie nicht, weil alle mit feinem Staub belegt ist. Was solls! Aber, es lohnt sich immer genau und neugierig hinzusehen, genau dort, wo der Wattefetzen immer wieder aufsetzt, ist der Staub verschwunden! Das kann doch nicht sein. Aufgrund der hohen Feldstärke an der Fingerkuppe folgt der Wattefetzen meinem Finger auf fast der gesamten oberen Hemisphäre des Kondensators, ohne woanders hinzufliegen. Ich verweile an einer solchen Stelle, die ich vorher als staubbedeckt erkannt hatte. Nach ein paar Hüpfern ist diese Stelle makelos sauber, staubfrei. Es funktioniert wirklich! Ob elektrisch oder rein mechanisch oder oder/und ist mir erstmals egal, dann vertage ich die Recherche zu diesem Effekt, und schließlich wird auch dem Wattefetzen das ewige hin- und herspringen zu viel, er springt zuerst zum Daumen, dann ans Handgelenk und verlässt uns schließlich mit einem ultimativen Sprung auf den Fußboden.

Ein schöner Versuch vielleicht zur elektrostatischen Rauchgasreinigung. Diese liesse sich auch mit 18 kV demonstrieren. Als Nichtrauche lasse ich dieses Türchen allerdings geschlossen.

Zugbildung

... ist ein Begriff aus der Eisenbahnbetriebstechnik (früheres Hobby, Ihr entschuldigt bitte die vielen Assoziationen im Text).

Ich werde daran erinnert, als ich mir mal anschauen will, was ein Wattefetzen anstellt, wenn er nicht allein zwischen Plus und Minus springt, sondern ihm ein anderer Fetzen in die Quere kommt. Ich bin von der Baumwollwatte echt begeister, wie man da variieren und spulen kann und immer wieder (auch ungewollt) neue Effekte entdeckt. Das hatte ich zuvor noch nie so erlebt.

Währen also Nr. 1 unten zwischen den Kugeln elektrisches Ping-Pong spielt, lasse ich von oben einen gleichgroßen Wattefetzen herunterfallen. Er landet auf der Anodenkugel und beginnt sein eigenes Spiel zwischen Plus und Minus. Aber recht bald vereinigt sich Nr. 2 mit der Nr. 1, nicht parallel sondern in Serie (hintereinander). Zwei Wagen wurden zu einem Zug gekuppelt, daher meine Assoziation in der Kapitelüberschrift.

Schön zu sehen, wie sie hintereiander gekoppelt, gestreckt im Verband, und nicht als einzelne Elemente, hin und her springen.

Lasse von oben zwei weitere Fetzen nach unten fallen. Auch diese Neuankömmlinge werden sofort integriert. Im nun aus vier Wagen bestehenden, immer noch gestreckten Zugverband, pendeln sie nun als Wendezug zwischen den beiden Kugeln hin und her.

Synchronisierung ungleicher Partner

Damit ist meine Neugier noch nicht befriedigt. Was passiert, wenn ein ungleicher Partner, ein schwerer weil größerer Fetzen nach unten fällt, gibt es da Ärger? Nun, nichts leichter als das, dies sofort zu untersuchen, ohne Umbau möglich.

Jetzt gerät Sand ins Getriebe. Zunächst bilden sie einen gestreckten Zugverband, nach einigen Seitenwechseln aber trennen sie sich wieder. Und jeder geht eigene Wege, mit den unvermeidlichen Rempeleien, mal stoßen sie links, mal rechts, mal unterwegs in der Mitte zusammen, ohne sich zu verhaken. Eine Abstimmung zwischen ihnen findet also nicht (mehr) statt.

Nach einigen Minuten haben sie es sich aber wieder anders überlegt und sich wieder zusammen getan. Nun hüpfen sie als schein ein kugelliges Gebilde hin und her, kennte ich die Vorgeschichte nicht, ich würde nicht auf die Idee kommen, hier zwei ursprüngliche getrennte Elemente zu beobachten.

Auch dies wiederum gleichzeitig "schön" und interessant. Da steckt bestimmt viel Physik dahinter: "Energieminima" als stabile Systemzustände. Offenbar gab es unterhalb dem Niveau des "Zugverbandes" für diese ungleichen Partnern noch ein tieferes Niveau, das mit der gegenseitigen Zusammenballung als stabilsten Zustand.

Es sieht schon richtig unwirklich aus, wenn flauschige lockere Gebilde mit hoher Geschwindigkeit aufprallen, ohne sich etwas zu tun, ohne gestaucht zu werden. Erklärbar nur die die großen elektrostatischen Kräfte, die sie nicht nur auf Höchstgeschwindigkeit beschleunigen, sondern sie zudem immer gestreckt halten.

Keine Funkstörungen

Auf Langwelle lassen sich keine Funkstörungen mit einem Empfänger in direkter Nachbarschaft feststellen, die auf das elektrische Ping-Pong zurück gehen. Die Variabilität der Frequenz bzw. Periode als Funktion der Spannung und des Abstands, hätte das eindeutig feststellen lassen im Konzert der anderen Störung. Der Ladungsaustausch ist also viel zu gering, als Funkstörungen zu erzeugen. Von der Hochspannungserzeugen kann dies dagegen nicht behauptet werden.

Drahtseilakt

Nun lasse ich einen länglichen Wattefetzen auf das rote 18-kV-Kabel fallen: er wird angezogen und springt sofort zu den Fingerspitzen zurück, die Hochspannungsführende Seele des Kabels ist ja nicht geschirmt, das E-Feld erstreckt sich also durch die Isolierung in den umgebenden Raum hinaus. Das höre ich auch sofort, als ich dem Kabel zu nahe komme, es beginnt zu zirpen: Koronaentladung am isolierten Kabel.

Das wäre eines weiteren Versuchs wert, wie verteilen sich Ladungen auf der Oberfläche, gibt es Durchschläge durch die Isolierung, wenn ich eine geerdete Spitze dagegen halte?

Wenn ja, wie verhalten sich Hochspannungskabel (habe mir je ein Stück eines 40-kV- und eines 120-kV-Kabels gekauft. Die 40-kV-Version ist handlich und kaum auffallend, auf der Seele befindent sich eine dünne schwarze Lage. Vielleicht ist die leitend, um die Feldstärke auf der Seele (dem Leiter) auszugleichen? Die 120-kV-Version ist mit ca. 1 cm Durchmesser schon ziemlich unhandlich. Da könnte ich also gut vergleichen, auch mit höhreren Spannung (Influenzmaschine, Bandgenerator). Wenn ich mir vorstelle, was über unseren Kopfen im zig-Meter-Abstand hängt und zirpt, wäre hier in diesem Kabel? Anderes Thema!

Ohne Fingerspitze in der Nähe stehen die Wattefetzen noch eine Weile oben drauf, wandern dann auf die Kabelunterseite und springen dann unversehens bis zu 25 cm weit weg. Manche von ihnen kleben danach am geerdente Gehäuse des Netzteils, und können später leicht abgeflückt werden. Im Gegensatz zu Styroporkügelchen ist Baumwollwatte besonders benutzerfreundlich.

Watte im Förmchen

Setze einen hohen Kunststoffring (aus der Tesafilm-Rolle) oben auf die Anodenkugel und fülle locker viele kleine Wattefetzen hinein. Die Spannung wird wieder hoch gefahren: das "Gewölle" reckt sich nach oben ... und blitzschnell fliegen sie davon, hin zur Kathodenkugel, die ab jetzt allerdings nicht direkt, sondern über einen 2-Gigaohm-Widerstand geerdet ist. Ab sofort packe ich diese Kugel auch nicht mehr an.

Watte im Näpfchen

Die vielen kleinen Wattefetzen werden in ein leeres Blechnäpfchen (vom Teelicht) gepackt, ohne zu stopfen. Das Näpfchen stelle ich auf den hohen Kunststoffring von eben. "Spannung Marsch!". Erst bei 15 kV bewegt sich etwas. Im Innern ist die Feldstärke sehr gering, wenn überhaupt von Null verschieden (Prinzip des Faraday-Bechers). Das Näpfchen muss durch Influenz über den Ring hinweg erst aufgeladen werden, bevor sich auf dem scharfen gratigen Blechrand hohe Feldstärke einstellt. Ich helfe etwas nach: halte das Kunststofflineal kurz hinein und ziehe einen Fetzen ein wenig höher als den Rand. Und auf einmal werden alle anderen munter und springen aus dem Näpfchen heraus und fort in die Umgebung. Auch dies ist schön anzusehen und viel deutlicher, als der frühere Versuch mit den Styroporkügelchen.

Näpfchen direkt auf Kugel

Nun stelle ich das Näpfchen direkt auf die Anodenkugel, also ohne Kunststoffring. Jetzt ist alles etwas wackelig, das liesse sich mit einem Blechring lösen. Wiederum erst ab 15 kV kommt Leben ins Näpfchen (das ist wie oben mit dem Kunststoffring, der also auf dieses Verhalten keinen Einfluss hat). Alle Fetzen recken sich nach oben, über den Blechrand hinaus, und machen den Abflug. Ein Fetzen landen am Kurzschlussdrehknopf oben rechts und beugt sich von dort der 18-kV-Durchführung zu.

"Kraftnapf"

Ich will die Anodenkugel entladen und komme dabei mit dem Entladunsgbügel dem Näpfchen nahe. Dieses beginnt wie angestoßen zu schaukeln: Elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei leitenden Metallteilen. Ein Lichtbogen spring zwischen Näpfchen und Entladunsgbügel über, das sehr leicht Näpfchen kommt dem Entladunsgbügel entgegen, berührt und bleibt kleben: erneute Bestätigung für die Anziehungskraft zwischen zwei leitfähigen Gebilden. Und: ein neuer Versuchsast entspringt am Baum der Möglichkeiten: Versusch mit einem und mehreren Blechnäpfchen !

2-Napf-Versuch

Auf beide Kugeln (Kugelkondensatoren) setze ich je ein Blechnäpfchen und nähere mich beiden Näpfchen gleichzeitig mit dem Entladunsgbügel. Beide fangen an zu wackeln, schließlich fällt bei dieser Annäherung ein Näpfchen von der Kugel herunter.

l Die Näpfchen-Versuche sind zu wiederholen, auf ebendem Untergrund (Isolator oder leitend und mit einer Spannungsquelle verbunden.

Ausklang

Das verspricht interessant zu werden, auch ohne Baumwolle. Verschiede Aufbauten sind möglich, die elektrostatische Anziehungskraft zwischen zwei Leitern zu zeigen.

Ich könnte zwei Näpfchen auf einer Metallplatte aufstellen und beide einander annähern, und sehen, ob sich eines der beiden Näpfchen dabei wegschiebt,

beide auf isoliertem Grund einander gegenüberstellen, und nur 1 Näpfchen auflasen,

zwei Näpfchen isoliert aufhängen und dann Spannung anlegen.

Noch besser gefiele mir, im Zauberring oben eine Kreisplatte (mit +18 kV verbunden) einzustecken und ein Metallteil ohne Spitzen, am besten ein ausbalanciertes Blechnäpfchen, an der 20 g Federwaage aufzuhängen und diese Vorrichtung von oben vorsichtig auf die geladene Kreisplatte abzusenken. Eine zunehmende Anziehung sollte an der Federwaage erkennbar sein. Es gibt bestimmt noch mehr Varianten.

Hätte wirklich nicht gedacht, was mit mit 18 kV so alles anstellen kann. Die Blechnapf-Versuche wurden bereits mit wachsender Begeisterung durchgeführt. Aber es ist dafür jetzt schon spät. Fortsetzung folgt aber.

Gruß
Hans-Günter
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Hochspannungsversuche ohne Zauberring (VI)

Ungelesener Beitragvon hgd » 23. Okt 2013, 02:13

Hallo Liste,

Fortsetzung mit Blechnäpfchen

zuletzt hatte ich verschiede Versuche mit Watte aus Baumwolle vorgestellt und hatte diese auch in leere Blechnäpfchen aus Teelichtern gesteckt und mit 18 kV aufgeladen. Der Schwerpunkt verlagerte sich dann auf ein oder sogar zwei Blechnäpfchen (besonders im Zusammenhang mit Anziehung und Abstossung). Und dort machte ich am 21.10.13 weiter. Und hier ist diese Fortsetzung ...

elektrostatische Rutschpartie

Ein grober Vorversuch nutzt zwei Blechnäpfchen, die auf ihrem Umfang sich gegenüber liegen. Eines ist an Erde angeschlossen (das Minus-Näpfchen), das andere an bis zu 18 kV (das Plus-Näpfchen). Und beide befinden sich so auf dem Tisch (Campingtisch mit isolierender Tischfläche, mein üblicher Elektrostatik-Experimentierplatz). Weil ich mit Berührungen und Überschlägen rechne, ist in der "Leitung" wie üblich ein 2-Gigaohm-Widerstand eingeschleift.

Bei 18 kV stellt sich hörbare Koronaentladung an den Näpfchen ein. Ich schiebe das Minus-Näpfchen mit dem Lineal vorsichtig in Richtung Plus-Näpfchen (der Anode, folglich auch als Anoden-Näpchen zu bezeichnen). Das blecherne scheppernde Geräusch wird lauter, kurz findet ein Überschlag mit Bewegung des Plus-Näpfchen statt. Der Abstand zwischen beiden Näpfchen beträgt 6 mm.

Als ich das mit dem Kunststofflineal messe, findet entlang des Lineals ein weiterer Überschlag statt. Und sofort danach rückt das Anoden-Näpfchen (Plus-Näpfchen) ein kleines Stück zurück, weil beim Überschlag (Kurzschluss) die Spannung hinter dem 2-Gigaohm-Widerstand absinkt und die elektrostatische Anziehung für einen kurzen Moment verschwindet, bis sich die Spannung zwischen den Näpfchen über den "großen" Widerstand wieder aufgebaut hat.

Halte das Lineal bewusst als Dielektrikum zwischen beiden Näpfchen uns sofort erfolgt ein kräftiger Überschlag, der sich periodisch wiederholt. Die Ursache kann im Lineal gesucht werden, könnte aber aber auch im Tisch liegen, der ja ebenfalls als Dielektrikum, wenn auch schwächer wirken könnte. Jedenfalls ist das ein multimediales Erlebnis: es klappert, zirpt und brozzelt, man sieht das Zittern der Näpfchen und die Funken (Überschläge) zwischen ihnen.

Die Periodizität konnte man als Kippschwingung bezeichnen. Und ich habe den Eindruck, dass das Lineal zum Anoden-Näpfchen hin gezogen wird.

Die stärkeren Überschläge entlang von Isolatoren waren mir schon länger aufgefallen. Ursache könnte die durch die eingeführten Isolatoren (mit höherer Dielektrizitätskonstanter [lese in Wikipedia, dies sein ein veralterter Ausdruck, das passt gut, der Autor dieses Postings ist es auch] erhöhte Kapazität der beiden Näpfchen sein. Erhöhte Kapazität sammelt mehr Ladung, das Fassungsvermögen ist ja größer geworden. Und wenn es dann mal knallt, dann knallt es jetzt eben richtig und länger und weiter ... also kein Teufelswerk.

Stellungswechsel

Nun wird ein Blechnäpfchen normal (waagerecht, Öffnung oben, Boden unten) auf eine Cu-kaschierte Platine gestellt, die vor mehreren Jahren mit Lötlack eingesprüht wurde. Mit der 18-kV-Quelle (Pluspol) ist die Platine verbunden. Auf ihr also lose aufgesetzt das Anoden-Näpfchen. Die geerdete Kugelelektrode am Stil wird an das geladene Näpfchen heran geführt. Was wird wohl passieren?

Ab ca. 5 mm setzt eine hörbare Entladung, das lose also bewegliche Anoden-Näpfchen schiebt sich auf die Kugelelektrode zu und bleibt dort kleben.

Vorsicht - Kugel von oben!

Also nur die Richtung der Annäherung wird variiert. Das positive Näpfchen hebt auf einer Seite ab und berührt die geerdete Kugel. Das Ganze wird von sicht- und hörbaren Überschlägen begleitet.

Noch mehr ist aber variierbar. Und alles sollte einmal ausprobiert werden. Nun setze ich das bewegliche Anoden-Näpfchen mit seinem scharfen Blechrand auf die 18-kV-Platine (ich schalte natürlich vorher die Spannung ab und schließe kurz), die Öffnung zeigt nun nach unten, der Boden nach oben. Jetzt wird maximale Akustik erreicht: es scheppert, funkt und knallt vor sich hin, dass es eine Freude ist zuzuhören und zuzusehen. Das Anoden-Näpfchen hebt ab und pendelt mit hoher Frequenz zwischen Plus (Platine) und Minus (geerdete Kugel) hin und her.

Ich setze die Cu-Platine auf vier rote Hochspannungsisolatoren, die vielleicht nur für 10 oder 20 kV geeignet sind, im mom weiss ich das nicht, aber es reicht, die Anode (die Platine) vom "dielektrischen Tisch" etwas weg zu bekommen. Und nun werde ich übermütig und stapel zwei Blechnäpfchen aufeinander. Noch einmal wird das Klappern, Scheppern, Brozzeln und Knallen lauter. Vielleicht sollte man diesen Versuch nicht mehr nach 22 Uhr durchführen. Schliesslich fällt der Stapel um und auseinander.

Zwei Näpfchen nebeneinander auf Cu-Platine

Beide Näpfchen werden nebeneinander auf die Platine gesetzt, damit gibt es jetzt zwei statt ein einziges Anoden-Näpfchen. Beide sind nach unten offen, weil akustisch mehr versprechender. Sie kleben bei Annäherung der geerdeten Kugel aneinander. Jedes Näpfchen klappert mit einer anderen Periode. Mit mehreren unterschiedlich "gestimmten" Näpfchen liesse sich jetzt ein Instrument bauen ... ein "musikalisches" Näpfchenspiel, je nachdem wessen Scheppern gerade dominiert.

Da die Wirkung von Anziehung hier besonders starkt sichtbar wird, suche ich nach einer Konfiguration für die Visualisierung der Abstossung. Noch sind ja nicht Möglichkeiten durchprobiert. Die neue Variante zeigt ein Näpfchen mit Boden auf der Cu-Platine, das andere Näpfchen stelle ich hochkant, auf seinem Umfang, und damit leichter bewegbar (nämlich rollbar) in die Nähe zum ersten. Weil beide gleiches Potenzial haben (das von +18 kV) wird das hochkant stehende Näpfchen, bringt man es an das normal stehende vorsichtig heran, so stark abgestossen, das es von der Platine herunter rollt. Versuche das mehrmals, bis auf die feine Justierung ist der Versuch gut reproduzierbar.

Erstmals wird ein feines, sauberes, Weisses Rauschen hörbar

Statt der geerdeten Kugel schließe ich die Erde (Minuspol vom 18-kV-Netzteil an eine spitze Elektrode (der Funkenstrecke) an. Man sollte auf solche scheinbar ähnlichen Wiederholungen niemals verzichten. Es passiert immer wieder Unerwartetes. Ich halte die geerde Spitze nun an den Rand des nach oben geöffneten Näpfchens. Ein starkes Zirpen und (leichtes) Scheppern überrascht nicht wirklich. Halte ich aber die geerdete Spitze (den Minuspol) konzentrisch in die Mitte des Näpfches höre ich ein reines farbloses weisses Rauschen. Bei Koronaentladungen noch nie gehört. Kein Bruzzeln, Scheppern, Klappern, Knallen. Nichts desgleichen. Nur ein feines sauberes Rauschen offenbar ohne akustische Resonanz.

Ich vermute als Ursache einen starken Elektronenwind, der sich hier im feldfreien Raum des Inneren (Farady-Becher !) vollkommen symmetrisch gleichmässig auf die gesamte Innenwand des Näpfchens verteilt. Dies wäre es Wert, genauer untersucht zu werden. Vielleicht auch bei Dunkelheit, wobeu zunächst die Betriebsanzeige von Netzteil schwarz abgedeckt werden müsste.

Führe ich die Spitze tiefer nach innen, spring ein zentraler Lichtbogen senkrecht herunter auf die Mitte des Bodens. Damit verschwindet sofort das hauchfeine Rauschen, und auch egal wie geartete (akustische) Resonanzeffekte treten auf.

Ausklang

Als Ideen kamen neu hinzu ...

* zwei Näpfchen mit Schraube versehen und exakt parallel einander gegenüber stellen, isoliert, vom Boden (Tischfläche usw.) durch 10 mm getrennt, über die Schrauben aufladbar, als Funkenstrecke, für Dielektrika-Versuche, für Hoch- und Niederspannung

* zwei rechteckige Platten pendelnd aufhängen, vielleicht nur 1 einzige, mit sehr feinem Draht (vom Spulewickeln vorhanden) aufhängen. Mehrmals wiederholen, vielleicht lässt sich die Abstoßung und Anziehung "messen" (Abstossung wird bei Elektroskop und Elektrometer genutz).

Gruss
Hans-Günter
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Ein Traktor auf dem Campingtisch

Ungelesener Beitragvon hgd » 24. Okt 2013, 00:06

22.10.2013
Hochspannungsversuche ohne und mit Zauberring (VII)

Hallo Liste,

Die Versuche mit elektrostatischer Anziehung bzw. Abstossung vom letzten Tag werden fortgesetzt.

2-Näpfchen auf isoliertem Tisch

Auf dem Campingtisch mit Tischplatte aus Kunststoff steht ein leeres Blechnäpfchen (genannt Nr. 1, Öffnung nach oben, aus dem Umfang eine Lasche hinein geschnitten und heraus gebogen zum Anschliessen einer Krokodilklemme). Von dieser Lasche führt die Leitung über einen Widerstand zum Begrenzen des Kurzschlussstroms (2 GOhm, links und rechts von diesem die beiden Kugelkondensatoren, deren einzige Funktion die von hohen Stützpunkten zum Einhängen des Widerstandes ist) zum Pluspol des 18-kV-Netzteils. Blechnäpfchen Nr. 1 wird von einem zweiten Blechnäpfchen (genannt Nr. 2) beinahe berührt , welches rollfähig auf seinem Umfang steht und mit keiner Leitung und keinem anderen Leiter (ausser manchmal Nr. 1) verbunden ist.

Jetzt wird langsam die Spannung erhöht. Ab ca. 5 kV sind leise Überschläge zu hören. Man muss schon hinsehen um zu erkennen, dass im Takte der Überschläge das rollfähige Blechnäpfchen Nr. 2 von Nr. 1 kurz wegzuckt. Offenbar führen die Überschläge von Nr. 1 hinüber zu Nr. 2 dazu, dass Blechnäpfchen Nr. 2 - auf gleiches Potenzial wie Nr. 1 aufgeladen - eine elektrostatische Abstossungskraft erfährt und ein kleines Stück weggeschubst wird. Die aufgenommene positive Ladung verliert sich allerdings schnell wieder über den scharfen Grat. So entsteht ein Potenzialunterschied zwischen Nr. 1 und Nr. 2. Und Blechnäpfchen Nr. 2 wird wieder von Nr. 1 elektrostatisch angezogen: "zack!". So setzt sich das Spiel fort

Mit dem Kurzschlussbügel (isolierter Griff) Nr. 2 auf Nr. 1 zu bis zum Kontakt. Blechnäpfchen Nr. 2 erfährt dabei eine so starke Abstossung, dass es zurückrollt, sobald ich den Kurzschlussbügel aus seinem Inneren heraus ziehe.

Meistens aber befinden sich beide Näpfchen in einer Art von "Mikro-Ping-Pong" mit hoher Frequenz. Mechanische Resonanz: alles rappelt leise vor sich hin. Auch scheint Blechnäpfchen Nr. 2 häufig an ein und derselben Stelle vom Tisch zu kleben. Dies dürfte Polarisation des Dielektrikums "Tischplatte" an genau dieser Stelle sein.

Nun Spannung hoch bis auf 18 kV: Lautstärke und Rappelfrequenz erhöhen sich.

Ein Traktor auf dem Campingtisch

Bisher war das Rollnäpfchen (Blechnäpfchen Nr. 2) nicht mit Erde verbunden. Das soll nun anders werden. Mit dem Ende des Kabels vom Erdanschluss (Minuspol des Netzteils) berühre ich jetzt Blechnäpfchen Nr. 2. Es setzt ein heftiges "Roll-Ping-Pong" ein: Das Näpfchen rollt bis zu 10 mm weit von Nr. 1 weg zum Erdanschluss (Stecker am Erdkapel), ohne das starke Funken sichtbar sind. Man sollte sich das im Dunkeln anschauen, ob und wenn ja wo, schwache Fünkchen zu sehen sind.

Bei kleinen Abständen ist die Ping-Pong-Frequenz höher. Und es zeigen sich jetzt auch deutliche Funken. Am schönsten ist das Geräusch der Anordnung, die an das Laufgeräusches eines Motors (Lanz-Traktor) erinnert, wenn die Spannung herunter gedreht wird und dessen Betriebsdrehzahl auf seine Leerlaufdrehzahl abfällt. Und manchmal auch stehen bleibt, zumindest hier kommt das gelegentlich vor.

Mit einem präzise gefertigten und geführen Rad wäre das ein gut zu reproduzierender und effektvoller Aufbau. So ganz freihändig auf dem glatten Tisch ist es etwas schwierig, da sich das Rollnäpfchen bei jeder weiteren PPP (Ping-Pong-Periode) geringfügig verschiebt und dann der Motor bald stehen bleibt. Ansonsten ein sehr schöner Versuch.

3-Näpfchen-Versuch

In China gibt es die "Drei-Schluchten-Talsperre" (Jangtse), bei mir jetzt ein Versuch mit drei Blechnäpfchen. Von linsk nach rechts folgen Blechnäpfchen Nr. 3 (Öffnung nach oben, am Erdanschluss vom Netztteil angeschlossen, Blechnäpfchen Nr. 2 in der Mitte (wie zuvor als Rollnäpfchen ohne dauerhafte galvanische Verbindung) und rechts Blechnäpfchen Nr. 1 (jetzt einmal wieder "Anodennäpfchen" genannt, weil an +18 kV angeschlossen. Der gesamte Aufbau weithering auf einer Kunststoff-Tischplatte.

Rollnäpfchen - die Nummer 2 - pendelt rollend zwischen Anodennäpfchen und Kathodennäpfchen (die Nummer 3, am Minuspol, Erde vom Netzteil) hin und her, aber nie lange, den es beginnt zusätzlich zur Rollbewegung sich ein wenig um seine oben-unten-Achse (Zenit-Nadir-Achse) zu drehen, "verkantet" also. Ist es verkantet, berührt nicht mehr sein flächiger Umfang die beiden anderen Näpfchen, sondern sein spitzer Grat bzw. der Wulst (Kurvenradius) zwischen Boden und Umfang. Dies ist kein Zufall, so erhöht sich die Feldstärke (wie an Spitzen) und Anziehung und Abstossung werden kräftiger (so stelle ich mir das zumindest vor).

Rollnäpfchen auf geerdeter Cu-Platine

Das Rollnäpfchen befindet sich jetzt auf einer geerdeten (beinahe gut) leitfähigen Cu-kaschierten Platine. Was nicht gut ist: die Platine ist seit über 30 Jahren mit Lötlack eingesprüht. Das sollte aber bei 18 kV kein unüberwindbares Hindernis sein. Dies nicht beachtend kann man das Rollnäpfchen als immer geerdet betrachten. Die Platine endet 10 mm vor dem Anodennäpfchen. Die Platine ist leider nicht waagerecht, weil die einseitigen Krokodilklemmen das nicht zulassen. Justiere mit weiteren Klemmen, aber immer noch nicht optimal. Dann stelle ich die Platine auf vier Hochspannungsisolatoren. Aber auch das hilft nicht: die Tischplatte ist nicht in der Horizontalen. Vielleicht trifft dies auch auf den Fussboden zu.

Auch hier "verkantet" wieder das Rollnäpfchen beim Rollen (wie oben beschrieben). Der Dieselmotor vom Traktor tuckert wieder langsam vor sich hin. Allerdings knallt und klappert nicht mehr so wie bisher. Hier besteht also reiches Potenzial für geniale Bastelideen, diesen Versuch durch bessere Apperaturen zu verbessen.

Schwere Plastikkugel auf geerdeter Cu-Platine

Damit diese schwere Vollkugel aus Kunststoff (Dm. ca. 3 cm) nicht von Platine und Tisch rollt, lege ich als Führungshilfe das Plastiklineal an den Rand des gewünschten "Rollstreifens". Ohne "Nicht-fall-vom-Tisch-Device" (statt diese teilweisen Anglizismus mal etwas aus einer anderen Fremdsprache: noli me tangere, fühlt sich beim Anfassen auch ziemlich "elektrisch" an den Fingerkuppen an, ist aber vollständig mechanisch und zudem biologisch, vielleicht könnte man mit 18 kV dort auch etwas machen; die gespannte Samenkapsel zum Auslösen bringen) wäre dieser Versuch auch bei waagerechter Platine besser. Vielleicht könnte man ja in diese eine Nut einfräsen.

Trotz dieser Mängel im aktuellen Versuchsaufbau kommt eine langsame Ping-Pong-Bewegung für einige Perioden kurz in Gang und verebbt dann wieder.

Hier kann und sollte noch eingehender experimentiert werden mit dem Ziel, einen guten Versuchsaufbau zu gestalten (Bastelarbeit)

* Versuch auf Kunststoffplatte mit Nut ausführen
* Kugel am Galgen mit langem Faden zwischen zwei Kondensatorplatten aufhängen
* Kugel am Galgen mit langem Faden zwischen die Spitzen der Funkenstrecke hängen
* Kugel im "Rundlauffuss" aufladen. Läuft die bei einer möglichen Ping-Pong-Bewegung immer mit dem selben Drehsinn? Der Rundlauffuss ist eine etwas exotische geformte Verschlusskappe aus meiner Kruschtkiste "rund".

Blechnäpfchen am Haken (Federwaage)

Nach langer Abwesenheit kehre ich wieder zum Zauberring zurück. Über eine geladene Kreisplatte, oben im Zauberring eingesteckt, möchte ich die elektrostatische Anziehung mit einer schlangen Federwaage messen (Bereich 20 g). Das Blechnäpfchen "wiegt" 0,3 Gramm.

Damit sein Boden vollständig parallel zur Kreisplatte hängt, muss eine Tragekonstruktion erstellt werden. Mit dem Körner auf der Ambossplatte vom Schraubstock schlage ich vier gleich verteilte Löcher ins Blech des Umfangs. Daran hängt ein Tragegestelle aus Cu-Draht. Das Gesamtgewicht beträgt nun 2,1 Gramm.

Die waagerechte Kreisplatte vom Zauberring wird über einen Widerstand von 2 Gigaohm von einem Kugelkondensator geladen, wenn der Schalter zum 18-kV-Ausgang des Netzteils geschlossen ist. Der Schalter besteht wiederum aus dem ersten und einem weiteren Kugelkondensator, der mit dem 18-kV-Ausgang des Netzteils verbunden ist. Lege ich den Kurzschlussbügel oder eine Metallkugel zwischen beide Kugelkondensatoren, ist dieser Schalter geschlossen. Entferne ich die Kugel ist der Schalter geöffnet.

Das aufgehängte Blechnäpfchen befindet sich auf Erdpotenzial, ohne mit diesem galvanisch verbunden sein zu müssen. Sein gratiger Rand führt durch die dortige hohe Feldstärke (siehe Elmsfeuer) zum Ladungsausgleich mit dem Erdpotenzial der Umgeebung und damit auch des Netzteil(gehäuse)s.

Um den Einfluss des Experimentator aufs Experiment zu minimieren, halte ich nicht das obere Ende der Federwaage direkt mit meiner Hand, sondern halte ein PVC-Profil, an dem in ausreichenden Abstand die Federwage hängt :-).

Vorsichtig und freihändig senke ich die Federwaage mit unten angehängtem Blechnäpfchen in Richtung Mitte der Rundplatte ab. Die Ferderkraftanzeige steigt bei jetzt 18 kV bis auf auf ~4,5 Gramm. Die elektrostatische Anziehungskraft beträgt also ca. 4,5 pond. Gerne würde ich langsam weiter nach unten absenken, aber die Kraft im elektrischen Feld zieht blitzschnell das Näpfchen nach unten auf die Platte, die sich dann beginnt über das Näpfchen zu enladen. Das geht so schnell, dass ich trotz mehrfacher Versuche keinen größeren Wert als ~4,5 ablesen kann. Dabei schwing auch die Feder in vertikaler Richtung. Hier ist dringlich eine Verbesserung erforderlich, die Feder muss am Galgen isoliert aufgehängt sein mit feiner Einstellmöglichkeit der Absenkung, damit ich mich auf das Ablesen der Federkraft konzentrieren kann.

Gut wäre die Erdung der Federwaage, dann brauchte ich nicht immer wieder neu aufzuladen. Und um mögliche Entladung bei Annäherung an die Kreisplatte bräuchte ich nicht mehr zu kümmern.

Das System Feder, Kondensator (Blechnäpfchen plus Kreisplatte) ist auch mechanisch schwingungsfähig. Es stellen sich periodische vertikale Ping-Pong-Bewegungen mit einer Frequenz von ca. 3 Hz ein. Mit den messbaren Werten wie Gewicht, Abstand, Federkonstante, Spannung und Geometrie der Abmessungen liesse sich auch einiges Berechnen. Aber das ist hier nicht mein Thema.

Das Blechnäpfchen scheint der Mitte der Kreisplatte zudem auszuweichen. Das ist wieder ein Effekt, der auf die Möglichkeit eines Kreispendels erinnert.

Auch das sind Gründe für einen präzisen Versuchsaufbau, der dies alles viel besser beobachtbar und messbar machen würde. Wiedereinmal bin ich erstaunt, was man alles aus so einfachen Versuchen heraus holen kann.

Ausklang

Folgende Ideen kamen neu hinzu ...

* Federwaagenversuch am Galgen wiederholen
* Kreispendelversuche am Galgen über Kreisplatte mit Näpfchen
* Kreispendelversuche am Galgen über Kreisplatte mit Blechkugel
* Kreispendelversuche am Galgen über Kreisplatte mit Kunststoffkugel

Gruss
Hans-Günter
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Spannungserhöhung

Ungelesener Beitragvon hgd » 25. Okt 2013, 00:34

Hochspannungsversuche mit Zauberring (VIII)

22.10.2013

Hallo Liste,

Heute kommt ein grundlegender Versuch der Experimentalphysik zur Ausführung. Ich wollte den schon immer durchführen, weil ich ihn interessant fand und immer noch finde. Und die noch nicht ausgeschlossene Möglichkeit, das auch auf dem eigenen Experimentiertisch nachvollziehen zu können, das hält mich seit einigen Wochung in (unter) Spannung. Erforderlich ist ein Plattenkondensator, mit dem es möglich ist, innerhalb kürzester Zeit seine Platten von einer weg zu ziehen. Das geht nur (wenn überhaupt) mit dem Kreisplattenkondensator im Zauberring. Und die große Frage ist, werde ich das ohne schnell folgendem Hochspannungs-Voltmeter, nur mit dem an manchen Stellen hakenden Elektroskop beobachten können? Da sind schon ein paar "aber"s drin. Aber fangen wir einfach an.

Spannungserhöhung im Plattenkondensator

Der Kreisplattenkondensator vom Zauberring wird wie üblich über einen "Schalter", zuletzt detaillierter beschrieben, bei Bedarf geladen. Das Elektrometer ist mit der "Anodenplatte" (der mit +18 kV aufgeladenen Platte) verbunden. Abstand der Platten ist 5 mm.

Das war nicht so gut: ein lautstarker Knall erinnert mich daran, 5 mm sind für 18 kV zu wenig. Und ohne 2-Gigaohm-Widerstand zum besseren Verkraften von Kurzschlüssen bzw. Überschlägen, wurde der interne 564 pF Kondensator schnellstmöglich, mit größtmöglicher Stromstärke entladen, daher der Knall.

Der Kondensator ist ja eigentlich ziemlich mickrig, im Internet und auf Flohmärkten gibt es bedeutend höhere Kapazitäten, teilweise ölgefüllt, mit vermutlich manchmal auch PCB. Gerade Letzteres will ich mir nicht antun. Wer das nicht versteht, kann mal im Internetrecherchieren, vielleicht unter Hinzufügen von "Dortmund". Unser Hobby, kostengünstig realisiert kann auf mehr als nur diesem Schauplatz zur Gefährdung unserer Gesundheit führen.

Der Grund der Beschränkung besteht in der Tödlichkeit (Lebensgefahr, was heisst Lebensgefahr auf Französisch? Bitte nicht wörtlich zu übersetzen. Was wir im Deutschen dafür sagen ist imho auch "unlogisch". Wenn die Stromstärke nicht konstant ist, weil sich die am sich entladenden C laufend ändert, wird die gespeicherte Kapazität zum bestimmenden Parameter. Bei gleichbleibender Spannung wird mit größerem C auch die Ladung größer, es gibt da Grenzwerte, aber egal wie, gedankenlos am HV-Ausgang extern weitere Kapazität anzuschalten, das will überlegt seint, nicht nur einmal beim Kauf via ebay.

Zeigefinger nach unten! So. Nochmal neu, der Versuch: Aufladen, trennen vom Netzteil und schnell die Platten auseianderziehen. Die Apparatur entlädt sich aber so schnell, dass ich nur so eben aus dem rechten Augenwinkel einen kurzen Anstieg der Spannung (am Elektrometer aus leichter Ausschlag nach rechts) bemerke. Ja es wird schwierig. Offenbar entlädt sich dieser Kondensator mit der geringen Kapazität sehr schnell über "parasitäre" Ableitwiderstände und vielleicht auch über die zahlreichen Spitzen der Krokodilklemmen.

Ich hänge den 2-Gigaohm-Widerstand um und kann jetzt zumindest den gesuchten Effekt dadurch erkennen, dass der Ausschalg am Elektrometer nicht sinkt, sondern konstant bleibt, während ich die Platten auseinander ziehe. Ich werde bescheiden(er).

Dielektrikum im Plattenkondensator

Ich schiebe eine neu gekaufte (aus der Restebox eines Baumarktes) 5 mm dicken Plexiglasplatten zwischen die Kondensatorplatten und lade auf. Beim Herausziehen gibt es einen Überschlag über eine Kante hinweg und die Ladung ist futsch.

Lade den Kondensator auf und schiebe die Plexiglasplatte erst danach hinein, entferne die Speisung aus dem Netzteil und warte ab: die Spannung bleibt längere Zeit auf ihrem angezeigten hohen Niveau, es befindet sich jetzt als Folge der Polarisation im Dieelektrikum erheblich mehr Ladung nicht nur auf den Platten, sondern auch dazwischen, also im Kondensator, als ohne den Kunststoff, als nur mit Luft.

Ziehe nun das Plexiglas heraus, erst jetzt beginnt die Spannung zu sinken. Wie genau das theoretisch zu bewerten und zu erklären ist, müsste ich im Buch nachlesen. Ich merke mir aber, dass so ein Effekt eben aufgetreten ist.

Nun will die Kreisplatten schnell auseinander ziehen, den gewünschten Effekt damit auf niedrigerem Spannungsniveau vielleich sehen. Dabei füllt die Krokodilklemme von der Kathodenplatte (Minuspol, Erde) ab. Und ich bemerke wieder so einen Effekt, welcher den Versuch nach vorne katapultiert: die am Elektrometer angezeigte Spannung steigt um einige kV ! Für mich unerwartet.

Noch mal: Laden, Trennen, jetzt das Erdkabel von der Kathodenplatte abgezogen (man muss schon wissen, wo am anfassen kann und das auch nur dort tun. Gut, dass es die Erde gibt :-) Das ist schon etwas trickreich, denn beim Aufladen darf es keinesfalls zu einem Überschlag über die Stirnfläche des Dielektrikums kommen. Der Abstand beträgt 10 mm, ziehe vorsichtig das Erdkabel vom Anschluss an der Kathodenplatte ab, und schiebe die Kathodenplatte mehrmals nach außen und wieder zurück zur Gegenplatte hin. Dabei schaue ich immer zum Elektrometer, was sich elektrisch am Kondensator tut. Und was ich dort sehe, ist toll.

Die Spannung steigt und sinkt entsprechend nur durchs Verschieben der Kondensatorplatten !
Das ist wirklich sehr schön und gut!

Das Einführen des Dielektrikums, nach Trennung von der Erde, hat keine Wirkung, was ich im mom nicht verstehe. All das müsste in einem präzise gefertigten Kondensator mit viel größerer Fläche bei bester Isolation wiederholt werden. Auch die Unterstützung durch mehr Theorie könnte gesucht werden. Aber nicht an dieser Stelle.

Nun kommen die beiden Reibefolien (mit zusammen 1 mm Dicke) an die Reihe und werden eingeschoben. Ich muss sie so anordnen, dass sie beim Auseinanderschieben der Kondensatorplatten nicht heraus fallen. Aufladen, Trennen, Erdkabel ab- und Platten auseinander ziehen: Die Spannung steigt von 15 kV auf 18 kV. Sehr schön, da es keinen Durchschlag durch die Folien und keinen Überschlag um die Folien herum gibt. Sie sind auch etwas größer als die zuvor verwendeten Plexiglasscheiben.

Warum sind die Funken, wenn es sie gibt, so kräftig und lang? Imo ist das bedingt durch die größere Kapazität des Kondensators mit diesen Dielektrika. Da ist mehr Ladung gespeichert (oben bereits angesprochen).

Mit "etwas" Dielektrikum vor einer Platte kann imho der Kondensator als Reihenschaltung aus zwei Kondensatoren angesehen werden, einem mit geringem Abstand und mit dem Dielektrikum, und dem anderen, der luftgefüllt ist und dessen Plattenabstand verändert wird. Für die Gesamtkapaziät gibt es für diese Variante eine Formel. Es wäre interessant zu sehen, was in der Formel für den hier geschilderten Fall passiert. Es könnte ja sein, dass wir dann verstünden, warum diese Versuchsvariante, mit dem Auseinanderziehen der Kondensatorplatten mit einem dünnen Dielektrikum die Versuche so deutliche Ergebnisse ergeben.

* mit der Formel für die Serienschaltung den Versuch durchrechnen ...

Eigentlich müsste man ja bereits beim Aufladen auf das Erdkabel verzichten können. Die Variationen der Spannung (Erhöhung und Verringerung) fallen hierbei allerdings erheblich schlechter aus. Über die Gründe kann ich bei Niederschrift nur Vermutungen anstellen.

Gruss
Hans-Günter
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Eine Tsunami im Badezimmer

Ungelesener Beitragvon hgd » 27. Okt 2013, 00:41

22.10.2013
Hochspannungsversuche mit und ohne Zauberring (IX)


Hallo Liste,

Feuertaufe

Eben hatte ich zum ersten Mal bei den Hochspannungs- und anderen Versuchen einen gewischt bekommen, Ich hatte eigentlich viel früher damit gerechnet, andererseits mir auch immer Mühe gegeben, dies zu vermeiden, als Übung für später, wenn Spannung oder / und Leistung gesteigert werden (z. B. durch andere Hochspannungsquellen oder auch durch Einsatz von mehr Kapazität in den Kondensatoren. Ich betrachte das daher als "erzieherische Massnahme".

Wie konnte das passieren? Ich hatte doch mehrfach die parallelgeschalteten Kugelkondensatoren, und damit auch den Zauberring entladen. Aber die im Versuch meistens auf Erdpotenzial liegende Platte war nicht mehr geerdet. Und die Folien zwischen den Platten trugen auf ihrer Oberfläche noch Ladungen (von der Polarisation). Wie sehr die Folien noch geladen sind, bemerke ich beim Herausziehen aus dem Kondensator: sie "kleben" fest zusammen, und es knistert beim Trennen.

Sicherheitshinweis !
Lassen Sie keine Metallplatten und Kunststoffplatten unentladen herum stehen !


Ich erinnere mich auch erneut an die Versuchsaufbauten für 100 kV in Aachen, wo als Widerstände mit destilliertem Wasser gefüllte PE-Schläuche Verwendung fanden. Nach jedem Betreten des Käfigs wurde der Erdungsnagel über ALLE Schläuche hinweg geführt, um die auf der trockenen PE-Aussenseite noch sitzenden Ladungen zu entfernen. Das war lebenswichtig.

Das gilt also auch für Dielektrika in Kondensatoren, nicht nur für die Kugelkondensatoren.

Leitungswasser als Dielektrikum

Irgendwo gibt es notierte Ideen für Wasser als Dielektrikum von Kondensatoren: von flüssigem Wasser und von gefrorenem Wasser (Eis). Neulich hatte ich hierzu einige Ideen notiert. Und ein Versuch mit Wasser aus einem Buch der "Experimentalphysik" nutze den Effekt, dass Dielektrika in geladen Kondensatoren hinein gezogen werden, als Grundlage für theoretische Erörterungen und Berechnungen. Mir ging es hier aber nur darum, diesen Effekt selber zu sehen, dass Wasser zwischen zwei parallelen Platten ansteigt, wenn Hochspannung angelegt wird.

Mein selbstgebauter Plattenkondensator wird hochkant (mit senkrechten Platten) in eine Kunststoffschale mit Leitungswasser gestellt.

Es ist nur äußerst schwer möglich, den Wasserspiegel innerhalb des Kondensators zu sehen. Einfärben wäre notwendig! Aber dabei dürfen keine Ionen in Lösung gehen. Die Platten des Kondensators dürfen ja keinesfalls kurzgeschlossen werden. Zur Überwachung der Spannung wird die Hochspannungsplatte (die an +18 kV angeschlossene Anodenplatte) ans Elektrometer angeschlossen.

Leider misslingt der Versuch, selbst bei 18 kV steht der Zeiger vom Elektrometer auf "Null". Das eingefüllte Leitungswasser ist bei nur maximal 0,5 mA viel zu leitfähig für diesen Versuch.

Destilliertes Wasser als Dielektrikum

(Noch) kein Problem. In der Küche steht in der Abteilung Kfz hoch oben auf dem Regal eine Flasche mit demineralisiertem Wasser "für Haushalt, Auto und Hobby". Dafür hatte ich das noch nie eingesetzt.

Warum ist Wasser so interessant? H2O weist eine relative Dielektrizitätszahl von 81 auf. Das ist ziemlich viel. Entsprechend deutlich müssten auch die Effekte sein. Sein Brechungsindex beträgt n = 9, das ist die Wurzel aus 81, ein erster Hinweis darauf, dass Licht etwas "Elektrisches" ist. Dies hier ist damit auch die Auflösung einer Frage aus einem früheren Posting. Nach diesem Zusammenhang müssten alle Isolatoren durchsichtig sein. Mehr dazu in einem Physikbuch. Aber man kann sich dennoch bereits fragen, warum zwar Glas-, aber nicht Porzellanisolatoren durchsichtig sind. Was ist bei Porzellan anders? Ich mag solche Fragen, die Theorie und Praxis verbinden ...

Zurück zum Wasser mit destilliertem Kondensator. Ich drehe die Spannung hoch auf 18 kV, aber weder Wasserspiegel noch Spannung am (Ladung auf dem) Elektroskop steigen. Einzige Erklärung: das demineralisiertem Wasser ist für (mein) "Hobby" noch zu leitfähig.

Vielleicht stören auch die Kunststoffschrauben, die ja gehüllt in Luft (niedrigere realtive Dielektritzitätszahl) an ihrer Oberfläche Oberflächenentladung zeigen. Jetzt müssten diese Oberflächenentladungen eigentlich unter der Oberfläche der Kunststoffschrauben verlaufen. Vielleicht aber doch im Wasser? Selbst bei Dunkelheit sehe ich keine Fünkchen im Wasser. Nichts tu sich. Also: langweilig und misslungen.

Tsunami

Zumindest langweilig ist es nicht mehr, als der hochkantgestellte Plattenkondensator umkippt und flach in die wassergefüllte Plastikschale fällt. Die Folge ist eine kleine "Welle im Hafen" (Tsunami), immerhin aber groß genug, um über den Rand der Wasserschale zu schwappen. Zumindest fällt meine Stromversorgung (18 kV) nicht aus ...

Aber dennoch, ich habe keine Lust mehr. Jetzt muss alles spannungsfrei geschaltet und dann aufgewischt werden.

Ausklang

Mit meinem Kondensator ist das Murks. Es muss eine nicht kippende Konstruktion gefunden, glasklar transparent. Mit Schwerpunkt unten, vielleicht aber auch am Galgen aufgehangen. Ich denke inzwischen an die Müsli-Becher aus der Bäckerei. Die haben eine Verschlusskappe oben. Ein solcher Becher würde vielleicht dicht genug sein, um Flurschäden der geschilderten Art zu vermeiden. Eine neue interessante Aufgabe für Bastelfreunde. Statt Wasser könnten auch andere Flüssigkeiten genommen werden. Nicht was stinkt und feuergefählich ist. Glycerin wäre wohl geeignet. Aber das schmiert wohl. Färbung mit Eosin, funktioniert das (auch elektrisch) bei Glycerin ? Eisenglimmer wäre wohl ziemlich ungeeignet. Styroporflöckchen?

Neue Ideen

Die Liste der aktuellen Ideen zusammen gefasst ...

* neuen Kondensator konstruieren, vielleicht Zylinder mit Innenzylinder, auch mit Färbung experimentieren.
* im neuen Kondensator Glycerin aus der Drogerie einfüllen.
* wäre das "Gewürm" als Innenelektrode für Wasser bzw. Glycerin geeignet?
* Dielektrikum (Plexiglasplatte) pendelnd aufgehängen. Wird dieses zwischen die Platten eines Kondensators gezogen?

* das "Gewürm" mit Salzwasser füllen und mit geänderter Aufhängung als Kondensator nutzen (messen und 18 kV). Funkt bestimmt an der Öffnung oben.

Gruß
Hans-Günter
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Kling, Glöckchen, klingelingeling

Ungelesener Beitragvon hgd » 24. Nov 2013, 23:59

Kling, Glöckchen, klingelingeling
Elektrostatik (7)


Hallo Liste,

Einstimmung

da alsbald unser Interesse auf die Elektrostatik einschwenken dürfte, erlaube ich mir zuallererst auf die Quelle meiner Eingebung zu verweisen (Wikipedia) ...

http://de.wikipedia.org/wiki/Kling_Gl%C3%B6ckchen
(auch mit Audio !)

Für den nicht so klickagilen Elektrostatiker hier ein Hinweis: Es handelt sich um den Titel eines deutschen Weihnachtslieds aus dem 19. Jahrhundert. Es passt auch gut zu Weihnachten, dem wir uns mit exponentiell steigernder Geschwindigkeit nähern und wo zumindest ich, jedes Jahr Staune, wie unerwartet schnell sich dieser Termin wieder einmal unerkannt angeschlichen hat.

20.11.2013

Dies war der allererste Versuch zum Thema, als fröhlicher Ausklang einer etwas anstrengenden Versuchsreihe. Am Galgen mittels Nylonfaden befestigt, hängte ich ein Weihnachsglöcklichen (ohne Klöppel) zwischen die senkrechten Kreisplatten des "Zauberrings". Der Plattenabstand betrug 37 mm. Bereits unterhalb von 5 kV fing das Glöckchen von ganz alleine an zu pendeln und an den beiden Kondensatorplatten anschlagend, deren Ladung auszugleichen. Das "regelbare" 18-kV-Netzteil erwies sich aber als stärker.

Richtig gut geklungen hatte es nicht, es war eher eine Folge harter Aufschläge auf die Platten. Heute (24.11.2013) las ich im Internet, dass einige Experimentatoren diesen Versuch auch als "Trommler" bezeichnen. Dabei ist es egal, ob ein Glöckchen oder eine leitende Kugel gegen die Platten schlägt. Vielleicht könnte man eine leitfähige Folie (Alu, metallisierte Folie) straff spannen (in einem kleinen Stickrahmen vielleicht oder auf einen dünnen Holzring aufkleben, und dieses Teil dann an - bzw. +18 kV anlegen. Das würde sich bestimmt interessant anhören.

Dieser kurze Versuch stimmte mich so froh, dass noch in dieser Nacht die Fortsetzugn beschlosse Sach war.

24.11.2013

Hochspannungscreme

Heute lege ich erstmals meine "Hochspannungscreme" an, weil nicht ausgeschlossen ist, dass es irgendwann auch mal wieder "funken" könnte. Und davon hatte ich schon zweimal eine rote Nase bekommen. Das störte mich etwas, besonders in der Zeit des Glühweins, die ja demnächst beginnen dürfte. Die Aufbauarbeiten sind bereits im Gange.

Also lautet der technische Wahlspruch dieses Abends: "SSF 25x".

Bevor es aber los geht, muss ich Euch noch eine traurige Nachricht mitteilen: Meinem Spannungsprüfer geht's nicht gut. Genauer: er geht überhaupt nicht mehr. Zumindest an 230 V gibt er keinen Mucks - bzw. genauer - keinen Blink mehr ab. Aber er kommt dennoch nicht in die Tonne, denn zumindest bei dem Versuch einer Reanimation mit 18 kV zuckt es kräftig in ihm. Danach ist leider wieder Ruhe :-(

Kette aus Sicherheitsnadeln

Da sich das Knoten von Nylonfäden nicht als geliebte Tätigkeit herausstellte, kam der Wunsch nach benutzerfreundlichen Alternativen auf. Zunächst der Gedanke an die Kugelkette (Perlenkette) oder (neu) an eine Kette aus Sicherheitsnadeln.

Sechs lange Sicherheitsnadeln ergeben eine ausreichende Länge, um sie vom Galgen in den Zwischenraum der Kreisplatten des "Zauberrings" hinein hängen zu lassen. Gedacht als Hilfsmittel für andere Pendelobjekte, will ich mir anschauen, wie sich dieses zwar isoliert aufgehangene, aber gut leitfähige Gebilde ohne Anhang im elektrostatischen Feld verhält.

Abstand der Kondensatorplatten: 22 mm. Es bedarf weit mehr als 5 kV, um aus der Mittenlage ein anschwingen zu bewirken. So weit will ich nicht herauf drehen. Erheblich wirkungsvoller ist ein kleiner Schubs, der bereits bei deutlich weniger als 5 kV eine gute Pendelbewegung sicherstellt. Mit Erhöhung der Spannung nimmt die Frequenz des Pendelns zu.

Die Verlagerung der Sicherheitsnadelkette zum Rand der Kreisplatten führt zur Bildung einer Perkussions-Gruppe: die Kreisplatten schwingen in ihren Eigenfrequenz und erweitern so das Ensemble um den höheren Frequenzbereich.

Unterbrechung

Die musikalische Darbietung muss unterbrochen werden, die Spannung ist zu niedrig, weil der Lamettaschopf sich einmischt und mit einem seiner vielen Arme das Elektrometer betatscht und mit einem anderen Arm sich über die Rolle Küchenkrepp hermacht. Da fliesst mehr Ladung ab, als das Netzteil nachliefern kann. Das Eingreifen der ordnenden Hand erforder zunächst Abschalten, Kurzschliessen und Feststellen der Spannungsfreiheit, gemäß der internen Sicherheitsregeln.

Trommelwirbel

Danach gehts weiter. Jetzt schwingt die Sicherheitsnadelkette bei 5 kV auch ohne Schubser selbständig an und wird mit steigender Spannung immer schneller. Bei 15 kV stellt sich ein mit den Augen nicht mehr zu verfolgender Trommelwirbel ein.

Jetzt treten auch Überschläge auf. Nicht mehr die gesamte Kette pendelt bzw. schwingt, sondern nur noch das untere Teilstück bestehend aus zwei Sicherheitsnadeln. Elektrisches Verhalten beginnt durch mechanische Resonanzeffekte beeinflusst zu werden.

Auch einen Dirigenten gibt es inzwischen: die weihnachstkugellose Drahtaufhängung derselben, oben am Galgen, in der Nähe der Sicherheitsnadelkette spielt "Elektroskop".

Schwingungsversuche

An die unterste Sicherheitsnadel werden nun parallel zwei kurze Sicherheitsnadeln gehängt. Damit nähert sich die bisher gleichmäßig mit Masse belegte Kette einem typischen mechanischen Pendel an. Beim Durchlaufen der Spannung zeigen sich mehrere Resonanzen. Entsprechende Schwischungsversuch liessen sich jetzt durchführen.

Kleines Glöckchen mit Klöppel an Kugelkette

Als Aufhängen wird jetzt eine Kugelkette mit Schließer verwendet. Die Kügelchen sind sehr klein. Besser ist, die Kügelchenlkette nicht zu einer Schleife zu schließen, sondern linear zu lassen und das überhängende Teil oben in der Rinne des Galgens zu verstauen. Aber es geht auch so, vielleicht nur nicht so gut.

Abstand der Platten: 35 mm. Das zaghafte Klingeln des Glöckchens geht unter im Klopfen des "Trommler", beim Aufprall auf den Platten entstehend.

Ich schiebe den Galgen so weit weg, dass das Glöckchen am Rand des Plattenpaares schwingt, dessen Kreisplatten mit dem Glöckchen gemeinsam nun im höheren Frequenzbereich klingeln bzw. schwingen.

Das Netzteil wird ausgeschaltet, aber sein interner Kondensator speist voll geladen weiterhin über die beiden Kugelkondensatoren (verbinden mit dem 2,2 Gigaohm Widerstand den Kreisplattenkondensator im Zauberring.

Das Glöckchen pendelt immer noch mit Plattenkontakt. Das dauert. Erst nach mehreren Minuten bleibt dieser aus, und Kugelkette mit Glöckchen schwingen langsam aus.

Kleines Glöckchen mit Klöppel am Nylonfaden

Doch noch einmal wage ich mich an den widerspenstigen Nylonfaden heran und hänge das Glöckchen zentrisch in den Zwischenraum des Plattenkondensators bei einem Abstand von 35 mm. Das Klopfen des "Trommlers" stört erneut. Um das zu verhindern müsste statt von Glöckchen im E-Feld ein kurzes Metallstück aufgehängt sein. Und die Kondensatorplatten müssten die Funktion von Klangschalen übernehmen, vielleicht solche Klangschalen sein.

Vielleicht gibt es in Musikaliengeschäften ja kleine runde "Bleche" (Becken ?), die sich zu einem Kondensator fügen liessen. Ansonsten muss ein Affe her, ein solcher aus Stoff, mit Uhrwerk zum Aufziehen. Bastler an die Front ... :-)

Ausblick

Da jetzt alles so richtig eingependelt ist, kommt mir wieder der bisher nicht erfolgreiche Veruch in den Sinn, ein pendelnd aufgehängtes Dielektrikum sich bei zunehmender Feldstärke in den Zwischenraum hinein ziehen zu lassen. Als Objekt liegt auf dem Tisch ein Lineal aus Kunststoff.

Darüber berichte ich beim nächsten Mal, weil sich dabei weitere Effekte ergeben, die detaillierter geschildert werden sollen.

Auf der "Pendelagenda" stehen damit noch folgende Versuche ...
l metallische Perlenkette "Stöpselkette" ohne Anhang
l mit Messing-Glöckchen
l Kunststofflineal

Und als Bastelanregung von oben wiederholt ...
l leitfähige Folie (Alu, metallisierte Folie) straff spannen (auf einen dünnen Holzring aufkleben) und kontaktieren und im Zauberring oder auf einer Grundplatte montieren (als trommelnder "Trommler".

Gruss
Hans-Günter
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Alle Versuche durchgeführt

Ungelesener Beitragvon hgd » 7. Dez 2013, 23:26

Hochspannungsversuche mit und ohne Zauberring (X)
Alle Versuche durchgeführt - Aus für den "Elektro-Zauber"

07.12.2013


Hallo Liste,

lange hat sich in diesem "thread" nichts mehr getan. Die Versuche, welche mit dem "Zauberring" als zentralem Gerät des Experimentierkastens "Elektro-Zauber" durchgeführt werden, dauern an, laufen aber zunehmend in der Rubrik "Elektrostatik". Inzwischen wurden bis auf drei Versuche alle anderen des Kastens durchgeführt. Und die drei fehlenden sind mehrfach ausserhalb des Kastens vollzogen worden.

Der Kasten wurde also auch platzsparend aufgelöst. Seine Materialien befinden sich in derKruschtkiste "Elektrostatik", mit deren Inhalt auch viele Versuche der Reihe "Gasentladung" bestritten werden. Das läst sich eh nicht trennen, denn sobald es flackert oder knallt, ist es mit der Ruhe der Elektrostatik vorbei und es fliesst ein Strom. In den Physikbüchern sind das ja auch getrennte Kapitel. Bei Überschlägen im Vakuum, die es ja auch gibt, müsste man sich einen anderen Titel überlegen, aber soweit ist es zumindest bei mir noch nicht.

Zuhause befinden sich noch zwei "unbespielte" Experimentierkästen zum Thema Elektrostatik. Sollte darin etwas Besonderes sein, würde das unter "Elektrostatik" wohl erscheinen.

In diesem Sinne wird es von mir hier keine Postings mehr geben. Allen Lesern Dank fürs Reinschauen. Noch einen schönen Sonntag.

Gruss
Hans-Günter
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DK von H2O 81 bei 1 MHz bei 10**15 Hz ist n(H2O) etwa 1,33

Ungelesener Beitragvon Physikfan » 14. Jan 2016, 23:08

Lieber Hans Günter

Zur Frequenzanhängigkeit der DK von H2O:

Der Zusammenhang zwischen DK und Brechzahl:
n = SQRT(DK)

DK von H2O 81 bei 1 MHz und bei sichtbarem Licht bei 10**15 Hz ist die DK 1,33**2, daher ist n(H2O) etwa 1,33.

Die nachfolgende Graphik zeigt die sogenannte dielektrische Relaxation von Wasser.

dk_water.gif
dk_water.gif (10.37 KiB) 9786-mal betrachtet


Viele Grüße

Physikfan
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Re: DK von H2O 81 bei 1 MHz bei 10**15 Hz ist n(H2O) etwa 1,

Ungelesener Beitragvon hgd » 15. Jan 2016, 17:57

Hallo Physikfan,

Physikfan hat geschrieben:Zur Frequenzanhängigkeit der DK von H2O
Die nachfolgende Graphik zeigt die sogenannte dielektrische Relaxation von Wasser.
dk_water.gif



danke für diese Tabelle. Wasser ist interessant. Nicht nur Funkamateure auf sehr hohen Frequenzen wissen um die Dämpfung durch Wasserdampf bei diesen Frequenzen. Das läst sich aus diesem Diagramm ableiten.

Ich habe dann noch mal geschaut, worauf Du Dich bei meinen Texten möglicherweise bezogen hast. Jedenfalls hatte ich ja diesen Übergangsbereich mit meinen elektrostatischen Versuchen nicht berührt (...statik). Vielleicht war es aber auch dies ...

>>
Warum ist Wasser so interessant? H2O weist eine relative Dielektrizitätszahl von 81 auf. Das ist ziemlich viel. Entsprechend deutlich müssten auch die Effekte sein. Sein Brechungsindex beträgt n = 9, das ist die Wurzel aus 81, ein erster Hinweis darauf, dass Licht etwas "Elektrisches" ist. Dies hier ist damit auch die Auflösung einer Frage aus einem früheren Posting. Nach diesem Zusammenhang müssten alle Isolatoren durchsichtig sein. Mehr dazu in einem Physikbuch. Aber man kann sich dennoch bereits fragen, warum zwar Glas-, aber nicht Porzellanisolatoren durchsichtig sind. Was ist bei Porzellan anders? Ich mag solche Fragen, die Theorie und Praxis verbinden ...
<<

Die Undurchsichtigkeit von Keramiken liegt imo an deren Aufbau aus vielen kleinen Kristallkörnern. Das könnten frühere Physiker nicht genügend berücksichtigt haben. Vielen hast Du aber auch an etwas anderes gedacht?

Gruß
Hans-Günter
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