Elektrische Einrichtung Grundlage vorliegender Erfindung einer elektri schen Einrichtung ist die Verwendung der Kraftwir kung, die im elektrischen Feld an der Grenze zweier Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitätskonstan- ten auftritt und welche unter anderem unter dem Namen Gradient ##Effekt (normal und transversal) bekannt ist.
Wie nachstehend beschrieben, kann die an der Grenze zweier Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten bzw. in einem Dielektrikum im Bereich der Änderung der Dielektrizitätskonstan- ten im elektrischen Feld auftretende elektrostatische Kraftwirkung, d. h. der normale oder transversale grad #-Effekt zur Durchführung von Sekundärprozes sen bzw. zur Erzeugung von Arbeitsleistungen ver wendet werden.
Das elektrische Feld durchsetzt dabei im Fall von zwei oder mehreren Schichten von flüs sigen, gasförmigen oder festen Dielektrika diese senk recht, schräg oder parallel zur Normalen der Grenz- flächen der Dielektrika, wobei mindestens zwei der aneinanderstossenden Dielektrika unterschiedliche Di- elektrizitätskonstanten haben.
Im Fall eines Dielektrikums ist dieses eine polare Substanz mit molekularem Dipolmoment und ent sprechender Abhängigkeit seiner Dielektrizitätskon- stanten von der wirksam werdenden elektrischen Feldstärke, wobei die zufolge des grad #-Effektes in einem örtlich veränderlichen Feld im Innern der dielektrischen Substanz wirksam werdende Kraftwir kung zur Betätigung von sekundären Prozessen bzw. zur Erzeugung von Arbeitsleistungen verwendbar ist.
Die erfindungsgemässe elektrische Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie Mittel zum Her stellen eines elektrischen Feldes besitzt, in welchem Feld mindestens zwei Orte mit bei vorhandenem Feld verschiedener Dielektrizitätskonstante vorhanden sind, und dass sie Mittel aufweist, um die infolge die- ser Orte verschiedener Dielektrizitätskonstante auf tretende elektrostatische Kraftwirkung auszunutzen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung der an der Grenzfläche zweier Dielektrika auftretenden Kräfte, Fig. 2 einen Schnitt durch das erste Beispiel, und zwar ein Relais, Fig.3 einen Schnitt durch den obern Teil eines Relais etwas anderer Ausführung, Fig.4 einen Schnitt durch eine Anordnung, bei der der transversale grad #-Effekt in einem polaren Dielektrikum wirksam wird, Fig.5 eine andere Art der Kontaktgabe für ein Relais nach Fig.
2, Fig.6 einen Schnitt durch ein auf dem transver- salen grad a-Effekt im polaren Dielektrikum beruhen des elektrostatisches Relais, Fig. 7 einen Teilschnitt durch die Membran dieses Relais in grösserem Massstab und Fig. 8 einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Flüssigkeitsströmung mittels des grade-Effektes in polaren Substanzen.
Fig. 1 zeigt das Prinzip des Gradient E-Effektes. Zwei Dielektrika mit den Dielektrizitätskonstanten El bzw. -z werden von dem elektrischen Feld F durch setzt.
An ihrer Grenze tritt eine Kraftwirkung P auf, die unabhängig von der elektrischen Feldrichtung vom Dielektrikum mit der höheren Dielektrizitäts- konstanten zum Dielektrikum mit der kleineren Di- elektrizitätskonstanten gerichtet ist. In Fig. 1 ist als Beispiel angenommen, dass -i grösser als 82 ist, wo durch sich die Pfeilrichtung von P unabhängig von der Feldrichtung von F ergibt.
Die Ausnutzung dieses Gradient E-Effektes (normal wie im Beispiel der Fig. 1 oder auch transversal) ermöglicht es, elektrostatisch betriebene Einrichtungen zu schaffen, die eine grosse Spannungssicherheit und mechanische Stabilität, bei einfachem Aufbau, aufweisen.
Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung, wobei zur besseren Verdeutlichung die Mass stäbe der einzelnen Bauteile gegeneinander verzerrt sind. Zwischen zwei Körpern 1 und 2 aus Isolierstoff (gepresster Kunststoff wie Polystyrol oder ähnliches) befindet sich eine Membran 3 aus Isolierstoff, zum Beispiel Kunststoffolie aus Cellulosehydrat, Poly äthylen, Polyvinylchlorid, Styroflex, Terylen oder andern zu Folien verarbeitbaren Kunststoffen, ge gebenenfalls mit Beimischungen von gemahlenem Rutil oder ähnlichen Stoffen, durch welche Bei mischung die Erzeugung einer gewünschten Dielektri- zitätskonstanten der Folie ermöglicht wird.
Links und rechts von der Membran 3 besitzen die isolieren den Tragekörper 1 und 2 Vertiefungen, auf deren Boden sich Metallbelegungen 4 und 5 befinden, die mechanisch oder durch bekannte Metallisierungs verfahren erzeugt werden. Die beiden Belegungen 4 und 5 sind zu den beiden Kontaktschlüssen 6 und 7 geführt. In dem Zwischenraum zwischen der Mem bran 3 und dem Tragekörper 1 befindet sich ein in sich bewegliches, d. h. ein flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstante K1. In dem Zwischenraum zwischen der Membran 3 und dem Tragekörper 2 befindet sich ein flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum mit der Dielektrizitäts konstante K3. Der Isolierstoff der Membran 3 hat die Dielektrizitätskonstante K2.
Es soll nun K1 grösser als K2 und K2 höchstens gleich, vorzugsweise aber grösser als K3 sein. Besteht nun durch Gleich- oder Wechselspannungsanschluss an den Klemmen 6 und 7 zwischen den Metallbelegungen 4 und 5 ein die ver schiedenen Dielektrika durchsetzendes elektrisches Feld gleich welcher Richtung, so entsteht bei Kl>K2 an der linken Grenzschicht der Membran 3 eine Kraftwirkung auf die Membran, die in Fig.2 von links (K1) nach rechts (K2) gerichtet ist, und an der rechten Grenzschicht der Membran 3 entsteht bei K2> K3 eine Kraftwirkung auf die Membran, die auch von links (K2) nach rechts (K3) gerichtet ist.
Das heisst, im Fall K1> K2> K3 wirken an der linken und rechten Grenzschicht der Membran auf diese gleichgerichtete Kräfte, die die Isolierstoffmembran in dem Zwischenraum zwischen den Tragekörpern 1 und 2 nach rechts durchbiegen. Zur Erzielung opti maler Kraftwirkung auf die Membran haben an einer Grenzschicht zasammenstossende Dielektrika jeweils Dielektrizitätskonstanten, die im Verhältnis 3 zu 1 stehen.
Die sich nach rechts durchbiegende Membran 3 übt nun auf das flüssige oder gasförmige in sich be wegliche Dielektrikum (K3) im Zwischenraum zwi schen der Membran 3 und dem Tragekörper 2 einen Druck aus, während auf das flüssige oder gasförmige Dielektrikum (K1) im Zwischenraum zwischen der Membran 3 und dem Tragekörper 1 ein Zug aus geübt wird. Diese Druck- bzw. Zugkräfte auf die Dielektrika übertragen sich durch kleine Öffnungen 8 in den Metallbelegungen 4 und 5, die sich in den Tragekörpern 1 und 2 erweiternd fortsetzen in Aus gleichsräume der Dielektrika, die, wie in Fig. 2 bei spielsweise gezeigt, an der jeweiligen Rückseite der Tragekörper 1 und 2 zwischen diesen und Abschluss deckeln 9 und 10 gebildet sind. Die gesamte Anord nung wird dabei,, wie in Fig.2 angedeutet. durch durchgehende Schrauben oder Nieten (Hohlnieten) 11 zusammengehalten.
Diese Ausgleichsräume sind nun durch ein Rohr 12 aus Isolierstoff miteinander ver bunden, das bei zwei weiten Ansätzen links und rechts einen Mittelteil geringer Weite hat. Der über- gang von dem engen Mittelteil des Rohres 12 zu den weiten Aussenteilen erfolgt, wie in Fig.2 dar gestellt, durch die beiden eingezogenen Öffnungen 13. In dem engen Mittelteil des Rohres 12 befindet sich ein beweglicher Körper, zum Beispiel Quecksilber faden 14 oder auch eine Quecksilberkugel bzw. eine sonstige Metallkugel mit einem Durchmesser gleich der Rohrweite.
Ausserdem ist das Kunststoffrohr in diesem Teil mit zum Beispiel eingepressten Metall kontakten 15, 16, 17 versehen bzw. es sind, wie in Fig.5 dargestellt, im Fall der Verwendung einer Quecksilberkugel 14, die Metallkontakte 15, 15' und 16, 16' vorgesehen. In der Ruhelage der Membran 3 möge sich der Quecksilberfaden bzw. die Queck silberkugel 14 in der gezeichneten Lage auf der rechten Seite des verengten Rohrteils befinden.
Wird nun die Membran durch die oben beschriebenen Kraftwirkungen des grade-Effektes zufolge einer an die Kontakte 6 und 7 angelegten Gleich- oder Wech selspannung in Fig.2 nach rechts durchgebogen, so übertragen sich die Zug- bzw. Druckkräfte auf die flüssigen oder gasförmigen Dielektrika links (K,) und rechts (K3) durch die Öffnungen 8 mit den zwecks Verringerung des Reibungswiderstandes sich erweiternden Durchlässen schliesslich durch die öff- nungen 13 auf den Quecksilberfaden 14,
der durch diese Kraftwirkung von rechts nach links in Fig.2 bzw. Fig.5 bewegt wird. Hierbei wird durch die Transformierung einer kleinen Bewegung einer gro ssen Fläche (Membran 3) in eine entsprechende grö ssere Bewegung einer kleinen Fläche (Oberfläche des Quecksilberfadens 14) eine derartige Verschiebung des Quecksilberfadens 14 in dem verengten Mittelteil des Rohres 12 bewirkt,. dass der in der Ruhelage zwischen den Kontakten 16 und 17 kontaktschlie ssende Quecksilberfaden nunmehr zwischen den Kon takten 15 und 16 Kontaktschluss herstellt und den Kontaktschluss zwischen den Kontakten 17 und 16 unterbricht bzw.
dass bei der Anordnung nach Fig. 3 die in der Ruhelage zwischen den Kontakten 16, 16' kontaktschliessende Quecksilberkugel nunmehr zwi schen den Kontakten 15, 15' Kontaktschluss her stellt und den Kontaktschluss zwischen den Kon takten 16, 16' aufhebt.
Die zur Betätigung des Relais erforderliche Leistungsaufnahme ist bestimmt durch die Grösse der Kapazität zwischen den Belegungen 4 und 5. Der Leistungsaufwand zur Betätigung eines Arbeitskon- taktes liegt dabei um Grössenordnungen unter dem Leistungsaufwand eines durch elektromagnetische Wirkung betätigten Arbeitskontaktes. Der Leistungs aufwand zur Aufrechterhaltung eines Schaltzustandes ist Null, da die potentielle Energie der elektrischen Spannung hier in die potentielle Energie einer Lage umgewandelt wird. Wegen des völligen Abschlusses aller wirksam werdenden Teile nach aussen unterliegt die Anordnung keinen Einflüssen der Luftfeuchtig keit oder Verstaubung und erfordert dementsprechend nur verminderte Pflege.
Es kann die Kraftwirkung des grad #-Effektes auf die dielektrische Membran, zur Betätigung der An ordnung, gegebenenfalls nur an einer Grenzfläche, das heisst in ihrer Wirkung auf die Membran ent sprechend verringert angewandt werden, indem nur an einer Grenzfläche der Membran eine Änderung der Dielektrizitätskonstante stattfindet.
In diesem Fall kann, wie in Fig. 3 - die die Tragekörper 1, 2 und die Membran 3 der Fig. 2 als Ausschnitt noch einmal zeigt - dargestellt ist, zum Beispiel die Metall belegung 4 vom Tragekörper 1 auf die Membran vorgezogen werden, wobei die Verringerung der Kraftwirkung auf die dielektrische Membran durch die nunmehr einseitig wirkende Kraft des grad #- Effektes an der rechten Membranfläche (K2>K3), durch die Verringerung des Abstandes der Belegun gen 4 und 5 teilweise ausgeglichen wird, wobei in solcher Anordnung die Wirkung des grad #-Effektes auf die Membran auch noch durch die bekannte elektrostatische Anziehung der beiden Elektroden unterstützt wird.
Wir haben bisher Beispiele mit ausschliesslich normalem grad #-Effekt gezeigt.
Eine Anwendung des transversalen grad #-Effek- tes kann in der Form erfolgen, dass ein Luftkondensa tor bis zu einer gewissen Standhöhe mit einem Dielektrikum grosser Dielektrizitätskonstante gefüllt wird, wobei dann der transversale grad #-Effekt die Standhöhe in Anhängigkeit von der angelegten Span nung beeinflu#t und diese Standhöhenänderung mit tels kommunizierender Röhren zu Schaltmassnahmen bzw. zur Spannungsmessung benutzt wird.
Fig.4 zeigt als weiteres Beispiel eine Anordnung, bei der der transversale grad #-Effekt in polaren Dielektrika wirksam wird. Im Gegensatz zu früheren Anordnungen sind hier die Belegungen 4 und 5 schräg zueinander gestellt, so dass das elektrische Feld zwi schen 4 und 5 in Fig.4 von oben nach unten in seiner Stärke zunimmt, das heisst örtlich veränderlich ist. Das Dielektrikum 19 zwischen den Belegungen möge nun eine polare Substanz sein, deren molekula res Dipolmoment und damit deren Dielektrizitäts- konstante K (F) sich in Abhängigkeit von der elek trischen Feldstärke F ändert.
Hierdurch tritt senk recht zur Richtung der Feldstärke (transversaler Effekt) ein Gradient der Dielektrizitätskonstanten im Dielektrikum der Fig.4 auf, der eine Kraftwirkung des Dielektrikums mit einer die Flüssigkeit auf stauenden Wirkung hervorruft. Infolge des Druck- ausgleiches innerhalb der Flüssigkeit entsteht hierbei eine Druckwirkung bzw. Zugwirkung in den Rohr ansätzen 12 mit zum Beispiel den oben schon dar gestellten Folgen.
Die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten von der elektrischen Feldstärke bei polaren Substan zen kann, zum Beispiel in der Anordnung nach Fig. 2, bei Anwendung solcher Substanz als eines der Aussen dielektrika durch den dann feldstärkenabhängigen Wert des Verhältnisses der Dielektrizitätskonstanten an der einen Grenzfläche der Membran 3 zur Lineari- sierung der resultierenden Kraftwirkung an der Membran bzw. zu deren Begrenzung oder sogar Richtungsumkehr verwendet werden.
Die schon beschriebenen Anwendungen des grad,--Effektes sind zum Beispiel auch unmittelbar zur statischen Spannungsanzeige verwendbar, indem zum Beispiel die von der angelegten Spannung be stimmte Lage des oben erwähnten Quecksilberfadens innerhalb der hier zweckmässig als Kapillarrohr aus zubildenden Rohrverengung des Rohres 12 (siehe Fig.2) als geeichtes Mass für die angelegte Spannung dient.
Fig. 6 zeigt eine auf dem transversalen grad ,-- Effekt in polaren Substanzen beruhende elektrostati sche Einrichtung. Die Körper 19, 20, 21 ebenso wie die Ringpaare 22 und 23 bestehen zum Beispiel aus einem wenig elastischen Kunststoff. Die in Form einer Kugelkalotte ausgearbeitete Innenfläche des Körpers 21 ist metallisiert (24), und diese Metallisie- rung ist zum Aussenanschluss 25 ,geführt.
Zwischen den Ringen 22 und 23 befindet sich eine elastische Kunststoffolie 26 (Cellulosehydrat, Terylen, Styro- flex oder Polyäthylen). Auf dieser Folie 26 ist als Beispiel einer Anwendung der Einrichtung ein Re laiskontakt 27 angebracht, der über eine Metallisie- rung auf der Folie an den Aussenkontakt 28 geführt ist. Dem Kontakt 27 steht der auf dem Zwischen stück 29 montierte Relaisgegenkontakt 30 gegenüber. Der Kontakt 30 ist an den Aussenanschluss 31 ge führt.
Ein wesentlicher Bestandteil dieser für ver schiedene Anwendungen geeigneten Membraneinrich- tung ist ,die zwischen dem Stück 21 und dem Ring 23 eingespannte, die Kugelkalotte des Stückes 21 in ihrem obern Teil bedeckende Membran 32. In einem Ausschnitt (Fig.7) ist diese Membran noch einmal herausgezeichnet. Sie besteht aus einer elastischen Kunststoffolie 33, auf der eine Metallisierung 34 durch Verdampfung oder sonstige geeignete Mittel aufgebracht ist.
Auf dieser Metallisierung ist eine weitere Isolierschicht 35 aufgebracht, die dann mit der gespannten Folie auf der metallisierten Kugel- kalotte des Stückes 21 aufliegt. Die Dicke der Isolier schicht 35 bestimmt dabei im wesentlichen die Empfindlichkeit der Einrichtung. Die Schicht 35 kann zum Beispiel durch Verdampfung etwa von Siliciumoxyd oder auch durch eine dünne Kunststoff- folie gebildet werden. Als Material der Isolierschicht 35 wählt man in der als Beispiel angegebenen Anord- nun g ein solches mit nicht zu hoher Dielektrizitäts konstante.
Durch die zunächst offenen Ansätze 38 und 39 wird in den Raum zwischen den Membranen 32 und 26 eine Flüssigkeit (zum Beispiel Nitrobenzol) eingefüllt, und es wird durch die ebenfalls zunächst offenen Ansätze 41 und 42 eine polare Substanz mit molekularem Dipolmoment (zum Beispiel getrock netes Nitrobenzol) in sämtliche Hohlräume eingefüllt. In dem Basisstück 21 befinden sich zu diesem Zweck die Durchbrüche 43 und 44. Durch die Durchbrü che 43 wird dabei der verbleibende Raum zwischen der Membran 32 und der metallisierten Kugelkalotte des Stückes 21 völlig mit Nitrobenzol gefüllt.
Zum Betrieb dieser elektrostatischen Membran einrichtung wird die Betätigungsspannung an die Aussenanschlüsse 37 und 25 angelegt, wodurch zwi schen den Metallelektroden 34 und 24 ein von innen nach aussen in der Feldstärke abnehmendes elektri sches Feld entsteht. Durch diese örtlich veränderliche elektrische Feldstärke entsteht nun in dem aus pola rem Material mit molekularem Dipolmoment beste henden Dielektrikum 45 eine Kraftwirkung, die bei geeigneter Dimensionierung in diesem flüssigen Di elektrikum einen Staudruck von aussen nach innen hervorruft.
Hierdurch wird die Membran 32 an gehoben und über das hier als Übertragungsmittel vorgesehenen Flüssigkeitskissen 46 zwischen den Membranen 32 und 26 auch die Membran 26 an P 01 hoben, wodurch i m vorliegenden Beispiel dann Relaiskontaktschluss zwischen den Kontakten 27 und 30 hergestellt wird.
Die beschriebenen Einrichtungen bedeuten wegen ihres gegenüber dem bekannten, um Grössenordnun gen erniedrigten Steuerleistungsbedarfes bei vermin dertem betrieblichem Pflegeaufwand einen substan tiellen technischen Fortschritt. Die Anwendungsmög lichkeiten in der Niederspannungstechnik, Stark- und Hochspannungstechnik sowie in jeder Art der Steue rungstechnik, Speichertechnik und Energieumsetzung sind offensichtlich.
Als weiteres Beispiel für die Nutzbarmachung .der Kraftwirkungen, die in aus polaren Substanzen mit molekularem Dipolmoment bestehenden Dielektrika unter der Einwirkung örtlich veränderlicher elektri scher Felder auftreten, zeigt Fig.8 das Grundsätz liche einer Anordnung zur Herstellung einer Flüssig keitsströmung mittels der zur Verwendung vor geschlagenen elektrostatischen Wirkungen.
In dem Zwischenraum zwischen den metallischen oder an ihrer Oberfläche metallisierten Körpern 47 und 48 möge sich ein flüssiges Dielektrikum 49 vorstehend beschriebener Art (zum Beispiel getrocknetes Nitro- benzol) befinden. Die Metalloberflächen der Körper 47 und 48 werden an eine elektrische Spannung (Betäti gungsspannung) gelegt.
Wegen der sägezahnförmigen Gestalt des im Querschnitt gezeigten Körpers 48 entsteht im flüssigen Dielektrikum 49 zwischen den Körpern 47 und 48 eine in jeder Stufe gleichmässig von links nach rechts zunehmende elektrische Feld- stärke. Hierdurch wird das Dielektrikum mit moleku larem Dipolmoment in jeder Stufe von links nach rechts zunehmend polarisiert, und es werden die molekularen Dipole des Dielektrikums von links nach rechts in jeder Stufe zunehmend durch das elektri sche Feld ausgerichtet.
Von der Ausrichtung der molekularen Dipole ist nun die Dielektrizitätskon- stante des Dielektrikums abhängig, so dass sich als Folge der örtlich veränderlichen Feldstärke im flüssi gen Dielektrikum eine örtlich veränderliche Dielektri- zitätskonstante einstellt.
Da die jeweilige Dielektri- zitätskonstante vom Quadrat der Feldstärke abhängt, tritt der Effekt der sich in Fig. 8 in jeder Stufe ver änderlich einstellenden Dielektrizitätskonstante im flüssigen Dielektrikum zwischen den Körpern 47 und 48 in gleicher Weise bei angelegter Gleichspannung wie Wechselspannung auf.
Zufolge der sich in jeder Stufe der Fig.8 von links nach rechts stetig ver ändernden Dielektrizitätskonstante des flüssigen Di- elektrikums zwischen den Körpern 47 und 48 ent steht nun in jeder Stufe in diesem Dielektrikum ein transversaler grade-Effekt, d. h. in jeder Stufe ent steht im flüssigen Dielektrikum eine Kraftwirkung (Staudruck) senkrecht zur elektrischen Feldstärke.
Durch diesen Staudruck in allen Stufen des Körpers 48 entsteht im flüssigen Dielektrikum 49 eine Strö mung, die .sich zum Beispiel durch die Rohransätze 50 und 51 in Fig. 8 schliessen möge.
Hinsichtlich der Druckwirkung auf die gesamte Strömung des flüssigen Dielektrikums addieren sich dabei die Staudrücke in den einzelnen Stufen der Fig. 8, denn beim Übergang der Flüssigkeitsmoleküle von der Stelle grösster Feld stärke einer Stufe mit entsprechend starker Orientie rung der Moleküle in die Stelle geringster Feldstärke der folgenden Stufe tritt praktisch sofort wieder eine entsprechend grössere Unordnung der Molekülrich tungen mit entsprechender Folge für die wirksame Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums ein.
Die in Fig. 8 prinzipiell dargestellte Anordnung mehrerer nacheinander vom flüssigen Dielektrikum durchströmter Stufen oder Kammern führt durch die Addition der einzelnen Staudrücke hinsichtlich der Flüssigkeitsströmung zu einer Hochdruckeinrichtung.
Werden durch mehrere parallel wirkende elektro statische Strömungskammern Einzelströmungen her gestellt, die in einem äussern Verbindungsweg zu einem Gesamtstrom vereinigt werden, so entsteht offensichtlich eine Niederdruckeinrichtung hinsicht lich des strömenden flüssigen Dielektrikums.
Anordnungen, bei denen das flüssige Dielektri- kum mit polaren D.ipoleigenschaften durch wahlweise an die elektrische Betätigungsspannung gelegte elek trostatische Strömungskammern meiner gemeinsamen Aussenverbindung für das flüssige Dielektrikum in einer oder in -entgegengesetzter Richtung in Strömung versetzt wird, liegen auf der Hand.
Die in den elektrostatischen Strömungskammern dem flüssigen Dielektrikum durch Orientierung seiner Moleküle vom angelegten elektrischen Feld zugeführte Energie setzt sich über den grad e-Effekt nur teilweise in den die Strömung hervorrufenden Staudruck um. Ein geringer Teil der vom elektrischen Feld auf gebrachten Energie setzt sich, infolge der innern Rei bung des flüssigen Dielektrikums, auch in Wärme um. Es ist deshalb zweckmässig, das flüssige Dielektrikum zwischen Austritt aus und Eintritt in die Strömungs kammern, gegebenenfalls auch durch Kühlung der Elektroden in den Kammern laufend zu kühlen.
Eine solche Kühlung, die auch selbsttätig als adiabatischer Kühlprozess ablaufen kann steigert allgemein die durch das örtlich veränderliche elektrische Feld im Dielektrikum hervorgerufene Kraftwirkung mit ihrer Staudruckwirkung.
Die durch elektrostatische Strömungskammern hervorgerufene Flüssigkeitsströmung kann zum Bei spiel zum Antrieb eines Turbinenrades 52 dienen oder auch in beliebiger anderer Weise zur Erzeugung einer verwertbaren Arbeitsleistung herangezogen werden.
Electrical device The basis of the present invention of an electrical device is the use of the Kraftwir effect that occurs in the electrical field at the boundary between two dielectrics with different dielectric constants and which is known among other things under the name Gradient ## Effect (normal and transversal).
As described below, the electrostatic force effect occurring at the boundary of two dielectrics with different dielectric constants or in a dielectric in the area of the change in dielectric constants in the electric field, ie. H. the normal or transversal degree # effect can be used to carry out secondary processes or to generate work.
In the case of two or more layers of liquid, gaseous or solid dielectrics, the electric field penetrates them perpendicular, obliquely or parallel to the normal to the boundary surfaces of the dielectrics, with at least two of the adjoining dielectrics having different dielectric constants.
In the case of a dielectric, it is a polar substance with a molecular dipole moment and a corresponding dependence of its dielectric constant on the electrical field strength that becomes effective, whereby the force effect that becomes effective in a locally variable field inside the dielectric substance is due to the grad # effect Actuation of secondary processes or to generate work can be used.
The electrical device according to the invention is characterized in that it has means for producing an electrical field in which field at least two locations with different dielectric constants are present when the field is present, and in that it has means to reduce the dielectric constant due to these locations to take advantage of the electrostatic force.
In the drawing, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown, namely: FIG. 1 shows a schematic representation of the forces occurring at the interface between two dielectrics, FIG. 2 shows a section through the first example, namely a relay, FIG. 3 shows a section through the Upper part of a relay with a slightly different design, FIG. 4 a section through an arrangement in which the transverse grad # effect is effective in a polar dielectric, FIG. 5 another type of contact for a relay according to FIG.
2, FIG. 6 a section through an electrostatic relay based on the transverse degree a effect in the polar dielectric, FIG. 7 a partial section through the membrane of this relay on a larger scale and FIG. 8 a section through a device for generating a liquid flow by means of the grade effect in polar substances.
Fig. 1 shows the principle of the gradient E effect. Two dielectrics with the dielectric constants El and -z are set by the electric field F.
At its limit, a force effect P occurs, which is directed from the dielectric with the higher dielectric constant to the dielectric with the lower dielectric constant, regardless of the direction of the electric field. In FIG. 1, it is assumed as an example that -i is greater than 82, which means that the direction of the arrow of P is independent of the field direction of F.
The utilization of this gradient E effect (normal as in the example in FIG. 1 or also transversely) makes it possible to create electrostatically operated devices which have a high voltage security and mechanical stability with a simple structure.
Fig. 2 shows an embodiment of the inven tion, the scales of the individual components are distorted against each other for better clarity. Between two bodies 1 and 2 made of insulating material (pressed plastic such as polystyrene or similar) there is a membrane 3 made of insulating material, for example plastic film made of cellulose hydrate, polyethylene, polyvinyl chloride, Styroflex, terylene or other plastics that can be processed into films, if necessary with admixtures of ground rutile or similar substances which, when mixed, enable the production of a desired dielectric constant of the film.
Left and right of the membrane 3 have the isolate the support body 1 and 2 wells, on the bottom of which there are metal coatings 4 and 5, which are generated mechanically or by known metallization processes. The two assignments 4 and 5 are led to the two contact connections 6 and 7. In the space between the mem brane 3 and the support body 1 is a movable in itself, d. H. a liquid or gaseous dielectric with the dielectric constant K1. In the space between the membrane 3 and the support body 2 there is a liquid or gaseous dielectric with a dielectric constant K3. The insulating material of the membrane 3 has the dielectric constant K2.
K1 should now be greater than K2 and K2 at most equal, but preferably greater than K3. If there is now an electrical field that penetrates the various dielectrics in any direction through direct or alternating voltage connection to terminals 6 and 7 between the metal coatings 4 and 5, a force is exerted on the diaphragm at Kl> K2 at the left boundary layer of diaphragm 3, which is directed from left (K1) to right (K2) in FIG. 2, and at the right boundary layer of membrane 3, when K2> K3, a force is exerted on the membrane, which is also directed from left (K2) to right (K3) is.
This means that in the case of K1> K2> K3, forces in the same direction act on the left and right boundary layer of the membrane, which bend the insulating membrane in the space between the support bodies 1 and 2 to the right. In order to achieve an optimal force effect on the membrane, dielectrics that collide at a boundary layer each have dielectric constants that are in a ratio of 3 to 1.
The diaphragm 3 bending to the right now exerts pressure on the liquid or gaseous dielectric (K3) in the gap between the membrane 3 and the support body 2, while the liquid or gaseous dielectric (K1) in the gap between the membrane 3 and the support body 1 a train is exercised. These compressive or tensile forces on the dielectrics are transmitted through small openings 8 in the metal coatings 4 and 5, which continue expanding in the support bodies 1 and 2 in equal spaces of the dielectrics, which, as shown in Fig. 2 for example, to the respective back of the support body 1 and 2 between these and completion covers 9 and 10 are formed. The entire arrangement is then, as indicated in FIG. held together by continuous screws or rivets (hollow rivets) 11.
These compensation spaces are now connected to each other by a pipe 12 made of insulating material, which has a small middle part with two wide approaches left and right. The transition from the narrow middle part of the tube 12 to the wide outer parts takes place, as shown in FIG. 2, through the two retracted openings 13. In the narrow middle part of the tube 12 there is a movable body, for example mercury thread 14 or a mercury ball or some other metal ball with a diameter equal to the pipe width.
In addition, the plastic tube in this part is provided with, for example, pressed-in metal contacts 15, 16, 17 or, as shown in FIG. 5, if a mercury ball 14 is used, the metal contacts 15, 15 'and 16, 16' intended. In the rest position of the membrane 3, the mercury thread or the mercury ball 14 may be in the position shown on the right side of the narrowed pipe part.
If the membrane is now bent to the right by the force effects of the grade effect described above, as a result of a DC or AC voltage applied to contacts 6 and 7, the tensile or compressive forces are transferred to the liquid or gaseous dielectrics left (K,) and right (K3) through the openings 8 with the openings widening for the purpose of reducing the frictional resistance and finally through the openings 13 onto the mercury thread 14,
which is moved by this force from right to left in Fig.2 and Fig.5. Here, by transforming a small movement of a large area (membrane 3) into a corresponding larger movement of a small area (surface of the mercury thread 14), such a displacement of the mercury thread 14 in the narrowed central part of the tube 12 is brought about. that the mercury thread, which closes the contact between the contacts 16 and 17 in the rest position, now establishes contact between the contacts 15 and 16 and interrupts or interrupts the contact between the contacts 17 and 16.
that in the arrangement according to FIG. 3, the mercury ball closing the contacts in the rest position between the contacts 16, 16 'now between the contacts 15, 15' establishes contact closure and the contact closure between the contacts 16, 16 'cancels.
The power consumption required to actuate the relay is determined by the size of the capacitance between occupancies 4 and 5. The power required to actuate a working contact is orders of magnitude lower than the power required by an electromagnetic contact. The power expenditure to maintain a switching state is zero, since the potential energy of the electrical voltage is converted here into the potential energy of a layer. Due to the complete closure of all effective parts from the outside, the arrangement is not subject to the effects of humidity or dust and accordingly requires only reduced maintenance.
The force of the degree # effect on the dielectric membrane can be used to actuate the arrangement, if necessary only at one interface, that is, its effect on the membrane can be appropriately reduced by only changing the at one interface of the membrane Dielectric constant takes place.
In this case, as in Fig. 3 - which shows the support body 1, 2 and the membrane 3 of FIG. 2 as a detail again - is shown, for example, the metal occupancy 4 are preferred from the support body 1 to the membrane the reduction in the force acting on the dielectric membrane by the now unilateral force of the degree # effect on the right membrane surface (K2> K3), is partially offset by the reduction in the distance between the occupancies 4 and 5, with the effect in such an arrangement the grad # effect on the membrane is also supported by the well-known electrostatic attraction of the two electrodes.
So far we have shown examples with an exclusively normal degree # effect.
The transverse grad # effect can be used in such a way that an air condenser is filled up to a certain level with a dielectric with a large dielectric constant, the transverse grad # effect then being the level depending on the applied voltage and this change in stand height is used by means of communicating tubes for switching measures or for voltage measurement.
As a further example, FIG. 4 shows an arrangement in which the transverse grad # effect is effective in polar dielectrics. In contrast to previous arrangements, here the assignments 4 and 5 are placed at an angle to one another, so that the strength of the electric field between 4 and 5 in FIG. 4 increases from top to bottom, that is, it is locally variable. The dielectric 19 between the coatings may now be a polar substance whose molecular dipole moment and thus its dielectric constant K (F) changes as a function of the electric field strength F.
As a result, a gradient of the dielectric constant occurs perpendicular to the direction of the field strength (transverse effect) in the dielectric of FIG. 4, which causes a force effect of the dielectric with an effect damming the liquid. As a result of the pressure equalization within the liquid, a pressure or tensile effect arises in the pipe attachments 12 with, for example, the consequences already presented above.
The dependence of the dielectric constant on the electric field strength in polar Substan can zen, for example in the arrangement according to FIG. 2, when using such a substance as one of the external dielectrics by the field strength-dependent value of the ratio of the dielectric constant at the one interface of the membrane 3 to Linearization of the resulting force effect on the membrane or to limit it or even to reverse direction can be used.
The already described applications of the degree effect can also be used, for example, directly for static voltage display, for example by the position of the above-mentioned mercury thread, determined by the applied voltage, within the constriction of the pipe 12 (see Fig .2) serves as a calibrated measure for the applied voltage.
Fig. 6 shows an electrostatic device based on the transverse degree, - effect in polar substances. The bodies 19, 20, 21 as well as the pairs of rings 22 and 23 consist, for example, of a less elastic plastic. The inner surface of the body 21 worked out in the form of a spherical cap is metallized (24), and this metallization is led to the external connection 25.
Between the rings 22 and 23 there is an elastic plastic film 26 (cellulose hydrate, terylene, styroflex or polyethylene). As an example of an application of the device, a relay contact 27 is attached to this film 26, which relay contact is guided to the external contact 28 via a metallization on the film. The contact 27 is the relay mating contact 30 mounted on the intermediate piece 29 opposite. The contact 30 is connected to the external connection 31 leads.
An essential component of this membrane device suitable for various applications is the membrane 32 clamped between the piece 21 and the ring 23 and covering the spherical cap of the piece 21 in its upper part. This membrane is still in a section (FIG. 7) once drawn out. It consists of an elastic plastic film 33 on which a metallization 34 is applied by evaporation or other suitable means.
A further insulating layer 35 is applied to this metallization, which then rests with the tensioned film on the metallized spherical cap of the piece 21. The thickness of the insulating layer 35 essentially determines the sensitivity of the device. The layer 35 can be formed, for example, by evaporation of silicon oxide, for example, or also by a thin plastic film. In the arrangement given as an example, the material chosen for the insulating layer 35 is one with a dielectric constant that is not too high.
A liquid (for example nitrobenzene) is poured into the space between the membranes 32 and 26 through the initially open attachments 38 and 39, and a polar substance with a molecular dipole moment (for example getrock netes Nitrobenzene) filled into all cavities. For this purpose, the openings 43 and 44 are located in the base piece 21. Through the openings 43, the remaining space between the membrane 32 and the metallized spherical cap of the piece 21 is completely filled with nitrobenzene.
To operate this electrostatic membrane device, the actuating voltage is applied to the external connections 37 and 25, whereby between tween the metal electrodes 34 and 24 a decreasing electrical field from the inside out in the field strength arises. This locally variable electric field strength now creates a force in the existing dielectric 45 consisting of polar material with a molecular dipole moment, which, if dimensioned appropriately, causes a dynamic pressure from the outside to the inside in this liquid dielectric.
As a result, the membrane 32 is lifted and the membrane 26 is also lifted at P 01 via the fluid cushion 46 provided here as a transmission medium between the membranes 32 and 26, whereby in the present example relay contact is then established between the contacts 27 and 30.
The facilities described represent a substantial technical advance because of their lower tax power requirements compared to the known, by orders of magnitude, with reduced operational maintenance effort. The possible applications in low voltage technology, high voltage and high voltage technology as well as in every type of control technology, storage technology and energy conversion are obvious.
As a further example for the utilization of the force effects that occur in dielectrics consisting of polar substances with a molecular dipole moment under the action of locally variable electrical fields, Fig. 8 shows the basic principle of an arrangement for producing a liquid flow by means of the proposed for use electrostatic effects.
A liquid dielectric 49 of the type described above (for example dried nitrobenzene) may be located in the space between the metallic bodies 47 and 48 that are metallized on their surface. The metal surfaces of the body 47 and 48 are connected to an electrical voltage (Actuate supply voltage).
Because of the sawtooth-shaped shape of the body 48 shown in cross section, an electrical field strength that increases uniformly from left to right in each step arises in the liquid dielectric 49 between the bodies 47 and 48. As a result, the dielectric with the molecular dipole moment is increasingly polarized from left to right in each stage, and the molecular dipoles of the dielectric are increasingly aligned from left to right in each stage by the electrical field.
The dielectric constant of the dielectric is now dependent on the alignment of the molecular dipoles, so that a locally variable dielectric constant is established as a result of the locally variable field strength in the liquid dielectric.
Since the respective dielectric constant depends on the square of the field strength, the effect of the dielectric constant, which changes in each step in FIG. 8, occurs in the liquid dielectric between the bodies 47 and 48 in the same way with applied direct voltage as alternating voltage.
As a result of the dielectric constant of the liquid dielectric between the bodies 47 and 48, which constantly changes from left to right in each step in FIG. 8, a transversal grade effect now arises in this dielectric in each step, ie. H. In each stage, a force (dynamic pressure) is created in the liquid dielectric, perpendicular to the electric field strength.
As a result of this dynamic pressure in all stages of the body 48, a flow arises in the liquid dielectric 49 which, for example, may close through the pipe attachments 50 and 51 in FIG.
With regard to the pressure effect on the entire flow of the liquid dielectric, the dynamic pressures add up in the individual stages of FIG. 8, because when the liquid molecules pass from the point of greatest field strength of a stage with a correspondingly strong orientation of the molecules to the point of lowest field strength of the The following stage occurs almost immediately again a correspondingly greater disorder of the molecular directions with a corresponding consequence for the effective dielectric constant of the dielectric.
The arrangement shown in principle in FIG. 8 of a plurality of stages or chambers through which the liquid dielectric flows in succession leads to a high-pressure device by adding the individual dynamic pressures with regard to the flow of liquid.
If individual flows are produced by several electrostatic flow chambers acting in parallel, which are combined in an external connection path to form a total flow, a low-pressure device is obviously created with regard to the flowing liquid dielectric.
Arrangements in which the liquid dielectric with polar dipole properties is set in flow in one or in the opposite direction by electrostatic flow chambers that are optionally connected to the electrical actuation voltage of my common external connection for the liquid dielectric are obvious.
The energy supplied to the liquid dielectric in the electrostatic flow chambers through the orientation of its molecules by the applied electric field is only partially converted into the dynamic pressure that causes the flow via the degree e effect. A small part of the energy applied by the electric field is also converted into heat due to the internal friction of the liquid dielectric. It is therefore expedient to continuously cool the liquid dielectric between the exit from and entry into the flow chambers, possibly also by cooling the electrodes in the chambers.
Such cooling, which can also take place automatically as an adiabatic cooling process, generally increases the force effect caused by the locally variable electric field in the dielectric with its dynamic pressure effect.
The liquid flow caused by electrostatic flow chambers can be used, for example, to drive a turbine wheel 52, or it can be used in any other way to generate useful work.