Kerzenflamme, Bienenkorblampe, Xe- und Ne-Glimmlampen
Hochspannungsversuche (XV)Elektrostatik (3)07.10.2013 (?)
Hallo Liste,
StichwörterHochspannung, Hochspannungsversuche, Versuche, Elektrostatik, Kugelkondensator, Styropor, Folie, Überschläge, Lichtbogen, Spannungsfestigkeit, Styroporflocke, Blasebalg, Funken, Leistungsschalter, Kurzschluss, Kurzschlüsse, Anode, Kathode, Koronaentladung, Spitzenentladung, Teelicht, Kerze, Kerzenflamme, Bienenkorblampe, Glimmlicht, Glimmlampe, "positive Säule", Glühbirne, Ne, Xe, Neon, Xenon, Spektrallampe, Spektren, Kippfschwingung, Kippschwingungen
VorbemerkungAuch diesem Posting liegt ein nicht erfasstes Doku zugrunde, bestehend aus mehreren Seiten Kritzeltext, den ich erst mal entziffern muss. Sein Inhalt ist wiederum "historisch", soll aber auch suchbar erfasst werden und könnte dem Leser ein paar Details zu konkreten Versuchen liefern, so denn er dafür empfänglich ist. Mein Hintergedanke für dieses Posting ist, die
Freude am eigenen Experimentieren zu wecken,
nicht ein
"Knopfdruck-Experiment aus der Tüte" zu kaufen, das alsbald nach diesem "Touch"
in die Wertstofftonne fliegt, sondern etwas zu bauen und zu tun, dass ihm volle Kreativität mit eigenem Tun und eigener Schaffensfreude ermöglicht.
Wer dies nicht mag, möge bitte das Posting überspringen. Ich nähme dies auch nicht übel.
Styropor zwischen Kugelkondensatoren (Kapitel 1)
Auf den Kugelkondensator aufgelegte Styroporflocken heben ab und fliegen in einem großen Bogen davon.
[sie folgen den elektrischen Feldlinien, die radial von Kugeln, senkrecht auf deren Oberfläche stehend, aus gehen.]
Beim Berühren des Gehäuses ... (Kapitel 2)
... vom 18-kV-Netzteil mit dem Finger bekomme ich zwar keinen gewischt, aber ich höre kurzen Folge von Überschlägen. Ich sollte das Gehäuse erden.
[eigentlich hätte ja das
Stahlblechgehäuse des Netzteils geerdet sein sollen, so hatte ich es erwartet, als ich später nachmesse, ist dies auch der Fall: das Gehäuse liegt am Schutzleiter,
dann muss ich wohl nicht geerdet gewesen sein, mit PVC-Fussbodenbelag, textilem Fussbodenbelag und Schuhwerk war diese Erdung nicht gegeben, ich hatte mich somit
unbemerkt im elektrischen Feld zwischen dem +18-kV-Anschluss und dem Gehäuse aufgeladen, und dann bei Unterschreiten der entsprechenden Schlagweite (Abstand) zum Gehäuse an diesem entladen.]
Kugelfunkenstrecke (Kapitel 3)
Stelle ich die beiden Kugelkondensatoren ganz dicht an einander, so reicht der geringste Abstand zwischen beiden noch nicht für einen Überschlag bei 18 kV aus, der geringst mögliche Abstand ist zu groß für einen Überschlag mit 18 kV. Ein geringerer Abstand wird durch den Radius der Füsse der Kondensator-Ständer verhindert. Somit ist mir verwehrt, durch Variieren und Messen des Abstands aus Tabellen bzw. mit Hilfe von Formeln aus Internet und Literatur die Spannung zu bestimmen.
[Es ist in der Hochspannungstechnik ein gängige Methode, nicht nur über Vorwiderständer oder mit Spannungsteilern, die Spannung durch definierte Funkenstrecken zu begrenzen und damit auch zu "messen". Infrage kommen Kugelfunkenstrecken und Stabfunkenstrecken. Bei den Kugelfunkenstrecken. Das Thema ist komplexer als es zunächst scheint. Wer im Internet recherchiert wird merken, warum. Bei kleinen Spannungen kommt hinzu, dass es erforderlich ist, in den Funkenstrecken für eine
"Vorionisierung" mit UV-Strahlen zu sorgen.
Eine
"Vorionisierung" mit UV-Strahlen steht mir nicht zur Verfügung, ich müsste eine andere Funkenstrecke haben, die bei einem Überschlag UV-Strahlung emittiert. Ob elektromagnetische Strahlung dieser Funkenstrecke die Mess-Funkenstrecke beeinflussen würde, kann ich nicht ausschließen. Ob
blaues LED-Licht im Gegensatz zu rotem LED-Licht hier einen messbaren bzw. bemerkbaren Unterschied ergäbe, werde ich zunächst nicht weiter untersuchen. Hier wird auch das Gebiet der
Zündung einer gasgefüllten Strecke mit einer Zündelektrode berührt.
Es müsste hier ausgiebig recherchiert bzw. auch ein Buch über Hochspannungstechnik gelesen werden.]
SchaltungDer Ausgang des 18-kV-Netzteils (+18 kV) ist mit dem ersten Kugelkondensator verbunden, der Erdanschluss über einen 2-Gigaohm-Widerstand mit dem zweiten Kugelkondensator.
[der 2-Gigaohm-Widerstand soll den Kurzschlussstrom, der ja bei Überschlägen, Funken und Lichtbögen entsteht, begrenzen, er reduziert auch, wenn man an der richtigen Stelle anfasst, den durch den eigenen "body" fliessenden Strom. Besser wäre es aber sicherlich, in den Folgeversuchen ab (?) auch grundsätzlich so geschaltet, direkt nach dem 18-kV-Ausgang einzuschleifen, damit möglichst viele Stellen und Teile der Schaltung auf Erd-Potenzial liegen.]
Eine Styroporflocke verheddert sich ... (Kapitel 4)
Wieder fällt eine kurze Styroporflocke von ihrem Kugelkondensator herunter und wird in den Zwischenraum der beiden Kugelkondensatoren hineingezogen [dies ist eine Kraft, die alle Dielektrika z. B. bei einem Plattenkondensator zwischen die Platten zieht.] Die Flocke bleibt dort schweben,
zappelt wild zwischen links und rechts hin und her. Zu hören ist ein mittellautes
Brozzeln. Gelegentlich finden
Überschläge zwischen beiden Kondensatoren statt. Dabei ist dann ein
leises knatterndes Geräusch zu hören. Schön. Die
mehrfach gezackten Funken der Überschläge springen dabei nicht durch die Luft über, sondern laufen
entlang der Oberfläche der Styroporflocke.
[das wird bei Folgeversuchen immer wieder beobachtet und auch in der Literatur theoretisch untermauert]
Mit der Reduzierung der Spannung des 18-kV-Netzteils verlangsamt sich das Zappeln, die Styroporflocke bleibt länger links bzw. rechts "kleben". Brozzeln findet weiterhin statt, Überschläge treten keine mehr auf. Weitere
Erniedrigung der Spannung führt zur
Einstellung der Zappelbewegungen, das Brozzeln unterbleibt, schließlich fällt die Flocke aus der Engstelle zwischen beiden Kugelkondensatoren nach unten heraus.
Kunststoffring auf Kugelkondensator gefüllt mit Styroporflocken (Kapitel 5)
Ich lege einen Kunststoffring oben auf den 18-kV-Kugelkondensator und fülle Styroporflocken und -bröckchen randhoch hinein. Bei Aufschaltung der 18 kV
fliegen nur die oberen Flocken entlang eines Bogens von dannen. Geschwindigkeit und Bahnverlauf sind dabei absolut untypisch für das normalerweise zu beobachtenden Verhalten der Styroporflocken.
Überschläge zwischen Spitzen und Leistungsschalter (Kapitel 6)
... zeigen
im Dunklen an beiden Spitzen sehr schwache und sehr kurze Funken (Lichtbögen) und dazwischen, den Weg vervollständigend, nur einen
extrem schwachen sichtbaren "Faden" (Lichtbogen). Diese Entladung wie auch ein durchgängiger (durchgängig gleich heller) Lichtbogen lassen sich mit dem
Luftstrom aus einem Gummiblasebalg
"ausblasen" (wegblasen). Die einzige Schwierigkeit besteht im freihändigen Zielen. Der Versuch, auf die Ausblasöffnung des Blasebalgs Röhrchen aus Ms aufzustecken oder einen Schlauch (Isolierschlauch) misslingen, der Luftwiderstand wird zu groß. Es müsste experimentiert eine passende Länge und passende flexible Vorrichtung gefunden werden. Dazu habe ich im mom keine Lust. Ein
kleiner Kompressor oder ein
Blasebalg mit Fußpedal wären imo sinnvoll, aber haben muss man so etwas.
[das
Ausblasen von Lichtbögen ist eine der wenigen Möglichkeiten, in
Leistungsschaltern den beim Ausschalten entstehenden Lichtbogen zum Verschwinden zu bringen und ein
erneutes Zünden an den ja heissen Kontaktstellen zu verhindern. Und es dürfte die hierzu benutze Druckluft sein (es gibt keine Pressluft, auch wenn die Abkürzung auf den Flaschen für Sporttaucher noch so lautet), die zu dem
lauten peitschenartigen Knall führt, wenn man einmal so eine Abschaltung miterlebt.
Ich hatte einmal dieses Erlebnis bei der Besichtigung eines 15-kV-Unterwegs der Bundesbahn, während wir uns die einzelnen Schaltzellen ansahen, wurde ein Leistungsschalter geöffnet. So etwas ist genau das, was mir
als schreckhaften Typ an Hochspannungsversuchen missfällt. An der Decke, im Abstand von ca. 50 cm genau über der Ausblasöffnung der Schaltkammern, war auch bei fast allen Schaltern der Putz weggeblasen und weggebrannt und der nackte Beton sichtbar.
Das ist echte Hochspannungstechnik. Wenn man sich überlegt, dass im Kurzschlussfall in einem Netz, die gesamte Netzleistung (auch durch alle rotierenden Maschinen, Motoren wirken als Generatoren!) sicher abgeschaltet werden muss, ohne dass der Leistungsschalter zerstört wird, dann bekommt man ein Gefühl dafür, welche konstruktiven Anforderungen bestehen. In YouTube gibt es interessante Videos zu diesem Thema, wo eine solche Abschaltung gelingt, und auch, wo dies misslingt.]
Auch
Koronaentladungen lassen sich ausblasen, ich stelle aber fest, dass auf das erfolgreiche Ausblasen
sofort danach durchgängige Lichtbögen (Überschläge) auftreten. Vielleicht dadurch, dass sich die durch die Koronaentladung permanent entladenden Kugelkondensatoren auf volle Ausgangsspannung aufladen und diese Spannung die "Haltefähigkeit" der Funkenstrecke übersteigt.
Details zwischen zwei Spitzen (Kapitel 7)
Bei vorsichtiger langsamer Verringerung des Abstands bei bestehender Koronaentladung ist am Pluspol
(Anode) nur eine
Koronaentladung zu sehen, bei einem Überschlag von der negativen Elektrode
(Kathode) ein Lichtbogen entgegen wächst.
* diese Details in der Literatur verifizieren
* Versuch hierzu wiederholen und genauestens beobachten und dokumentieren
Die aufgespiesste Styroporflocke (Kapitel
![Cool 8)](./images/smilies/icon_cool.gif)
Spieße eine Styroporflocke auf einer Elektrodenspitze auf und beobachte
Koronaentladung und einen Lichtbogen in der Flocke. Die
maximale Lichtbogenlänge (Schlagweite) bei diesem Versuchs beträgt
10 mm, das ist wohl
mehr als der Lichtbogen in der Luft
ohne Flocke.
[da ist er wieder: der Einfluss von Dielektrika auf die Lichtbogenlänge, weitere Details dieses Versuchs habe ich mir nicht notiert bzw. diese sind jetzt nach mehreren Wochen nicht mehr zu deuten.]
Gelingt ein Durchschlag durch Papier? (Kapitel 9)
Ich halte einen Papierfetzen zwischen die Spitzen der Funkenstrecke. Der Abstand wird so weit verringert, dass ein Lichtbogen entsteht und ein überraschendes Verhalten an den Tag legt:
Der
Durchschlag im Papier erfolgt
nicht auf der kürzesten Verbindung zwischen den sich exakt gegenüber stehenden Spitzen, sondern der Lichtbogen folgt am Papier angekommen
ein kurzes Stück der Papieroberfläche bis zu einer entfernteren Stelle, wo dann erst der Durchschlag durchs Papier erfolgt.
[inzwischen wurde dieses Verhalten in mehreren späteren Versuchen erneut angetroffen, es muss etwas mit Fehlstellen (Löchern) zu tun haben und der häufigen Beobachtung von
Entladungen entlang der Oberfläche von Dielektrika.]
Durchschlag durch eine drucklose "Noppenfolie" (Kapitel 10)
Unter Noppenfolie verstehe ich eine zweifache Kunststofffolie, die so zusammen geschweisst ist, dass sich zwischen ihren beiden Lagen kleine bis sehr große Luftkammern bilden, welche als Verpackungsmaterial zum Polstern des Versandgutes heute häufig zum Einsatz kommen. Mit "drucklos" bezeichne ich den Fakt, dass ich während des Versuchs keinen zusätzlichen Druck auf die Luftpolster ausübe.
Ich drücke beide Spitzen der Funkenstrecke von beiden Seiten in die Folie hinein. Die Notiz ist unvollständig. Von einem Kurzschluss ist die Rede und vermerkt, dass
kein Lichtbogen stattfand.
[dies zeigt wieder einmal, dass nicht nur
leserlich geschrieben, sondern auch möglichst
ausführlich beschrieben werden muss, wie der Versuchsaufbau und die Durchführung aussahen. Benutzte Abkürzungen kann ich jetzt nach nach fast zwei Monaten nicht mehr verstehen, das ärgert mich schon ziemlich ... Damit ist aber auch klar, dass dieser Versuch erheblich ausführlicher wiederholt werden muss, so wie er hier steht, ist nichts Gescheites damit anzufangen
![Sad :-(](./images/smilies/icon_sad.gif)
, das viel Platz beanspruchende
Materiallager verschiedener Noppenfolien kann also noch nicht aufgelöst werden]
Aufladen über die Kerzenflamme (Kapitel 11)
Bei der Wiederholung des Versuchs mit Funkenstrecke (mit Spitzenelektroden) und Teelicht stelle ich bei Abschalten und Kurzschließen der Elektroden fest, dass es
beim Verschieben des Teelichts auf der isolierenden Tischplatte leise zirpt. Das Kurzschließen mit dem Kurzschlussbügel gegen Erde bestätigt: das
Metallnäpfchen des Teelichts hat sich
über die Kerzenflamme und das Wachs auf das Potenzial der Elektrode, unter der das Teelicht gerade steht,
aufgeladen.
[dies ist ein Paradebeispiel dafür, wie ein kleiner, einfacher, "harmloser" Versuch, der nur der Vollständigkeit halber durchgeführt wird, zum
Ausgangspunkt einer sich mehrfach verzweigenden Kaskade von Folgeversuchen wird, dies hatte ich damals nicht vorhergesehen, ich war ziemlich überrascht, inzwischen glaube ich mich durch entsprechende Dokumentation darauf eingestellt zu haben, ganz wichtig ist,
jede Idee für Variationen sofort so aufzuschreiben, dass sie nicht wieder verloren geht!]
Bienenkorblampe (Kapitel 12)
Ich beginne mit diesem Versuch, abgeschlossene, gasgefüllte Glaskörper
(Glühbirnen, Glimmlampen, Leuchtstoffröhren) direkt (über Elektroden) und indirekt (dielektrisch, kein galvanischer Kontakt, oftmals noch nicht einmal Kontakt mit dem Glaskörper) mit 18 kV zu beaufschlagen. Ich bin einfach neugierig, da es Hinweise im Internet gibt, dass solche "Röhren"
im Hochspannungsfeld zu "glimmen" beginnen. Ausgeschlossen sind
Energie-Sparlampen und
LED-Lampen, weil ich vermute, dass deren
Elektronik die Konfrontation mit Hochspannung übel neben würde.
Erstes Objekt ist eine
Bienenkorblampe für 220 V. Siehe Wikipedia zum Aufbau dieser Glimmlampe. Sie ist mit Gas gefüllt, an ihren Elektroden stellen sich Leuchterscheinungen (Glimmentladungen) ein.
Ich halte also die Bienenkorblampe zwischen die beiden Spitzen der Funkenstrecke, der Glaskörper wird von keiner Spitze berührt. Sofort zeigt sich ein
deutliches rosarotes Leuchten (Glimmlicht, ich vermute aufgrund dieser Farbe
Neon als Gasfüllung). Dieses Glimmlicht erstreckt sich an der Anodenseite der Funkenstrecke (+18 kV) von der Innenseite der Lampe bis zum Drahtkorb, dessen Gestalt die Bienenkorblampe ihren Namen verdankt. Gegenüber der Kathodenspitze (Minuspol) ist fast nichts zu sehen. Imho müsste es sich bei der
hellen Leuchterscheinung gegenüber der
Anode um die
"positive Säule" handeln.
Beim
Aufsetzen der Spitzenelektroden auf die Außenseite der Bienenkorblampe zeigen sich
kurze, gezackte Lichtbögen ("Blitze") bei der Anode, und wiederum bei der Kathode fast nichts. Diese Effekte treten
bereits bei 5 kV auf.
[die fünf Zeilen handschriftlicher Notiz ist wieder "sträflich unvollständig", hatte ich beide Elektroden der Bienenkorblampe zusammen oder einzeln an einen oder an beide Pole des 18-kV-Netzteils angeschlossen gehabt? ich stelle mir das sehr interessant vor, vermute aber, dies seinerzeit nicht getan zu haben, die Folge:
der gesamte Versuch muss wiederholt werden, entsprechende Notiz siehe unten bei "Aufgaben"]
Glühbirne (Kapitel 13)
Hier findet sich in meiner handschriftlichen Dokumentation nur eine einzige Zeile "(X) 100 V keine Effekt".
[damit kann ich nichts anfangen, die Kerzenglühlampe, an die ich mich erinnere, zeigte keinerlei Leuchterscheinungen beim Annähern und Aufsetzen der Spitzenelektroden, der Innendruck dürfte ja wohl dem normalen Luftdruck entsprechen, das Ausbleiben von Leuchterscheinungen ist daher nicht erstaunlich. Nicht kann ich mich aber daran erinnern, den Leuchtdraht der Lampe an einen Pol des 18-kV-Netzteils angeschlossen zu haben, das muss (erneut) erfolgen und auch im Dunklen beobachtet werden, Aufgaben wird unten notiert.]
Xenon-Spektrallampe (Kapitel 14)
Die Leuchterscheinen sind blau. Nur
im Vorraum der Kathode zeigt sich eine breite, lange Säule. Vermutlich handelt es sich dabei um das
negative Glimmlicht. An der Anode ist fast nichts zu sehen.
[Das deckt sich mit dem Hinweis in Physikbüchern und auch im "Elektro-Zauber", dass bei Glimmlampen die
Leuchterscheinung vor der Kathode viel heller ist, als die vor der Anode. Dieser Effekt wird in
Spannungsprüfern mit Glimmlampe verwendet. Dieser Effekt deckt sich aber nicht mit den Beobachtungen im im Kapitel 7 ("Details zwischen zwei Spitzen"). Der Lichtbogen im dortigen Versuch fand bei
normalem Luftdruck statt, der
Druck in den Spektrallampen und Glimmlampen ist im Gegensatz dazu
erheblich geringer.
Neon-Spektrallampe (Kapitel 15)
Die Effekte von Glimmlampen (hier in Spektralglimmlampen) sind jetzt mit der
Neon-Röhre viel deutlicher.
Bereits bei 5 kV ist alles sehr hell. Auch hier zeigt sich ein gleichmäßig breites, den Querschnitt ausfüllendes langes Band an der Kathode (das
negative Glimmlicht).
Je niedriger die Spannung,
um so länger sind die
Perioden des regelmäßig stattfindenden Durchzündens.
Akustisch ist das
deutlich zu hören. Das sind
Kippschwingungen mit einer Frequenz von
~3 Hz (schwierig auszuzählen).
[ich müsste die Kippschwingungen genauer bestimmen, vielleicht mit einem hochohmigen Vorwiderstand an einem
Oszilloskop oder mit
Mikrofon mit dem R + E aufnehmen und mit
Oszilloskop messen oder aus einem
Frequenzgenerator über Kopfhörer durch Vergleich bestimmen.
Ich hatte bereits die Zeitkonstante mit dem Ladekondensator im 18-kV-Netzteil von
564 pF und der externen Beschaltung mit
2 GOhm Widerstand zur Begrenzung des Kurzschlussstroms gepostet, die
1,128 s beträgt. Dies
könnte Kippschwingungen im Bereich von 1 bis 3 Hz erklären. Kippschwingungen mit Glimmlampen werden im
Kasten C von R + E erzeugt und erklärt.
An dieser Stelle darf ich die aktuellere Warnungen vor Versuchen mit Glimmröhren und Hochvakuumröhren mit Spannungen
oberhalb von 5 kV wiederholen, da hier
Röntgenstrahlung entsteht.]
Aufgaben* Details der
Lichtbogenentladung zwischen Spitzen (siehe Kapitel 7) erneut beobachten und Entsprechungen in der Literatur suchen
* Versuche mit der
Bienenkorblampe sind umfassend zu wiederholen (beide Elektroden, einzelne Elektroden, sind in allen Kombinationen "an 18 kV" anzuschliessen und im gesamten Spannungsbereich mit kugeligen und Spitzenelektroden und mit Fingern am Glaskörper auszutesten, ggf. auch mit "aufgeladenem" Finger, und im Dunkeln.
*
Glühbirne erneut testen, Spitzen vor und auf dem Glaskörper, Hochspannung auch am Grühdraht, auch im Dunkeln beobachten.
*
Frequenz der Kippschwingungen mit Neon- und Xenon-Glimmlampen für verschiedene Spannungen bestimmen (s. Kapitel 14 und 15) und
im Diagramm darstellen.
AnmerkungWenn ein Strom fliesst (Koronaentladung und Lichtbogen, Funken) dann ist das auch imo keine
Elektrostatik mehr. Ich habe hier und auch in vielen anderen Postings aber
Elektrostatik häufig synonym zu Hochspannung verwendet. Wer aber meine Terminologie auf die Goldwaage legt, sollte dies stattdessen vielleicht eher mit Goldfolie tun und aus dieser ein Elektroskop bauen. Nichtsdestoweniger ist Feedback (auch zur Terminologie) immer erwünscht.
Gruß
Hans-Günter