Der sportliche Physiker – Zu was ein Gymnastikband gut sein kann

Der Van-de-Graaff-Generator

Ein Bandgenerator erzeugt nicht, wie der Name vermuten lässt, Bänder und Schleifen, sondern Hochspannung durch Reibung zweier Materialien. Zwei Komponenten sind essentiell: Ein Plastikband, das die Ladung sowohl transportiert, als auch durch Reibung an einer Umlenkrolle generiert und ein großer Ladungsspeicher um die Ladung aufzunehmen – in unserem Fall eine große Metallkugelschale.

Es gibt zwei Arten von Bandgeneratoren (oder Van-de-Graaff-Generator, nach seinem Erfinder Dr. Robert J. Van de Graaff benannt): Den fremderregten und den selbsterregten Bandgenerator.

Gemeinsam haben beide Generatoren, dass sie elektrische Ladung durch ein Gummiband zu einem Kugelkondensator transportieren (Ladungspumpe). Die Ladung wird durch Sprühspitzen auf das Gummiband aufgebracht und danach wieder im Innern des Kugelkondensators durch einen Ladungskamm abgesaugt.

Beim fremderregten Bandgenerator wird die elektrische Ladung durch eine Hochspannungsquelle auf das Band aufgebracht. Es mag seltsam erscheinen, Hochspannung mit Hochspannung zu erzeugen, aber der Clou ist, dass durch den Bandgenerator die ursprüngliche Spannung der HV-Quelle durch die Ansammlung der Ladungen auf dem Kugelkondensator multipliziert und somit eine viel höhere Ausgangsspannung erreicht wird.

Beim selbsterregten Bandgenerator wird durch Reibung des Gummibands an der oberen Isolierrolle eine Ladungstrennung erreicht. Je nach verwendeten Materialien, sammeln sich auf der Kugel negative oder positive Ladungen, die jeweils gegensätzliche Ladung wird vom Band nach unten zur Metallrolle transportiert, wo sie abgesaugt (geerdet) wird. Das nun neutrale Band läuft wieder nach oben, wo es wieder durch Reibung mit der Isolierrolle eine Ladungstrennung erzeugt.

Der Kugelkondensator fungiert gleichzeitig als Ladungsspeicher und Faraday’scher Käfig. Die Funktion als Faraday’scher Käfig ist notwendig, damit die Ladungen feldfrei an ihren Bestimmungsort transportiert werden können. Hätte man keinen Faraday’schen Käfig, müssten die Ladungen auf dem Band gegen einen Potentialanstieg anlaufen, was bei einem sehr großen Potential unweigerlich zum Verlust der Ladungen auf dem Band führen würde. Die Spannung würde sehr schnell „sättigen“. Mit dem als Faraday’schen Käfig fungierenden Kugelkondensator werden die Ladungen quasi feldfrei zur Kugel geführt, wozu keine Arbeit nötig ist. Haben die Ladungen das Innere der Kugelschale erreicht, werden sie von einem Ladungskamm abgegriffen, der mit der Kugelschale verbunden ist. Die Ladungen wandern nun vom Ladungskamm zur Kugelschale, wo sie sich an der Außenseite sammeln können.

Nach diesem Prinzip sammelt sich auf der Kugel nach kurzer Zeit eine immer größere Ladungsmenge gemäß Q= C U  an, bis der Ladungsaufbau auf dem Kugelkondensator durch Kriechströme und Funkenbildung kompensiert wird. Die maximale Spannung, die man mit solchen Geräten erzielt, liegt im mehrstelligen Kilovolt bis Megavolt Bereich. Der gemeine Hobbybastler in seiner natürlichen Umgebung wird aber durch seine beschränkten Mittel nicht über den Kilovoltbereich hinaus kommen.

Ältere Linearbeschleuniger benutzen zum Erzeugen der Hochspannung, die für die Beschleunigung der Ionen notwendig ist, Van-de-Graaff-Generatoren. Um eine größere Spannung zu erzeugen, werden diese Bandgeneratoren unter einer Atmosphäre von Schwefelhexafluorid betrieben. Das Gas wirkt als Isolator und  unterdrückt somit die Bildung von Kriechströmen, die in Luft unvermeidlich sind. Solche Bandgeneratoren erreichen problemlos eine Spannung von 10MV.

Zum Abschluss einige Bilder meines selbstgebauten fremderregten Bandgenerators. Bislang ist es mit ihm noch schwierig in den Kilovoltbereich vorzudringen, aber das wird sich hoffentlich mit dem Austausch der Holzkonstruktion durch eine Plexiglaskonstruktion verbessern.
Der große Kugelkondensator besteht aus zwei aneinandergelöteten Ikea-Salatschüsseln. Um die Kanten der Öffnung möglichst überschlagsicher zu gestalten, wurde ein Kupferrohr der Länge nach aufgeschnitten und an die Schnittkante gelötet. Als HV-Generator diente mir mein bislang treuer, aus einem Fernsehgerät ausgeschlachteter Zeilentrafo mit dazugehöriger Schaltung. Leider hat er vor einigen Wochen seinen Arbeitswillen aufgegeben, weshalb ich mich nach einem neuen, treuen Hochspannungsgenerator umschauen muss.
Das Gummiband ist ein gewöhnliches Sportgymnastikband aus einem Sportgeschäft. Da es sehr stark mechanisch beansprucht wird, muss es relativ dick und robust sein. Angetrieben wird der Bandgenerator durch einen ausrangierten Starkstrommotor, der auf 230V mit einem Kondensator umgerüstet wurde.

Veröffentlicht am Januar 17, 2013 in Bandgenerator, Hochspannung, Physik und mit , , , , , , getaggt. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink. 2 Kommentare.

  1. Dennis Fullmann

    Schöner Artikel. Wie sieht das aus, hat das Plexiglas geholfen?

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