DE1146600B - Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlungsenergie in mechanische Energie - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

P 18989 Vmc/21g

ANMELBETAG: 24. JULI 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 4. A P R I L 1963

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlungsenergie in mechanische Energie.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß die Dielektrizitätskonstante bestimmter Stoffe bei Bestrahlung Veränderungen unterliegt (vgl. z. B. Leverenz, »An Introduction to Luminescence of Solids, Wiley, New York 1950, S. 390«). Dieser Effekt wird bei einer Anordnung zur Beeinflussung eines elektrischen Stroms entsprechend der sich bei Belichtung ändernden Dielektrizitätskonstante eines Phosphors als Dielektrikum in einem Kondensator verwendet, um mittels dieses Kondensators die Ablenkung eines Kathodenstrahls zu bewirken (deutsche Patentschrift 691 988). Auch zur Umsetzung von Strahlungsenergie in elektrische Energie bei der Fernbildübertragung wurde bereits ein sich bei der Strahlung änderndes Dielektrikum in einem entsprechend geschalteten Kondensator verwendet (deutsche Patentschrift 684280). Bei allen diesen bekannten Einrichtungen wird das Dielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante sich bei Bestrahlung ändert, benutzt, um elektrische Vorgänge zu steuern.

Um sichtbare oder energiereichere elektromagnetische Strahlung in mechanische Energie umzuwandeln oder um einen Mechanismus zu steuern, wurden bisher ausschließlich photoelektrische Zellen verwendet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oben beschriebenen photoelektrischen Effekt zur Steuerung mechanischer Energie auszunutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Beeinflussung der Kräfte eines elektrostatischen Feldes, das zwischen einer festen und einer beweglichen Platte aufgerichtet ist, mittels elektromagnetischer Strahlung gelöst, die auf ein im Feld angeordnetes Dielektrikum wirkt, das an sich in bekannter Weise bei Bestrahlung seine Dielektrizitätskonstante verändert.

Dementsprechend besitzt eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird,

a) eine dielektrische Schicht, die in Form einer Dispersion in einem isolierenden Bindemittel ein feinverteiltes photodielektrisches Material enthält,

b) eine feste elektrisch leitende Platte, die an eine Seite der dielektrischen Schicht angrenzt und die für elektromagnetische Strahlung im Bereich des sichtbaren, des ultravioletten und des Röntgenspektrums durchlässig ist,

c) eine bewegliche elektrisch leitende Platte an der anderen Seite der dielektrischen Schicht und

Verfahren und Vorrichtung

zur Umwandlung elektromagnetischer

Strahlungsenergie in mechanische Energie

Anmelder:

E. I. du Pont de Nemours and Company,
Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaüßstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. JuU 1956 (Nr. 600 285)

Joseph Lincoln Gillson jun., Wilmington, Del.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

d) eine elektrische Einrichtung, mit welcher zwischen den beiden leitenden Teilen ein elektrisches Feld erzeugt werden kann.

Es kann ebenfalls eine Vorrichtung vorgesehen sein, um eine elektromagnetische Strahlung auf die photoelektrische Schicht zu richten. Diese Strahlung kann in einigen Fällen auch die natürlich vorhandene Strahlung, z. B. von der Sonne, sein.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt das elektrische Feld wie in einem gewöhnlichen Kondensator zwischen den beiden elektrisch leitenden Teilen, gewöhnlich Platten, eine elektrostatische Kraft. Diese elektrostatische Kraft hängt wiederum wie bei einem gewöhnlichen Kondensator von der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht ab. Da dieses Dielektrikum photodielektrischer Natur ist, können Veränderungen der elektrostatischen Kraft erfolgen, indem man die Intensität der auf der durchlässigen Seite des Kondensators einfallenden elektromagnetischen Strahlen verändert. Die elektrostatische Kraft kann auch verändert werden, indem man die Frequenz der elektromagnetischen Schwingung variiert. In jedem Fall bewirkt die Veränderung des elektrostatischen Feldes oder der elektrostatischen Kraft eine Bewegung des beweglichen Teils der Vorrichtung. Diese Bewegung,

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eine Erscheinungsart mechanischer Energie, kann einer steifen durchlässigen Platte 2 mit einer angrenüber geeignete Mittel übertragen und in der gewiinsch- zenden und mit einer photodielektrischen Schicht 4 ten Weise verwendet werden. Auf diese Weise kann verbundenen elektrisch leitenden Schicht 3 entspricht durch die vorliegende Erfindung ©ine Steuerung me- der Fig. 1. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist chanischer Energie mittels elektromagnetischer 5 jedoch die bewegliche leitende Platte oder Schicht 15

Schwingungen erfolgen. mit einem flexiblen Diaphragma 14 verbunden, z. B.

In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausfiih- einem Gummistück, das am Umfang von einem

rangsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigt Metallring 16 getragen wird.

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin- Die beiden leitenden Schichten 3 und 15 sind über dung in Seitenansicht und im Schnitt und io geeignete Leitungen mit einem Generator 18 verbun-Fig. 2 gleichfalls in Seitenansicht und im Schnitt den, der eine Spannung bzw. elektromotorische Kraft eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei wel- abgibt. Dieser Generator kann eine Gleichspannung eher die mechanische Bewegung der beweglichen wie die Batterie 9 oder eine Wechselspannung ableitenden Schicht zur Schallerzeugung verwendet geben. Wenn die Intensität der auf Schicht 4 treffenwird. 15 den elektromagnetischen Schwingung variiert wird, Wie in Fig. 1 gezeigt, geht die elektromagnetische erfolgt eine Änderung der Dielektrizitätskonstante Schwingung 17, deren Wellenlänge im allgemeinen dieser Schicht 4. Wie beschrieben resultiert diese etwa 7700 bis 0,1 Ä beträgt, d. h. sichtbares Licht, Änderung der Dielektrizitätskonstante in einer Be-Ultraviolett oder Röntgenstrahlung, von einer ge- wegung der Platte 15. Wenn die Intensitätsänderuneigneten Strahlungsquelle 1 aus. Die Schwingung tritt _ao gen der elektromagnetischen Schwingungen mit einer durch eine durchlässige steife Platte 2, wie Glas, hin- Geschwindigkeit von 20 bis 20 000 Herz erfolgen und durch, auf deren einen Fläche eine durchlässige elek- der Generator 18 eine Gleichspannung abgibt, erzeugt irisch leitende Schicht 3, z. B. aus Zinnoxyd, aufge- die Bewegung des Diaphragmas 14 einen hörbaren bracht ist. Die einfallende Schwingung 17 trifft auf Ton.

Teilchen eines feinzerteilten photodielektrischen Ma- 25 Wenn der Generator 18 eine Wechselspannung im

terials, z. B. Zinksulfid, die sich in der Schicht 4 be- Tonfrequenzbereich abgibt, liefert die Vorrichtung

finden. Die photodielektrischen Teilchen sind in gemäß Fig. 2 einen Ton, der einer Intensitätsmodu-

einem lichtdurchlässigen dielektrischen Medium, lation unterworfen werden kann. Bei dieser Ausfüh-

z. B. Bienenwachs, dispergiert, das vorzugsweise mit rungsform der Erfindung ergibt die an die leitenden

der leitenden Schicht 3 verbunden ist. 30 Schichten 3 und 15 angelegte Wechselspannung eine

Der Teil 5 ist eine leitende Platte oder Schicht, die sich ändernde elektrostatische Kraft an dem Konden-

parallel zu und vorzugsweise nahe der Oberfläche der sator, welche eine stetige Vibration der beweglichen

dielektrischen Schicht verläuft. Die Platte ist zumin- leitenden Schicht 15 und des Diaphragmas 14 unter

dest teilweise beweglich, jedoch an einem Ende an Erzeugung eines hörbaren Tons verursacht. Wenn

einer geeigneten Unterlage 6 befestigt. Die leitende 35 die Intensität der elektromagnetischen Schwingungen,

Platte ist selbsttragend und kann von den im Kon- die auf die photodielektrische Schicht 4 auftreffen,

densator aufgebauten elektrostatischen Kräften be- moduliert wird, ergibt die nebenherlaufende Modula-

wegt werden. Sie kann entweder ein dünnes, elasti- tion der auf die Kondensatorplatten wirkenden elek-

sches Metallblech, das starr an der Unterlage 6 be- trostatischen Kraft entsprechende Modulation der

festigt ist, oder ein mit der Unterlage gelenkig ver- 40 Intensität des Tons, der von den vibrierenden Schich-

bundenes steifes Metallblech sein. Die Schichten 3, 4 ten 15 und 14 erzeugt wird.

und 5 stellen wirkungsmäßig eine Art Kondensator Mit einer ortsfesten Quelle künstlicher Strahlung dar. kann die Vorrichtung gemäß Fig. 1 oder 2 in vieler Die Unterlage 6 und die leitende Schicht 3 sind Hinsicht wie eine gewöhnliche Photozelle eingesetzt über geeignete Leitungen 7 und 8 mit einer Gleich- 45 werden. Ein zwischen der Strahlungsquelle und dem stromquelle 9, z. B. einer Batterie, verbunden. Wenn photodielektrischen Kondensator hindurchtretender das entstehende elektrische Feld über das Dielektri- Körper unterbricht den Strahlengang, und mittels der kum gelegt und die auf dasselbe auftreffende elek- Zelle und zugehörigen Ausrüstung kann ein Eintromagnetische Schwingung moduliert ist, ändert sich bruchsalarm, eine Türbedienungsvorrichtung oder die Dielektrizitätskonstante der photodielektrischen 50 andere geeignete Einrichtung betätigt werden.
Teilchen. Wie oben beschrieben, wird durch Ver- Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeigneänderungen der Dielektrizitätskonstante die auf die ten photodielektrischen Substanzen sind bekannte Kondensatorplatten wirkende elektrostatische Kraft Stoffe, deren Dielektrizitätskonstante sich bei Bestrahmoduliert. Die Veränderung der elektrostatischen lung mit sichtbarem Licht, Ultraviolett oder Röntgen-Kraft bewirkt eine Bewegung der leitenden Platte 5, 55 strahlung ändert. Beispielsweise für bestimmte Photoweiche über ein mechanisches Verbindungsglied 10 dielektrika, die für die erfindungsgemäße Vorrichauf einen Hebel 11 übertragen wird, welcher die tung geeignet sind, sind Zinksulfid- und Kadmium-Kontakte 12 und 13 zu öffnen bzw. zu schließen ver- sulfidteilchen. Im Handel verfügbare Stoffe sind zumag. Diese Kontakte können in einem (nicht einge- friedenstellend. Gemische von Photodielektrika sind zeichneten) auf diese Weise gesteuerten Schaltkreis 60 gleichfalls brauchbar.

liegen. Die in dem Kreis liegenden Steuerkontakte 12 Das dielektrische Medium, in dem die photodielek-

und 13 können normalerweise je nach Wunsch ge- frischen Teilchen dispergiert sind, kann aus einer

öffnet oder geschlossen werden. Vielzahl licht- und röntgenstrahlendurchlässiger Di-

Fig. 2 zeigt Einzelheiten einer Ausführangsform elektrika bestehen. Außer dem obenerwähnten

der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schallerzeu- 65 Bienenwachs können polymere Stoffe verwendet wer-

gung durch elektromagnetische Schwingung. Der den. Geeignete Polymere sind Polystyrol, Polymethyl-

Fig. 1 entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugs- methacrylat, Äthylcellulose, Cellulosenitrat, weich-

ziffern bezeichnet. Der Aufbau der Vorrichtung aus gestelltes Polyvinylchlorid und dergleichen. Die Men-

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genverhältnisse der photodielektrischen Teilchen und des durchlässigen dielektrischen Mediums können innerhalb weiter Grenzen liegen; z. B. sind Verhältnisse von 1:2 bis 1:8 brauchbar.

Die steife durchlässige Schicht 2, die den Zutritt der Strahlung zu dem Dielektrikum ermöglicht, wurde oben als eine Glasplatte beschrieben, die eine leitende Zinnoxydschicht aufweist. Dieser Teil der Vorrichtung kann jedoch auch aus anderen durchlässigen Stoffen und mit anderen leitenden Schichten aufgebaut werden. Er kann z. B. aus polymeren Materialien, wie Äthylcellulose, Cellulosenitrat, Polyvinylchlorid od. dgl., bestehen, die auf einer Fläche eine elektrisch leitende Schicht aufweisen. Da in einigen Fällen eine energiereichere Strahlung als das sichtbare Licht verwendet werden kann, ist es nicht immer wesentlich, daß die Schicht für Lichtstrahlen durchlässig ist. Die elektrisch leitende Schicht soll vorzugsweise zwischen der durchlässigen steifen Schicht und der dielektrischen Schicht angeordnet werden, da diese Anordnung die Verwendung niedrigerer elektrischer Potentiale an den leitenden Schichten erlaubt.

Die bewegliche, elektrisch leitende Schicht der Vorrichtung kann aus einer Vielzahl von Metallen und in verschiedenen Formen hergestellt werden. Sie kann z. B. eine Folie, ein aufgedampfter Film oder eine Platte sein. Aluminiumfolie ist recht geeignet, um sie auf ein Gummidiaphragma des Vorrichtungstyps gemäß Fig. 2 aufzukitten. In der Vorrichtung gemäß Fig. 1 ist Messingblech zufriedenstellend. Diese beweglichen leitenden Schichten sollen so angeordnet werden, daß sich ihre Flächen nahe den Oberflächen der die photodielektrische Dispersion bildenden Schicht befinden, um an die photodielektrischen Teilchen unter Anwendung mäßiger Spannungen ein angemessenes elektrisches Feld anzulegen. Ein Luftspalt von etwa 0,05 bis 0,38 mm zwischen der dielektrischen Schicht und der beweglichen leitenden Schicht ist zufriedenstellend.

Im allgemeinen kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine elektromagnetische Schwingung von einer Wellenlänge von weniger als etwa 7700 Ä verwendet werden. Insbesondere sind Schwingungen von einer Wellenlänge von etwa 0,1 bis 7700 Ä, also einschließlich des sichtbaren Lichtes, Ultravioletts und der Röntgenstrahlung, geeignet. Sowohl Kadmiumais auch Zinksulfide stellen Photodielektrika dar, die in diesem gesamten Wellenlängenbereich elektromagnetischer Schwingungen verwendet werden können. Besonders gute Ergebnisse werden jedoch mit bestimmten Photodielektrika in bestimmten Wellenlängenbereichen erhalten. Kadmiumsulfid z. B. eignet sich besonders gut zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Licht der Wellenlänge 3500 bis 5500 Ä. Andererseits ist Zinksulfid besonders zufriedenstellend, wenn die Schwingung im Wellenlängenbereich von 2500 bis 4000 Ä liegt.

Die photodielektrische Vorrichtung gemäß der Erfindung kann unter einer Vielzahl von Bedingungen des elektrischen Feldes betrieben werden. Elektrische Wechselfelder in der photodielektrischen Schicht von einer effektiven Spannung von etwa 7,9 kV/mm und Hertz sind geeignet. Ebenso sind mit Gleichspannungen erzeugte elektrische Felder in der photodielektrischen Schicht von etwa 7,9 kV/mm geeignet. Die Spannung, die in einem gegebenen Falle verwendet wird, hängt von der jeweiligen Einsatzart der Vorrichtung und dem Aufbau der letztgenannten ab, insbesondere von der Dicke der dielektrischen Schicht und dem Abstand zwischen den dielektrischen und leitenden Schichten.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Umwandlung elektromagnetischer Strahlungsenergie in mechanische Energie, gekennzeichnet durch die Beeinflussung der Kräfte eines elektrostatischen Feldes, das zwischen einer festen und einer beweglichen Platte aufgerichtet ist, mittels elektromagnetischer Strahlung, die auf ein im Feld angeordnetes Dielektrikum wirkt, das in an sich bekannter Weise bei Bestrahlung seine Dielektrizitätskonstante verändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Dielektrikum Zinksulfid oder Kadmiumsulfid verwendet, das in einem isolierenden Bindemittel, wie Bienenwachs oder Polystyrol, dispergiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Platte (2) für Strahlen durchlässig ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Platte (2) aus Glas oder einem anderen geeigneten durchlässigen Material besteht und auf einer Seite mit strahlendurchlässigem elektrisch leitendem Material (3), wie Zinnoxyd, überzogen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus Kadmium- oder Zinksulfid besteht, das in einer isolierenden strahlendurchlässigen Schicht (4), wie Bienenwachs oder Polystyrol, dispergiert ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Platte (5 bzw. 15) gelenkig mit einer Unterlage (6) verbunden (5) oder auf einer nichtleitenden elastischen Unterlage (14) befestigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 393 070, 684 280,
988.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 309 548/267 3.