Influenzmaschine

Influenzmaschinen sind elektrostatische Generatoren, die zur Spannungserzeugung das Prinzip der Trennung elektrischer Ladungen durch Influenz nutzen. Im Gegensatz zu elektrodynamischen Generatoren nutzen Influenzmaschinen die Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf elektrische Ladungen.

Aufgrund der manchmal nicht offensichtlichen Funktionsweise der Influenzmaschinen halten sich hartnäckig Gerüchte, nach denen Effekte außerhalb der bekannten Physik für die Funktion von Influenzmaschinen verantwortlich sein sollen. Für die Funktion von Influenzmaschinen sind jedoch keine anderen als die in der Elektrostatik bekannten Gesetzmäßigkeiten nötig. In einigen Sekten und in Parawissenschaften werden Abwandlungen von Influenzmaschinen als Basis von Antrieben für fliegende Untertassen (sogenannte „Levitationsscheiben“) oder als Overunity-Maschinen zur Energiegewinnung gezeigt.

Influenzmaschine (Wimshurstmaschine) in Betrieb

Geschichtliche Entwicklung und Typen

Elektrophor

Der schwedische Physiker Johan Carl Wilcke beschrieb 1762 erstmals den sogenannten Elektrophor, welche als erste Influenzmaschine gilt. Alessandro Volta entwickelte ihn 1775 weiter, so dass er für Experimente besser genutzt werden konnte. Der ursprüngliche Elektrophor liefert konstruktionsbedingt keine kontinuierliche Gleichspannung.

Im Jahre 1865 mechanisierte Wilhelm Holtz die Funktionsweise des Elektrophors um kontinuierliche Gleichspannungen zu liefern. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts lieferten Influenzmaschinen dauerhaftere und gleichmäßigere Hochspannung als die zuvor verwendeten Elektrisiermaschinen, die Reibungselektrizität nutzten.

Kelvin-Generator

Eine eigene Form der Nutzung von Influenz hat Lord Kelvin 1867 mit seinem Kelvin-Generator gefunden. In diesem so genannten Wassertropfengenerator wird die Influenzierung von Wassertropfen zur Trennung elektrischer Ladungen eingesetzt, wodurch Spannungen von bis zu 20 kV erzeugt werden können.

Wimshurstmaschine

Der Erfinder James Wimshurst konstruierte ab 1878 die nach ihm benannte Wimshurstmaschine mit mehreren parallel auf einer Achse angebrachten und gegensinnig rotierenden Scheiben, die eine kontinuierliche Gleichspannung liefern konnte. Sie diente unter anderem zur Stromversorgung von Röntgenröhren. Es können damit praktisch bis zu ungefähr 100 kV erzeugt werden, theoretisch auch mehr. Allerdings reichen dann in typischen Bastelaufbauten die nötigen weiten Isolierungstrecken nicht mehr aus und es kommt zu Entladungen und Überschlägen, welche die Spannung nach oben hin limitieren.

Pelletron

Modernster Vertreter der Influenzmaschine sind Pelletrons, die in Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen. Sie gleichen in ihrem Aufbau einem Bandgenerator, besitzen jedoch anstelle des Bandes eine isolierende Kette, an der Rohrstücke oder Kugeln befestigt sind. Pelletrons können Spannungen bis zu 32 MV erzeugen.

Allgemeines

Alle Influenzmaschinen beruhen auf dem Prinzip der Ladungsverschiebung und -trennung, indem von der Umgebung isolierte und elektrisch leitfähige, meist metallische Körper im Einflussbereich elektrischer Felder bewegt werden. Infolge der Wirkung des elektrischen Feldes auf elektrische Ladungen im metallischen Körper kommt es dabei aufgrund der Influenz zu einer Ladungsverschiebung innerhalb des metallischen Leiters. Durch eine entsprechende räumliche Bewegung des metallischen Leiters, wobei Arbeit unter anderem gegen die elektrischen Feldkräfte verrichtet werden muss, kombiniert mit zeitlich synchronisierten elektrischen Kontakt- und Trennvorgängen, welche je nach Typ der Influenzmaschine verschiedenartig ablaufen, werden so hohe Gleichspannungen im Bereich einiger 100 V bis zu 100 kV erzielt.

Höhere Spannungen sind mit einfachen Demonstrationsgeräten nicht erreichbar, weil dafür die Isolationswiderstände der Aufbauten zu gering sind, es zu Sprühentladungen wie der Koronaentladungen an den spitzen Ecken und Kanten der elektrischen Leiter kommt oder weil die räumlichen Abstände für höhere Spannungen zu gering gewählt sind und es zu Überschlägen an der Isolation kommt.

In einer Influenzmaschine wird folgender Ablauf durchlaufen:

• Verringern des Abstandes zu anderen Körpern, die entgegengesetzt geladen sind
• Annähern einer Hilfsladung (Einwirken eines äußeren elektrischen Feldes)
• Kontaktieren auf der abgewandten Seite
• Entfernen der Hilfsladung
• Vergrößerung des Abstandes zu anderen Körpern
• Übertragung der Ladung auf den Ausgang bzw. in einen Kondensator

Im Regelfall wird versucht jede schwerfällig wirkende hin- und hergehende Bewegung durch eine rotierende Anordnung zu ersetzen und man gelangt auf diese Weise beispielsweise zu dem Aufbau wie bei der Wimshurstmaschine mit zwei gegensinnig rotierenden Scheiben aus isolierendem Plexiglas mit aufgeklebten Metallfolien.

Der Wirkungsgrad η

$\eta = \frac{\text{elektrische Energie}}{\text{zugefuehrte mechanische Energie}}$

liegt bei nur wenigen Prozent. Aus diesem Grund haben Influenzmaschinen als elektrische Maschinen, außer im Bereich der Ausbildung und als Demonstrationsgerät, keine wesentliche technische Bedeutung.

Literatur

• Gottlieb Christoph Bohnenberger: Beschreibung unterschiedlicher Elektrizitätsverdoppler von einer neuen Einrichtung, nebst einer Anzahl von Versuchen über verschiedene Gegenstände der Elektrizitätslehre, etc.. Tübingen 1798.
• Wilhelm Holtz: Über eine neue Elektrisirmaschine.. In: Johann Poggendorff, C. G. Barth (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. 126, Leipzig 1865, S. 157 - 171.
• Wilhelm Holtz: Über die höhere Ladung isolierender Flächen durch Seitenanziehung und die Übertragung dieses Princips auf die Construction von Influenz-maschinen.. In: Johann Poggendorff, C. G. Barth (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. 130, Leipzig 1867, S. 128 - 136.
• Wilhelm Holtz: Zur Influenzmaschine. In: F. Poske (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Julius Springer, Berlin 1904 (siebzehnter Jahrgang, viertes Heft).
• O. Lehmann: Dr. J. Fricks physikalische Technik. 2, Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1909, S. 797 (Abteilung 2).
• F.Poske: Neue Formen von Influenzmaschinen.. In: F. Poske (Hrsg.): Zeitschrift für den physikalischen und chemischen Unterricht. Julius Springer, Berlin 1893 (siebter Jahrgang, zweites Heft).

Weblinks

• de Queiroz, Antonio Carlos M., "Electrostatic Machines": Nachbauten und Übersicht über viele Varianten (engl.)
• Influenzmaschine von Wimhurst (dt.)
• Nachbau der ersten Bohnenberger-Maschine (engl.)
• Erklärung und Wartungshinweise (dt.)