Elektrophor

Der Elektrophor ist eine Form von historischer Influenzmaschine und dient zur Trennung elektrischer Ladungen und der Erzeugung hoher elektrische Spannungen mit Hilfe der Influenz. Die Bezeichnung Elektrophor leitet sich vom griechischen elektron = Bernstein (als Prototyp des Trägers von Reibungselektrizität) und pherein = tragen ab.

Diese und ähnliche Arten der Ladungstrennung und die Erzeugung einer elektrischen Spannung ist die Grundlage der Elektrizitätsforschung, wie sie maßgeblich von Alessandro Volta betrieben wurde. Von ihm wurde 1775 ein brauchbarer Elektrophor entwickelt. Der Göttinger Gelehrte Georg Christoph Lichtenberg baute im selben Jahrhundert große Elektrophore mit bis zu 2,5 m Durchmesser, die Funkenüberschläge über 70 Zentimeter ermöglichten.^[1]

Historisches Elektrophor, um 1840

Aufbau

Ein Elektrophor besteht aus zwei Teilen: einem Metallteller mit isoliertem Griff, vergleichbar der Platte eines Kondensators, und einem sogenannten Kuchen z.B. aus Hartgummi oder aus Plexiglas, in nebenstehender Abbildung unten dargestellt.

Verwendungsweise

Ladungsverteilung am Elektrophor

Der rückseitig geerdete Kuchen wird mit einem Fell gerieben, es entsteht Reibungselektrizität in Form überschüssiger negativer Ladungen auf dem Kuchen. Setzt man den elektrisch neutralen Metallteller auf die Platte, so bewirkt die Influenz des elektrischen Feldes der Kuchenladungen eine Änderung dessen Potentiales gegenüber Erde: geladener Kuchen und Platte bilden einen Kondensator, dessen Kapazität durch die Annäherung stark angestiegen ist. Die Platte bildet den negativen, das Erdpotential den positiven Pol. Da kein Stromfluss und somit keine Ladungsänderung stattfindet, würde die Platte nach Entfernen wieder Erdpotential besitzen. Wird nun aber die Metallplatte während des Aufliegens auf dem geladenen Kuchen geerdet, so besitzt sie danach eine positive Ladung. Die Metallplatte ist jetzt insgesamt nicht mehr elektrisch neutral, trägt einen Überschuss positiver Ladungen. Wird nun die Erdverbindung entfernt und die Metallplatte wird an einem isolierten Griff vom Kuchen abgehoben, baut sich zwischen Metallplatte und Erde mit zunehmender Entfernung eine steigende Elektrische Spannung auf. Die Höhe der Spannung U lässt sich nach der Beziehung:

$U = \frac{Q}{C}$

aus der Menge der Ladung Q und der Kapazität C der Anordnung Metallplatte – Erde berechnen. Die Kapazität C geht nach dem Abheben auf weniger als ein Picofarad zurück, wogegen sie bei aufliegender Platte einige 10 bis einige 100 pF beträgt.

Bei Annäherung eines geerdeten Stabes an die abgehobene Metallplatte kann anhand der Schlagweite festgestellt werden, dass die Spannung gegenüber Erde erheblich höher ist als zu dem Zeitpunkt, als sie auf dem Kuchen auflag. Der gesamte Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen, weil die im Kuchen gespeicherten Ladungen selbst nicht abgeleitet („verbraucht“) werden.

Die Elektrische Energie, die bei einer Funkenentladung frei wird, wurde vorher insbesondere durch die mechanische Arbeit beim Abheben der Metallplatte gegen die Kraftwirkung des Elektrischen Feldes aufgebracht.

Weitere Anwendungen des Prinzips

Das Prinzip des Elektrophors lässt sich äquivalent verwirklichen, indem der Kondensator (aufliegende Platte), statt dessen Dielektrikum zu reiben, mit einer extern erzeugten Spannung geladen wird: Lädt man eine Anordnung, die bei aufliegender Platte eine Kapazität von 100 pF besitzt, auf 100 V und verringert die Kapazität durch Abheben auf 1 pF, erreicht man theoretisch 10 kV.

Das Kondensatormikrofon nutzt die durch Schall erzeugten Abstandsänderungen einer Kondensatoranordnung, um daraus eine Spannungsänderung (NF-Signal) zu erzeugen. Es benötigt zur Ladung eine Vorspannung. Beim Elektretmikrofon, welches ähnlich funktioniert, ist diese Ladung permanent in einer Elektretfolie gespeichert und muss nie erneuert werden.

Auch der Bandgenerator benutzt das Prinzip des Elektrophors: die influenzierende Ladung wird entweder durch „Reibungs“elektrizität ( durch Abheben des Isolierstoff-Bandes von der unteren dielektrischen Rolle) oder durch Aufsprühen (Spitzenentladung) auf das Band aus einer externen Spannungsquelle erzeugt. Ladungen auf dem Band werden anschließend beim Aufwärtslaufen des Bandes von Erdnähe wegbewegt. Eine Weiterentwicklung des Bandgenerators ist das Pelletron.

Weblinks

• Beschreibung mit Abbildung. Elektrophor und der davon abgeleitete Bennet-Verdoppler auf www.wundersamessammelsurium.info

1. ↑ http://www.elementa-mannheim.de/Elementa1/elektro/PDFelektro/elektrophor.pdf Elektrophor auf der Elementa/Mannheim