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Vorrichtung zur Umsetzung der an einem Stab aus Isoliermaterial erzeugbaren
elektrischen Energie in mechanische Energie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Umsetzung der an einem Stab auslsoliermaterial erzeugbaren elektrischen Energie
in mechanische Energie.
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Es ist bekannt, daß ein Plexiglasstab sich elektrostatisch auflädt,
wenn man ihn kräftig mit einem Lederlappen reibt, und daß er im aufgeladenen Zustand
eine elektrische Anziehungskraft auf nicht geladene Teile ausübt. Die elektrostatische
Aufladung eines derartigen Stabes kann man beispielsweise mit einem Elektrometer
sichtbar machen, das zwei Metallzungen enthält, die im ungeladenen Zustand nebeneinander
herabhängen.
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Berührt man die Metallzungen mit dem aufgeladenen Stab, dann werden
sie mit Ladungsträgern gleicher Polarität besetzt und stoßen einander ab. Mit derartigen
Versuchen,
die seit langer Zeit regelmäßig in Schulen vorgeführt
werden, läßt sich zwar prinzipiell das Entstehen elektrostatischer Aufladungen und
das Vorhandensein entsprechender Kräfte nachweisen. Die Versuche erscheinen den
Schülern indessen als rein theoretische Demonstrationen, bei denen die nachzuweisenden
Energien in so kleinen Mengen erzeugt werden, daß sie gerade noch mit den raffiniertesten
Anzeigevorrichtungen sichtbar gemacht werden können. Die Anschaulichkeit und Eindrucksfähigkeit
der Versuche leidet darunter, daß de Mittel, mit denen die Wirkungen sichtbar gemacht
werden, den Schülern aus dem täglichen Leben her nicht vertraut sind.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, mit der
gezeigt werden kann, daß elektrostatische Kräfte tatsächlich mechanische Arbeit
zu leisten vermögen und einen Körper nicht unbeträchtlicher Größe deutlich sichtbar
fortzubewegen und anzuheben vermögen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
ein auf einer metallischen Unterlage abrollbarer Körper vorgesehen ist, und daß
der z.B. durch Reibung elektrostatisch aufladbare Stab auf Stützen auflegbar ist,
die ihn in solchem Abstand von der Unterlage halten, daß an allen Stellen ein Zwischenraum
zwischen dem Körper und dem Stab verbleibt.
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Wenn der Stab auf die Stützen aufgelegt ist, kann ein Zylinder unter
ihm auf der Unterlage abrollen. Ist der Stab durch Reiben elektrostatisch aufgeladen
worden, dann entsteht zwischen ihm und dem Zylinder, der über die metallische Unterlage
praktisch geerdet ist, ein
elektrisches Feld, das sich an der höchsten
Stelle des Zylinders, der zu Beginn an einem Ende der metallischen Unterlage liegt,
durch die Luft'hindurch abbaut. Hierdurch wird der Zylinder von den weiter abseits
liegenden noch nicht abgebauten Ladungsträgern des Stabes angezogen und beginnt
eine Rollbewegung. Während des Abrollens finden ständig Entladungen an der obersten
Mantellinie des Zylinders statt, wodurch diejenige Länge des Stabes, unter der der
Zylinder sich bereits hindurchbewegt hat, entladen ist, während der Stab im übrigen
noch aufgeladen ist und den Zylinder fortlaufend anzeht.
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Vorteilhafterweise- sind an den Enden der Unterlage senkrecht stehende
Stützen angebracht,und die Unterlage ist zusammen mit den Stützen schrägstellbar
auf einer Grundplatte montiert. Die Stützen bilden zugleich Anschläge für den Beginn
und das Ende der Rollbewegung des Zylinders. Dadurch, daß die Rollbahn des Zylinders
schrägstellbar ist, kann man nachweisen, daß die elektrostatischen Kräfte des Stabes
ausreichen, um den Zylinder von einem niedrigen Höhenniveau auf ein größeres Höhenniveau
hinaufrollen zu lassen. Damit ist es möglich, anhand des Höhenunterschiedes und
des Zylindergewichtes diejenige Energie zu bestimmen, die von dem Stab auf den Zylinder
übertragen wurde. Diese Energie, die zunächst elektrostatisch vorlag, ist in mechanische
Energie umgewandelt worden.
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Da die Grundplatte zusammen mit den Stützen,auf denen der Stab ruht,eine
starre Einheit bildet, die als Ganzes schrägstellbar ist, ist sichergestellt, daß
der Abstand
des Stabes von der Kulminationslinie des Zylinders während
des Abrollens stets konstant ist. Dieser Abstand muß so gewählt werden, daß keine
zu heftigen Ladungsüberschläge stattfinden, und daß andererseits ein genügend starkes
elektrisches Feld entsteht. Vorzugsweise beträgt der Zwischenraum zwischen Zylinder
und Stab etwa 5 mm.
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Die Unterlage kann zwei fest auf einer Trägerplatte montierte Schienen
aufweisen, die in elektrisch leitender Verbindung miteinander stehen. Mit derartigen
Schienen läßt sich eine exakt geradlinige Rollbewegung des Zylinders erreichen und
ein ausreichender elektrischer Kontakt zwischen dem metallischen Zylinder und der
Unterlage herstellen.
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Zweckmäßigerweise ist die Trägerplatte an einem Stirnende gelenkig
und an dem anderen Stirnende höhenverstellbar mit der Grundplatte verbunden. Hierdurch
erreicht man eine besonders einfache Winkelverstellung. An dem höhenverstellbaren
Ende der Unterlage kann eine das Zurückrollen des Zylinders hindernde Ausnehmung
vorgesehen sein, in der der Zylinder nach dem Hinaufrollen festgehalten wird. Der
Zylinder hat daher an jedem Ende seiner Bahn eine stabile Endposition.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Lehrmodell in perspektivischer Darstellung,
und
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Trägerplatte 11
an einem Stirnende mit einem Seharniergelenk 12 an ein Grundplatte 10 befestigt.
Die Grundplatte 10 und die Trägerplatte 11 sind im Grundriß rechteckig und langgestreckt.
Die Länge beträgt ca. 70 cm und die Breite ca. 6 cm.
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An den Enden der aus Isoliermaterial bestehenden Trägerplatte -11-
sind senkrecht von der Trägerplatte abstehende Stützen 13, 14 angebracht, die ebenfalls
aus Isoliermaterial bestehen und in Seitenansicht T-förmig ausgebildet sind. Beide
Stützen 13, 14 haben die gleiche Höhe. Auf sie kann ein elektrostatisch aufladbarer
langgestreckter Stab 15 aufgelegt werden. Dieser Stab 15 besteht beispielsweise
aus Plexiglas, das hochgradig elektrisch isolierend wirkt. Reibt man den Plexiglasstatt
15 mit einem Lederlappen, dann lädt er sich elektrisch positiv auf-.
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Auf der Trägerplatte-ll ist eine Metallplatte 16 montiert-, auÜder-
zwei U-förnige Schienen 17, 18 angebracht sind. Die Schienen 17, 18 sind also elektrisch
miteinander verbunden und -führen aufgrund ihrer unvollkommenen Isolierung gegenüber
Erde praktisch Erdpotential.
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Auf den Schierien 17, --18, die entlang der Seitenkanten der Trägerpiåtte
11 verlaufen, liegt ein Zylinder 19 auf, der in Längsrichtung der Trägerplatte abrollen
kann. Der Zylinder 19 besteht aus Metall und sein Abstand von dem Plexiglasstab
15 beträgt unabhängig von
der Rollstellung des Zylinders auf den
Schienen 17, 18 konstant ca 5 mm.
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Die an dem Scharnierende befindliche Stütze 14 ist an ihrer Innenseite
mit einer Metallplatte 20 bedeckt, die über Drähte 21 mit der Metallplatte 16 verbunden
ist. In der Ruhestellung, in der keine elektrostatischen Kräfte wirksam sind, liegt
der Zylinder 19 an der Metallplatte 20 an, wenn das dem Scharnierende gegenüberliegende
Ende der Trägerplatte durch die Stellschraube 22 angehoben ist, so daß die Trägerplatte
11 gegenüber der Grundplatte 10 schräg ansteigt. Wird nun der Plexi-glasstab 15
nach kräftigem Reiben mit einem Lederlappen auf die Stützen 13, 14 aufgelegt, dann
findet eine linienförmige Entladung des Zylinders 19 statt, die man bei Dunkelheit
in Form von Entladungsfunken beobachten kann. Der Zylinder 19 wird von den nächstfolgenden
Ladungsträgern angezogen, und diese bewirken, daß der Zylinder auf der gegenüber
der Horizontalen ansteigenden Bahn bis zur oberen Stütze 13 hinaufrollt.
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Dabei findet ein "Abräumen" der an dem Stab 15 befindlichen positiven
Ladungsträger statt.
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Da die Schienen 17, 18 ein Stück vor der oberen Stütze 13 enden, ist
an dieser Stelle eine Ausnehmung 23 vorhanden, in der der Zylinder 19, wenn er den
höchsten Punkt erreicht hat, liegen bleibt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann man zeigen, daß die elektrostatische
Aufladung eines isolierenden Stabes so energiereich ist, daß sie durchausizur Verrichtung
mechanischer Arbeit ausreicht. Die von dem
Stab ohne direkte Berührung
auf den Zylinder übertragene Energie ist unter Vernachlässigung der Reibungskräfte
E = M x g x h, wobei M die Masse des Zylinders, g die Gravitationskonstante und
h die mit der Stellschraube 22 eingestellte überwundene Höhe ist.