Elektrostatischer Generator

Begriff, Bedeutung und Grundprinzip

Elektrostatische Generatoren sind mechanische Vorrichtungen, die durch die Trennung elektrischer Ladungen eine elektrische Spannung erzeugen. Sie können sehr hohe Spannungen erreichen, liefern aber nur eine geringe elektrische Leistung. Die erreichbare Spannung wird vor allem durch Isolationsprobleme begrenzt, etwa durch Kriechströme entlang von Oberflächen und durch Spitzenentladungen an scharfen leitenden Stellen.

Es gibt zwei Hauptklassen:

• Elektrisiermaschinen erzeugen Ladung durch Reibungselektrizität.

• Influenzmaschinen nutzen die elektrische Influenz, also die Verschiebung beweglicher Ladungsträger in einem Leiter durch ein elektrisches Feld.

Bei Elektrisiermaschinen reiben Isolatoren wie Schwefel, Glas, Holz oder Gummi aneinander. Bei Influenzmaschinen erfolgt die Ladungstrennung dagegen in Metallteilen. Moderne Formen elektrostatischer Generatoren werden noch zu Unterrichtszwecken und in Teilchenbeschleunigern eingesetzt, insbesondere Van-de-Graaff-Bandgeneratoren und Pelletrons.

Elektrisiermaschinen

Wenn zwei Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaffinität mechanisch aneinander gerieben werden, ziehen sie Elektronen unterschiedlich stark an. Dadurch werden die Elektronen an ihren Oberflächen ungleich verteilt, und es entsteht je nach Material und Bauart eine positive oder negative Ladung. Diese Ladung wird abgeleitet und häufig in einem Kondensator gespeichert, beispielsweise in einer Leidener Flasche.

Reibungselektrizität ist ein Spezialfall der Berührungs- oder Kontaktelektrizität. Durch die Reibung kommen die Materialien besonders intensiv miteinander in Kontakt, sodass mehr Ladungsträger ausgetauscht werden als bei einer bloßen Berührung.

Eine verbreitete Bauform besitzt einen oder mehrere drehbare Glaskörper in Form von Hohlkugeln, Walzen oder Scheiben. Gegen das Glas werden sogenannte Reibzeuge gedrückt, zum Beispiel mit Amalgam überzogene Lederkissen. Hinter der Berührungsstelle nimmt ein Konduktor die Ladung von der Glasoberfläche auf. Ein Konduktor ist hier ein elektrischer Leiter, etwa ein kleiner metallener Pinsel. Er führt die Ladung unmittelbar zu einem Experiment oder zu einem Kondensator.

Meistens sind die Reibzeuge geerdet, sodass die über den Konduktor abgeleitete Ladung ausgeglichen werden kann. Manche Maschinen arbeiten umgekehrt: Der Konduktor ist geerdet, während die Ladung an den Reibzeugen entnommen wird. Bei anderen Konstruktionen konnte zwischen beiden Betriebsarten gewechselt werden. Frühe Maschinen verwendeten statt Reibzeug und Konduktor die menschliche Hand gleichzeitig zum Reiben und zur Ladungsaufnahme; die betreffende Person wurde dabei „elektrisiert“.

Neben Glas wurden auch Holz und Gummi als Scheibenmaterial verwendet. Die größte Scheiben-Elektrisiermaschine steht im Teylers Museum in Haarlem. Ihre Glasscheiben haben einen Durchmesser von 1,65 m. Martinus van Marum präsentierte die 1784 fertiggestellte Maschine 1785 öffentlich; am Bau war John Cuthbertson beteiligt. Sie kann Funken über bis zu 61 cm erzeugen. Ein 1968 an der Universität Eindhoven von H. J. de Weyer gebauter genauer Nachbau erreicht Spannungen von mehr als 500.000 Volt.

Influenzmaschinen

Influenzmaschinen trennen Ladungen nicht durch Reibung, sondern durch elektrische Influenz. Wird ein leitender Körper von einem anderen, entgegengesetzt geladenen Körper räumlich entfernt, steigt bei gleichbleibender Ladung die Spannung zwischen ihnen. Die mechanische Arbeit, die dabei gegen die elektrostatische Anziehung verrichtet wird, geht in die Energie des elektrischen Feldes über. Bei sehr hohen Spannungen von bis über 100 kV können solche Maschinen nur geringe Ströme von einigen 10 µA liefern.

Häufig bestehen die bewegten Körper aus Metallfolien-Segmenten auf isolierenden Scheiben. Entscheidend sind die Existenz und die Beweglichkeit von Ladungsträgern, weshalb Metalle verwendet werden. Die maximale Spannung hängt unter anderem von Anzahl und Abstand der Segmente sowie vom Scheibendurchmesser ab.

Bei jeder Umdrehung wiederholen sich drei Schritte:

• Ein Metallkörper nähert sich einer elektrischen Ladung und wird dadurch beeinflusst beziehungsweise aufgeladen.

• Der Körper wird von seinem Bezugspotential wegtransportiert; ein Ableiter nimmt seine Ladung durch Spitzenentladung ab.

• Weiche leitfähige Bürsten neutralisieren den Metallkörper und gleichen die entnommene Ladung aus. Bei manchen Maschinen sind diese Bürsten über Kreuz verbunden.

Die Wimshurstmaschine verwendet die abgenommene Ladung zusätzlich zur Verstärkung des elektrischen Feldes ihres Induktors. Dieser Vorgang verstärkt sich fortlaufend selbst. Deshalb benötigt sie im Gegensatz zu den Maschinen von Toepler und Holtz keine anfängliche Aufladung der Induktoren: Zu Beginn ist stets wenigstens ein kleiner Ladungsunterschied vorhanden.

Das Wirkprinzip kann umgekehrt werden. Wird eine ähnliche Anordnung mit Hochspannung versorgt, arbeitet sie als Motor. Eine besondere Bauform ist der Kelvin- oder Wassertropfengenerator. Er beeinflusst Wassertropfen elektrisch und verwendet sie zum Ladungstransport. Ohne anfängliche Aufladung erreicht er mit zwei getrennten Wasserstrahlen nach 20 bis 30 s eine Spannung von 4 bis 6 kV.

Eine kleine Holtzsche Influenzmaschine liefert typischerweise 10 µA. Damit lässt sich eine Leidener Flasche mit 10 nF Kapazität in 30 s auf 30 kV aufladen. Bei einer parallel angeschlossenen Kugelfunkenstrecke mit 1 cm Abstand entstehen knallende Funken. Diese dauern ungefähr 1 µs und erreichen dadurch eine maximale Stromstärke von 300 A.

Entwicklung und heutige Bauformen

Die Erforschung der Elektrizität und die Entwicklung elektrostatischer Generatoren beeinflussten sich vom 17. bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts gegenseitig: Neue Erkenntnisse ermöglichten verbesserte Maschinen, und leistungsfähigere Maschinen machten weitere Experimente möglich.

1663 baute Otto von Guericke die erste Elektrisiermaschine, eine drehbare Schwefelkugel, die mit der Hand gerieben wurde. Mit einer solchen Kugel erzeugte Gottfried Wilhelm von Leibniz 1671 den ersten gezielt erzeugten künstlichen elektrischen Funken. Francis Hauksbee entwickelte 1706 Generatoren mit Glaskugeln. Bis Alessandro Volta um 1800 die Voltasche Säule entwickelte, waren elektrostatische Generatoren die einzige Quelle künstlich erzeugter Elektrizität.

Wichtige technische Schritte waren 1743 die Einführung des Konduktors und der Reibekissen durch Georg Matthias Bose sowie 1745/1746 die Erfindung der Leidener Flasche durch Ewald Georg von Kleist und Musschenbroek. Die Leidener Flasche war der erste elektrische Kondensator. Martin de Planta verwendete 1755 runde Glasscheiben. Johan Carl Wilcke erfand 1762 mit dem Elektrophor die erste Influenzmaschine.

Walkiers de St. Amand baute 1784 einen frühen Bandgenerator mit 7,5 m langen Seidenbändern, die über Holzrollen liefen und gerieben wurden. Diese Konstruktion war ein Vorläufer des Van-de-Graaff-Generators. Lord Kelvin entwickelte 1867 den Wassertropfengenerator, Augusto Righi 1872 einen Generator mit Metallzylindern an einem isolierenden Seil als Vorläufer des Pelletrons. James Wimshurst entwickelte 1878 die Wimshurstmaschine. Wilhelm Holtz baute 1883 die erste kontinuierlich arbeitende Influenzmaschine; seit diesem Jahr wurden Generatoren nach dem Influenzprinzip systematisch weiterentwickelt.

Robert Van de Graaff entwickelte 1929 Bandgeneratoren, die unter anderem in Beschleunigern und Laboren verwendet werden. Bei kleinen Bandgeneratoren beginnt die Ladungstrennung durch Reibung. Große Van-de-Graaff-Beschleuniger verwenden dafür eine Spitzenentladung mit einer aus dem Stromnetz gewonnenen Spannung. Beim um 1965 von Raymond Herb entwickelten Pelletron erfolgt die anfängliche Ladungstrennung durch Influenz; isoliert verbundene Metallglieder bewegen sich dabei in einem unter Hochdruck stehenden isolierenden Gas. Sowohl beim Van-de-Graaff-Generator als auch beim Pelletron wird die Spannung anschließend mit elektrostatischen Mitteln erhöht.