DE10116576A1 - Verfahren zur Nutzung der elektrischen Induktion - Google Patents

Verfahren zur Nutzung der elektrischen Induktion

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/002—Generators
    • H02N11/004—Generators adapted for producing a desired non-sinusoidal waveform
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/06—Influence generators
    • H02N1/08—Influence generators with conductive charge carrier, i.e. capacitor machines

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Während die magnetische Induktion ihre technischen Anwendungen bei Transformatoren und Generatoren findet, waren bisher technische Anwendungen der elektrischen Induktion nicht bekannt. Die vorliegende Erfindung zeigt jedoch die analoge technische Realisierung von Transformatoren und Generatoren auf der Basis der elektrischen Induktion. DOLLAR A Bild 4 zeigt beispielhaft einen inneren Plattenkondensator, der sich im elektrischen Wechselfeld eines äußeren Plattenkondensators befindet. Die Spannung am inneren Plattenpaar folgt direkt proportional der Spannung am äußeren Plattenpaar. DOLLAR A Läßt man einen Plattenkondensator wie im Bild 1 im elektrischen Feld rotieren, so entsteht an seinen Anschlüssen eine Wechselspannung, die direkt proportional zur elektrischen Feldstärke ist und auch direkt proportional zur Drehfrequenz. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung findet Anwendung bei der Produktion mehrpoliger Kondensatoren, die zur Signalmodulation oder als Übertrager dienen, wobei die Sekundärspannung galvanisch getrennt, potenzialfrei und symmetrisch ist. DOLLAR A Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung die potenzialfreie Messung der elektrischen Feldstärke, insbesondere von Gleichfeldern, z. B. der Erde vor und bei Gewittern.

Description

Das Verfahren zur Nutzung der elektrischen Induktion gehört in verschiedene Bereiche der Elektrotechnik. Es beruht aber in allen Teilen auf einer neuen Interpretation der ersten Maxwell'schen Gleichung:
und teilweisen Erweiterung zu:
mit:
IV = Verschiebungsstrom
Ψ = elektrischer Fluß
= dΨ/dt = zeitliche, elektrische Flußänderung
n = Zahl der additiv geschalteten Kondensatoren
"-" bedeutet: es gilt die Lenz'sche Regel
D = elektrische Flußdichte
A = vom elektrischen Fluß durchsetzte Fläche.
Im homogenen Feld ist für n = 1:
Damit ist im statischen Feld für einen rotierenden Kondensator:
und im elektrischen Wechselfeld für einen ruhenden Kondensator:
Die möglichen Anwendungen des Verfahrens zur Nutzung der elektrischen Induktion sind nach Kenntnisstand des Erfinders vollständig neuartig; deshalb können keine Hinweise auf den Stand der Technik gegeben werden.
Zu Anspruch 1
1.1.1. Lässt man beispielhaft wie in Bild 1 einen Plattenkondensator mit der Fläche A0 im homogenen, statischen Feld rotieren und verbindet den Plattenkondensator über flexible, einzeln abgeschirmte Zuleitungen oder über Schleifkontakte mit einem hochohmigen, registrierenden Messgerät, z. B. t-y-Schreiber, so fließt der elektrisch induzierte Verschiebungsstrom über den Eingangswiderstand R.
Das Messgerät registriert dann eine Wechselspannung wie in Bild 2.
Es ist:
A(t) = A0.cos ω t
und
= - A0.ω.sin ω t.
Damit ist:
U(t) = IV.R = R.D.A0.ω.sin ω t.
Für das Strommaximum und das Spannungsmaximum gilt:
mit:
ω = 2 π f
und
f = Drehfrequenz
∈0 = elektrische Feldkonstante
∈r = Dielektrizitätszahl
Ua = felderzeugende Spannung
d = Plattenabstand des Feldkondensators.
Dann ist:
Mit den Versuchsparametern zu Bild 2 ergibt sich:
in guter Übereinstimmung mit dem Mittelwert der Messung 0,98 mV. Dieses Ergebnis und der Nachweis, dass die elektrisch induzierte Spannung proportional zur elektrischen Feldstärke ist, zeigt, dass das Verfahren vorteilhaft zur Messung der elektrischen Feldstärke statischer Felder geeignet ist, z. B. mit der geschilderten Anordnung.
1.1.2. Das Prinzip der elektrischen Induktion durch zeitliche Veränderung der flußdurchsetzten Fläche = dA/dt kommt auch in folgendem Anwendungsbeispiel zur Wirkung.
In einer Anordnung wie in Bild 3 wird in einem statischen, elektrischen Feld zwischen 2 größeren Metallplatten ein kleineres Plattenpaar mit der Geschwindigkeit v bewegt, wobei die vom Feld durchsetzte Fläche A(t) zu- oder abnimmt. Alternativ wird eine Kunststofffolie, die beidseitig metallisiert ist, im Feld bewegt.
Es ist:
Ui(t) = R.D.
mit:
ΔA = a.Δs = a.v.Δt
a = Länge der zu senkrechten Seite.
Dann ist:
Über flexible Zuleitungen kann eine geschwindigkeitsproportionale Induktionsspannung gemessen werden.
Eine derartige Anwendung, mit der auch mechanische Schwingungen registriert werden können, ist für Demonstration und Übung für Schulen und Hochschulen geeignet.
Diese Anwendung entspricht einem üblichen Induktionsgerät im magnetischen Feld, z. B. Leybold-Didactic Kat.-Nr. 51640.
In einer Anordnung wie in Bild 4 lässt man den inneren Plattenkondensator ruhen und legt an die Aussenplatten eine Wechselspannung:
Ua(t) = U0cos ω t.
Dann ist:
Ua = - U0 ω sin ω t,
und es wird im ruhenden, inneren Plattenkondensator ebenfalls eine Wechselspannung induziert:
Damit ist auch hier:
aber f ist hier die Frequenz der angelegten Wechselspannung.
Bild 5 zeigt unten ein Oszillogramm einer auf diese Weise induzierten Wechselspannung; oben ist die erzeugende Wechselspannung zu sehen.
1.2 Werden in einer der vorangehenden Beschreibungen weitere Plattenpaare additiv geschaltet, z. B. wie in Bild 6, so erhöht sich mit der flußdurchsetzten Fläche auch der Verschiebungsstrom und damit die induzierte Spannung. Das verbessert die jeweilige Anwendung wesentlich, z. B. bei der Feldstärkemessung.
Zu Anspruch 2
Sowie nach 1.1 bereits in Bild 1 ein einphasiger Wechselspannungsgenerator beschrieben wurde, zeigt Bild 7 beispielhaft eine Anordnung für einen Dreiphasen- Generator mit einem 3-Pol-Rotor in Sternschaltung. Im Sinne einer übersichtlichen Darstellung wurde im Bild nur jeweils ein Plattenpaar je Phase dargestellt und auf die Darstellung des 3-Phasen-Kollektors verzichtet.
Alternativ kann der Rotor wie in Bild 1 oder Bild 6 gestaltet sein und mit Gleichspannung versorgt werden. Der Stator besteht z. B. aus 6 Kondensatorplattenpaaren, die in Bild 8 beispielhaft verschaltet sind.
Zu Anspruch 3
In Umkehrung des Generator-Effektes sind die zu Anspruch 2 beispielhaft angeführten Generatoren auch als Elektromotoren geeignet.
Zu Anspruch 4
Nach den Ausführungen in 1.2 liegt es nahe, das äußere Plattenpaar mit dem inneren in einer Einheit zusammenzufügen, wie beispielhaft in Bild 9 gezeigt.
Auf diese Weise erhält man einen kapazitiven Wandler. Bild 10 wird als Schaltbild vorgeschlagen.
Die Sekundärspannung US = U2 folgt proportional der Primärspannung UP = U1. Wegen:
IV ~ ω = 2 π f
ist die Sekundärspannung in einigen Bereichen proportional zur Frequenz f und damit zur Frequenzmodulation geeignet.
Bild 11 zeigt das Oszillogramm für einen solchen kapazitiven Wandler:
UP mit großer Amplitude, US mit kleiner Amplitude und als kapazitive Last phasenverschoben um:
vorlaufend.
Die Vorteile eines solchen kapazitiven Wandlers sind:
  • - galvanische Trennung,
  • - symmetrische Anpassung,
  • - geringes Gewicht.
Zu Anspruch 5
Bild 12 zeigt beispielhaft ein Schaltbild zur Amplitudenmodulation; Bild 13 zeigt das zugehörige Oszillogramm.

Claims (5)

1. Verfahren zur Nutzung der elektrischen Induktion:
dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator oder eine Kombination von Kondensatoren in einem statischen, elektrischen Feld bewegt wird und/oder das äußere elektrische Feld sich zeitlich ändert, wobei ein Verschiebungsstrom elektrisch induziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensatoren zu einem Rotor und/oder Stator für einen Generator so angeordnet werden, dass in ihnen ein ein- oder mehrphasiger Wechselstrom oder mit Kommutator ein Gleichstrom induziert wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator in Umkehrung des Induktionsgesetzes als Motor ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Kondensatoren räumlich miteinander verbunden, aber elektrisch getrennt sind, so dass das "Primärsystem" im "Sekundärsystem" einen galvanisch getrennten Strom induziert.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere, zwischengelagerte Kondensatoren eine Steuerung, Modulierung, Verstärkung oder Dämpfung des "Sekundärstromes" bewirken.
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WO2009095603A2 (fr) * 2008-01-31 2009-08-06 Universite Claude Bernard Lyon I Dispositif nanoelectromecanique de generation de courant alternatif
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