DE2707742C3

DE2707742C3 - Elektronenspeicher als elektrischer Energiespeicher

Info

Publication number: DE2707742C3
Application number: DE19772707742
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 5300 Bonn Graf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-02-23
Filing date: 1977-02-23
Publication date: 1981-05-07
Also published as: DE2707742B2; DE2707742A1

Description

F_L= e(vx B)

9. Elektronenspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Elektronen so klein ist, daß relativistische Effekte nicht auftreten.

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Die Erfindung betrifft einen Elektronenspeicher als elektrischen Energiespeicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Er kann als elektrischer Energiespeicher in Kraftfahrzeugen und/oder in der Kraftwerkstechnik Verwendung finden.

Entsprechend der eingangs genannten Art ist ein Elektronenspeicher aus der US-PS 38 73 930 bekannt. In dieser Anordnung wird ein Kondensator auf sehr hohe Spannung aufgeladen, üie Durchbruchsspannung des Kondensators soll, wie schon der Titel der US-PS ausweist, durch den Effekt der »magnetischen Isolation« erhöht werden. Die Energie ist im elektrischen Feld des Kondensators gespeichert. Es müssen während der Speicherung ständig große Mengen Energie aufgewendet werden, um ein starkes Magnetfeld zur magnetischen Isolation zu erzeugen.

In der Veröffentlichung von H. Brechna »Induktive elektrische Speicher«, Basel 1977, Scientia Electrica Bd.

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55 23, wird eine stromdurchflossene Spule als Energiespeicher vorgeschlagen. Die Energie ist hier im magnetischen Feld gespeichert Durch seinen ohmschen Widerstand verbraucht der induktive Speicher jedoch selbst Energie. Abhilfe soll durch supraleitende Spulen geschaffen werden, was jedoch auch wieder energieaufwendig ist

In R. Kollath »Teilchenbeschleuniger«, Braunschweig 1962, Seite 8, wird ganz allgemein auf eine Beziehung zwischen elektronischen Teilchenbeschleunigern und der Möglichkeit zur Speicherung elektrischer Energie hingewiesen. In Teilchenbeschleunigern werden die zu speichernden Teilchen durch starke magnetische Felder auf Kreisbahnen gezwungen. Die gespeicherte Energie entspricht der kinetischen Energie der Teilchen. Da deren Masse sehr klein ist, bleibt auch die gespeicherte Energie gering.

Speichern beim derzeitigen Stand der Technik Akkumulatoren elektrische Energie in Form von chemischer Energie, so haben diese bei hohem Gewicht und Volumen nur eine geringe Speicherkapazität

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Speicherung von elektrischer Energie ohne Umweg über eine andere Energieform, bei hoher Speicherkapazität und geringem Gewicht zu ermöglichen. Da die Speicherkapazität der eingangs genannten Anordnung auch bei Erhöhung der Durchbruchsspannung begrenzt ist, soll eine Erhöhung der Speicherkapazität geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Im Gegensatz zur eingangs erwähnten Anordnung (US-PS 38 73 930) ist beim Elektronenspeicher die Energie im magnetischen Feld der umlaufenden Elektronen gespeichert Deshalb ist die Speicherkapazität auch nicht in der Weise von der Durchbruchsspannung des Kondensators begrenzt, wie es bei der US-PS 38 73 930 der Fall ist.

Die im Ausführungsbeispiel näher beschriebene Spule, die die Kondensatorelektroden durchsetzt und lediglich zur Stabilisierung der Umlaufbahnen der Elektronen dient, verbraucht wesentlich weniger Energie als die Spule in der eingangs erwähnten bekannten Anordnung. Den abstoßenden Coulombkräften der gespeicherten Ladungsträger wirkt der »Pinch-Effekt« entgegen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß große Mengen elektrischer Energie bei geringem Gewicht, Volumen und Energieaufwand gespeichert werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels und die Vorrichtung an Hand der F i g. A, B, C erläutert

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel des Elektronenspeichers ist in der Zeichnung F i g. A dargestellt. Für die Beschreibung ist als mögliches Beispiel ein Zylinderkondensator gewählt worden. In das Dielektrikum a werden Elektronen nach Beschleunigung auf V₀ tangential

(,', eingebracht. Bei Gleichgewicht zwischen fliehkraft F_z und der Kraft des elektrischen Feldes Fq laufen die Elektronen auf einer Kreisbahn um die positiv geladene Zentralelektrode b.

Für das Dielektrikum eines Kondensators gilt die allgemeine Potentialbeziehung:

= Eds

(GL 1.1) Für die Fliehkraft F_x gilt mit m = Elektronenmasse: mir

F₇ =

(Gl. 1.8)

Speziell beim Zylinderkondensator gilt: U = f Ear (Gl. 1.6) und (Gl. 1.8) in (Gl. 1.7) eingesetzt:
mir eU

rln

Mit

eU

ν =1

(Gl. 1.9)

mln-

2/rrr 15

ergibt sich:

E =

Mit (Gl. 1.2) in (Gl. 1.1) eingesetzt ergibt sich:

21 r π

dr

Durch Integration ergibt sich:

U =

2/π

f₀

■In-^-

Umgestellt nach Q ergibt sich: U 21 * F₀

Q =

In ±

(Gl. 1.4) in (Gl. 1.2) eingesetzt: U 2/ π F₀ Durch diese Beziehung (Gl. 1.9) ist das Verhältnis zwischen der Elektronengeschwindigkeit v" und der Hilfsspannung U, die zwischen der inneren Elektrode b und der äußeren Elektrode c (siehe Fig.A) des Zylinderkondensators angelegt werden muß, festgelegt. Aus Gl. 1.9 ist ferner ersichtlich, daß alle zu speichernden Elektronen mit genau der gleichen (Gl. 1.2) 25 Geschwindigkeit ^umlaufen müssen.

Es ist technisch schwierig eine große Anzahl Elektronen auf genau gleiche Geschwindigkeit v" zu beschleunigen. Auch können die Elektronen auf der Umlaufbahn durch äußere bzw. innere Einflüsse ihre Geschwindigkeit ändern.

Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß die elektrische Feldstärke E im Dielektrikum des Zylinderkondensators ortsabhängig unterschiedlich gemacht wird. Ein Ausführungsbeispiel des Elektronenspeichers mit ortsabhängiger Feldstärke zeigt F i g. B. Es werden die innere bzw. äußere bzw. beide Kondensatorelektroden als Kegelstümpfe ausgebildet, wobei sich durch den verändernden Elektronenabstand eine Änderung der elektrischen Feldstärke entlang der Rotationsachse des Zylinderkondensators ergibt.

Elektronen, deren Geschwindigkeit von der mittleren Geschwindigkeit vo abweicht, müssen in ein Gebiet mit einer ihrer jeweiligen Geschwindigkeit

(Gl. 1.3)

(Gl. 1.4)

E —

E =

In ^

U_

rln —

(Gl. 1.5)

Mit

F_Q = eE eingesetzt in (Gl. 1.5) eU

Rq =

rln

Gleichgewichtsbedingung für eine Umlaufbahn: F_Q = F₂

angepaßten Feldstärke gebracht werden, so daß die Gleichgewichtsbedingung (Gl. 1.7) erfüllt bleibt.

so Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektronen durch ein geeignetes Magnetfeld B in ein Gebiet gezwungen werden, in dem die Gleichgewichtsbedingung erfüllt ist. Im Ausführungsbeispiel nach F i g. C liegen die magnetischen Feldlinien B parallel zu den Umlaufbahnen der Elektronen. Haben

die Elektronen eine Geschwindigkeitskomponente auf

die innere Elektrode b zu, müssen sie in ein Gebiet

niedriger Feldstärke gebracht werden.

Mit Fl= e(v"x B) ergibt sich die nötige Richtung

bo der magnetischen Feldlinien aus der geometrischen Anordnung des Elektronenspeichers. _.

(Gl. 1.6) i_m Ausführungsbeispiel wird das magnetische Feld B

durch eine Toroidspule mit entsprechender Stromrichtung erzeugt (Fig.C). Da die Elektronen bei großer Ladungsdichte ein sehr starkes magnetisches Feld erzeugen, müssen die Windungen der Toroidspule parallel zu den magnetischen Feldlinien dieses Feldes (Gl. 1.7) angeordnet sein, damit keine Kraft auf sie wirkt.

Verwendete Abkürzungen und Formelzeichen

d: Dielektrikum

b: Zentralelektrode

c: äußere Elektrode

s': Weg längs e ner elektrischen Feldlinie

F: Radius des /iylinderkondensators

r\: Radius der Zentralelektrode

r,': Radius am unteren Teil einer konischen Zentralelektrode

rr. Radius der äußeren Elektrode

A: Kondensatormantelfläche

/.· Höhe des Zylinderkondensators

Si: Aufpunkt

S_?: Aufpunkt Pr. Fliehkraft

Fq: Kraft des elektrischen Feldes

Fv- Lorenzkraft

U: Spannung am Kondensator

B: magnetische Induktion der Hilfsspule

/: Strom durch die Hilfsspule

Ej elektrischer Feldstärkevektor

D: Verschiebungsdichte

Q: Ladung auf den Kondensatorplatten

vv Elektronengeschwindigkeit

V₀: mittlere Elektronengeschwindigkeit

e: Elementarladung

m: Masse eines Elektrons

Eo: Dielektrizitätskonstante

(Eine ohne Richtungspfeil angegebene Größe kennzeichnet ihren Beirag.)

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenspeicher als elektrischer Energiespeicher mit ineinander angeordneten, ein als Hochvakuum ausgebildetes Dielektrikum umschließenden, Kondensatorelektroden und einer die Elektrodenanordnung umfassenden beide Elektroden durchsetzenden Magnetspule, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Dielektrikum um die innere Elektrode als Zentralelektrode des Kondensators die zu speichernden Elektronen auf ballistischen Bahnen in Umlauf gesetzt sind.

2. Elektronenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode gegenüber der äußeren Elektrode positiv geladen ist

3. Elektronenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator ein Zylinderkondensator ist.

4. Elektronenspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode als Kegelstumpf ausgebildet ist

5. Elektronenspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode als Kegelstumpf ausgebildet ist

6. Elektronenspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektronen als Kegelstümpfe ausgebildet sind.

7. Elektronenspeicher nach einem der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Magnetspule parallel zu den magnetischen Feldlinien des Feldes verlaufen, das von den umlaufenden Elektronen erzeugt wird.

8. Elektronenspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung und die Stärke des Stromes durch die Magnetspule sich errechnet über die Gleichung