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Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Stärke elektrischer Felder und Spannungen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nebst Vorrichtung zur Messung elektrischer Feldstärken und Spannungen und beruht auf der Tatsache, dass in einem Medium, in dem ein elektrostatisches Feld oder eine elektrische Entladung hervorgerufen werden kann, ein Körper, dessen Temperatur durch äussere Mittel von der des Mediums verschieden gehalten wird, nach Hervorrufen des elektrostatischen Feldes oder der elektrischen Entladung im Medium eine Temperaturänderung erfährt, aus welcher die Stärke des elektrischen Feldes abgeleitet wird.
Diese Temperaturänderung ist unter sonst gleichen Umständen lediglich eine Funktion der Stärke des elektrischen Feldes und kann somit zur Messung dieser Feldstärke bzw. von elektrischen Spannungen benützt werden. Diese Temperaturänderung ist unter sonst gleichen Umständen abhängig von der Beschaffenheit und bei gasförmigen Medien vom Druck des Mediums. So sind z. B. Chloroform, Äthyläther, Ammoniak, Methylenclorid, Isopropylclorid, Aeeton und Acetaldehyd als Medien verwendbar.
Das Wesen der Erfindung besteht demnach darin, dass man durch geeignete Massnahmen vom Körper durch das Medium dauernd Wärme abfliessen lässt (etwa, durch Erhitzen des Körpers) oder aber ihm dauernd durch das Medium Wärme zuführt (durch Abkühlen des Körpers). Es wird sich auf diese Weise ein stationärer Zustand einstellen, bei dem die Temperatur des Körpers einen konstanten Wert erreicht. Erzeugt man nun in dem Medium um den Körper herum ein elektrostatisches Feld (etwa durch Anlegen einer Spannung an zwei das Medium begrenzenden Kondensatorplatten), dann wird durch das Feld die Wärmeableitung durch das Medium geändert. Dadurch stellt sieh ein anderer stationärer Zustand ein, bei dem die Temperatur des Körpers einen andern konstanten Wert erreicht.
Aus der Differenz der beiden stationären Temperaturen vor und nach Einwirken des elektrostatischen Feldes, kann auf die Feldstärke im Medium und damit auf die Spannung, welche an die Kondensatorplatten angelegt wurde, geschlossen werden. Wird im speziellen das Wärmegefälle im Medium dadurch erzeugt, dass der Körper durch einen durchfliessenden Strom erhitzt wird, so wird durch die Temperaturänderung nach Einschalten des elektrischen Feldes der elektrische Widerstand des Körpers und damit der durchfliessende Strom geändert. Die in diesem Falle erreichte konstante Temperatur des Drahtes ist somit einerseits durch die geänderte Wärmeableitung durch das Medium, anderseits durch eine Änderung der zugeführten elektrischen Energie bedingt.
Auch durch eine hervorgebracht Entladung im Medium wird die Wärme- ableitung geändert. Auch hierauf lässt sich eine allerdings nicht mehr statische Spannungsmessung gründen.
Die Temperaturmessung kann auf verschiedene Weise erfolgen. Ist der Körper ein Nichtleiter, so kann man die Lötstelle eines empfindlichen Thermoelementes mit dem Körper in Berührung bringen und aus der erhaltenen thermoelektrischen Spannung die Temperaturänderung und damit die Stärke des elektrischen Feldes ermitteln. Ist der Körper ein Leiter, beispielsweise in Schleifen-, Spiralen-oder Spulenform, so äussert sich die Temperaturänderung durch eine Änderung des Widerstandes des Leiters, die mittels empfindlicher Einrichtungen, wie Brücken gemessen und zur Angabe der Stärke des elektrischen Feldes benützt werden kann. Dabei kann der den Körper durchfliessende Messstrom gleichzeitig zur Erwärmung des Körpers gegenüber dem Medium dienen.
Endlich kann der Körper selbst ein empfindliches Thermoelement bilden, dessen Spannung unmittelbar gemessen wird. In jedem Falle kann man aus den auftretenden Galvanometerausschlägen oder zum Ausgleich nötigen regelbaren Widerständen unmittelbar auf die Stärke des elektrischen Feldes im Medium schliessen. Das lässt sich am einfachsten dadurch erreichen, dass man den Galvanometer oder Widerstandsskalen empirische Teilungen gibt.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Messgerätes ist angenommen, dass der in das Medium eingebrachte Körper ein Leiter in Form einer ebenen Schleife ist,
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dessen Widerstandänderungen, die von seiner Temperaturänderung herrühren, gemessen werden. Fig. 2 veranschaulicht ein Diagramm.
1, 2 sind die beiden Elektroden, beispielsweise zueinander parallele, ebene Platten eines Kondensators, die dazu dienen, ein elektrostatisches Feld oder eine elektrische Entladung im Medium zwischen ihnen hervorzurufen, 3 und 4 sind die Zuleitungen für die zu messende Spannung und für die eventuell nötige Erdung. In den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden ist ein Leiter 5 vorteilhafterweise in Gestalt einer ebenen Drahtschleife oder Spirale eingesetzt, deren Ebene parallel zu den Plattenebene ist und die einen Zweig einer Wheatstoneschen Brücke eingeschaltet ist, in dessen Nachbarzweig ein Vergleichsdraht 6 eingeschaltet ist, dessen Widerstand genau gleich ist dem Widerstand des Leiters 5, bei der elektrischen Feldstärke Null.
Die übrigen Teile der Wheatstoneschen Brücke bedürfen, da sie allgemein bekannt sind, keiner weiteren Erörterung. Ist bei der Feldstärke Null der durch das Galvanometer 7 angezeigte Brückenstrom gleichfalls Null, so wird beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden, 2 oder bei Eintreten einer Entladung im Medium zwischen ihnen im Galvanometer 7 sofort ein Strom auftreten, weil der Widerstand des Leiters 5 sich infolge der Temperaturänderung geändert hat. Man muss nun in bekannter Weise entweder den Widerstand 6 oder einen Widerstand in einem der andern Brückenzweige ändern, um den Galvanometerstrom wieder auf Null zu bringen, welche Änderungen den geänderten Widerstand im Leiter 5 und damit die Stärke des elektrostatischen Feldes zwischen den Elektroden 1, 2 eindeutig festlegen.
Man kann somit bei entsprechender Wahl der Teilung an dem von Hand zu ändernden Widerstand die gesuchte elektrische Feldstärke unmittelbar ablesen oder man kann sich auch entsprechende Tabellen anlegen.
Aus dem Diagramm (Fig. 2) ist beispielsweise der Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung mit der Temperaturänderung des Körpers bei Verwendung eines Mediums, bestehend aus gasförmigem Äthylchlorid bei einem Druck von 300 mm Hg, ersichtlich. Als Körper wurde hiebei ein auf einem Glasträger aufgewickelter Kupferdraht von 0'05 mm Durchmesser und 100 cm Länge verwendet, der durch einen aus einer Batterie entnommenen Strom von 0-3 Amp. geheizt wird und dadurch eine stationäre Temperatur von 1090 C annimmt. Die Temperatur und die Temperaturänderung wurde aus dem gemessenen elektrischen Widerstand des Drahtes unter Berücksichtigung des Temperaturkoeffizienten von Kupfer berechnet.
Man kann statt der in der Figur angenommenen Wheatstoneschen-Brücke auch andere Widerstandsmessgeräte von ausreichender Empfindlichkeit verwenden.
Es ist ohne weiteres erkennbar, dass das vorliegende Gerät eine einfache und bequeme Messung der Stärke elektrostatischer und elektrischer Felder und damit Untersuchungen ermöglicht, welche mit den bisherigen Messgeräten für elektrostatische Felder nur sehr schwer oder gar nicht durchführbar waren.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung elektrischer Felder, dadurch gekennzeichnet, dass man in ein Medium, in dem durch eine geeignete Vorrichtung ein elektrostatisches Feld oder eine elektrische Entladung hervorgerufen werden kann, einen Körper bringt, dessen Temperatur gegenüber der des Mediums verschieden ist, wobei nach Hervorrufen des elektrostatischen Feldes oder Entladung aus der Änderung der Temperatur des Körpers die Stärke des elektrischen Feldes abgeleitet wird.