-
Erzeugung von Driftbewegungen
-
Gegenstand der Erfindung ist Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung
von Driftbewegungen, insbesondere von elektrischen Driftströmen. Dazu wird die Gleichrichterwirkung
in Leiterbahnen mit asymmetrisch segmentiertem Leiterquerschnitt ausgenützt.
-
Alfvén hatte 1952 gefunden, daß thermische Elektronen in einem inhomogenen
Magnetfeld eine kollektive Driftbewegung erfahren. Der lokale elektrische Driftstrom
ist dabei proportional dem Gradienten des Magnetfeldes. Der Gradient spaltet aus
der primär ungeordneten thermischen Bewegung der Elektronen eine gleichgerichtete
Geschwindigkeitskomponente ab. Diese teilweise Gleichrichtung stellt eine elektromotorische
Kraft dar. Dieser magnetische Drifteffekt kann in die Klasse der physikalischen
Inhomogenitäten eigenordnet werden. Im weiteren hat sich gezeigt, daß auch eine
chemische Inhomogenität einen Drifteffekt ergibt.
-
Ein sägezahnförmiger Verlauf der freien Weglänge der Elektronen in
einem Leiter induziert einen elektrischen Driftstrom. Wesentlich dabei ist, daß
der Sägezahnverlauf asymmetrisch ist mit einer langsam ansteigenden und einer im
Vergleich zur freien Weglänge abrupt abfallenden Flanke. Die Asymmetrie bewirkt
eine Vorzugsrichtung und damit wieder eine teilweise Gleichrichtung der thermischen
Elektronenbewegung.
-
Gegenstand der Erfindung ist es, durch eine asymmetrische geometrische
Inhomogenität in einer Leiterbahn einen elektrischen Driftstrom und damit eine elektromotorische
Kraft zu erzeugen.
-
Im weiteren ist es Aufgabe, dieses geometrische Gleichrichterprinzip
auch auf andere Transportphänomene zu erweitern. Im besonderen soll durch eine geometrische
Inhomogenität in einem Wärme- oder einem Wärmestrahlungsleiter ein Wärmestrom und
ein thermomotorisches Temperaturgefälle erzeugt werden. Schließlich
soll
mit einem asymmetrischen Querschnittsverlauf in einem Kanal ein Gas- oder Flüssigkeitsstrom
und ein Druckgefälle induziert werden.
-
Stellvertretend für die in der Aufgabenstellung genannten Drifteffekte
soll die weitere Beschreibung am Beispiel des elektrischen Driftstromes durchgeführt
werden. Wenn im elektrischen Fall die "Leiterbahn" als Grundelement benützt wird,
so soll dies als Oberbegriff auf die anderen Driftphänomene erweitert werden. Beim
Wärmeleiter unterscheidet sich die Leiterbahn lediglich durch das Material. Beim
Drifttransport von Gas und Flüssigkeit stellen die Leiterbahnen Kanäle dar. Bei
Wärmestrahlung sind es wieder Kanäle oder asymmetrisch segmentierte Fasern aus strahlungsdurchlässigem
Material. An dieser Stelle soll auch die "mittlere freie Weglänge" als gemeinsamer
Oberbegriff eingeführt werden. Im elektrischen Fall ist dies die mittlere freie
Flugstrecke eines Elektrons (Ions, Loches) zwischen 2 Kollisionen. Beim Wärmetransport
im Festkörper ist dies die mittlere freie Weglänge der Quantenbewegung wieder zwischen
2 Stoßprozessen. Beim Gastransport ist dies die mittlere freie Flugstrecke zwischen
2 Molekülstößen. Im Falle der Wärmestrahlung schließlich ist die freie Weglänge
der Photonen im Vakuum durch Photonenstöße bestimmt. In allen Fällen bezog sich
die mittlere freie Weglänge" auf die Verhältnisse in einem homogenen, ausgedehnten
Leitervolumen und beinhaltet nicht die Wandstöße.
-
Erfindungsgemäß werden elektrisch leitende Leiterbahnen benützt,
die in Leiterrichtung segmentiert sind und bei denen die Segmente in Leiterrichtung
einen nichtspiegelsymmetrischen Verlauf des Leitungsquerschnittes, z.B. einen Sägezahnverlauf,
aufweisen. Die Länge und zumindest eine der beiden Querabmessungen der Segmente
sind kleiner oder vergleichbar der freien Weglänge im Leitermaterial. Aufgrund des
asymmetrischen Querschnittsverlaufs ergibt sich eine Vorzugsrichtung mit einer Gleichrichterwirkung.
Die dadurch induzierte elektromotorische Kraft kann an den Enden der Leiterbahn
abgegriffen und genutzt werden.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden wärmeleitende Leiterbahnen
benutzt, die in Leiterrichtung segmentiert sind und bei denen die Segmente in Leiterrichtung
einen nichtspiegel symmetrischen Verlauf des Leitungsquerschnittes aufweisen.
-
Das Material der Leiterbahnen besteht aus elektrisch isolierenden
und nichtelektrostatischen Stoffen, wie Keramik, Kristallen und organischen Stoffen.
Die Dimensionen der Segmente sind wieder kleiner oder vergleichbar der freien Weglänge
der thermischen Quantenbewegung. Aufgrund des asymmetrischen Querschnittsverlaufs
ergibt sich eine Gleichricfiterwirkung, die einen Wärmestrom und ein thermomotorisches
Temperaturgefälle an den Enden der Leiterbahn induziert. Zweckmäßigerweise werden
hierbei mehrere, parallel und mit gleicher Driftrichtung verlaufende Leiterbahnen
zu einem Flächen- oder Blockverband zusammengefaßt.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden mit Gas oder Flüssigkeit
gefüllte Kanäle benutzt, die in Kanalrichtung segmentiert sind und einen asymmetrischen
Kanalquerschnitt aufweisen. Die Abmessungen der Kanalsegmente sind dabei kleiner
oder vergleichbar der freien Weglänge der Gasmoleküle. Die Asymmetrie der Kanalsegmente
bewirkt eine Vorzugsrichtung, die eine Driftströmung ergibt. Eine solche Gasbewegung
kann zur Förderung,vorzugsweise aber zur Trennung von Gasbestandteilen verwendet
werden. Die freie Weglänge der Gasmoleküle kann durch den Gasdruck den Dimensionierungsvorschriften
angepaßt werden.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Leiterbahnen
zur kompakten Bauweise zu Büscheln, Stäben, Bändern, Schichten, Scheiben, Ringen,
Blöcken und/oder Rohren zusammengefaßt. Die einzelnen Leiterbahnen können dabei
parallel und auch antiparallel angeordnet, gewendelt und/oder gewickelt werden.
Im weiteren ist es möglich, bereits flächen- oder volumenförmig integrierte Leiterbahnen
zu verwenden.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der#!*4# effekt durch
die Beschaffenheit der Begrenzungsflächen der Leiterbahnen erhöht werden. Während
eine unbehandelte, rauhe Wand eine diffuse Reflexion, entsprechend dem Lambert'schen
Cosinus-Gesetz ergibt, bewirkt ein sägezahnförmiger Wandverlauf bereits eine Driftreflexion.
Wände mit 90°-Eckenstruktur ergeben kolineare und solche mit Kegelspitzen eine bevorzugt
in Wandnormalen verlaufende Reflexion.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die Abmessungen
und Fertigungstoleranzen der einzelnen Segmente der Leiterbahnen, der Verlauf des
Leitungsquerschnittes in den Segmenten und die Wirkung der Wandoberflächen anhand
einer Rechnersimulation getestet und optimiert. Bei diffuser, elastischer Reflexion
z.B. wird dabei der Reflexionswinkel im Zufallsgenerator ermittelt, damit die Flugbahn
und der folgende Stoßpunkt berechnet usw. Eine solche individuelle Bahnrechnung
erlaubt es auch, die besonders bei regulärer Reflexion auftretenden Fälle mit geschlossenen
(= driftfreien) Bahnkurven auszumachen.
-
Der Erfindungsgegenstand ist anhand einiger Ausführungsbeispiele
beschrieben. Es zeigen Fig. 1: Leiterbahn mit sägezahnförmigem Querschnittsverlauf
Fig. 2: Leiterbahn mit Isolierflächen Fig. 3: Leiterbahn mit Fremdkörpereinschlüssen
Fig. 4: Schlitzkanal mit sägezahnförmigem Querschnittsverlauf Fig. 5: In Flächenform
bifilar angeordnete Leiterbahn Fig. 6: Integrierte, parallele Leiterbahn Fig. 7:
Flächenförmige Leiterbahn in Schichtbauweise Fig. 8: Flächenförmige Gaskanäle in
Schichtbauweise
In den Fig. 1 - 4 sind verschiedene Formen von
linien- oder bandförmigen Leiterbahnen 1 0 , 2 0 , 3 0 und 4 0 als Grundelemente
dargestellt. Sie sind in Leiterrichtung in Segmente 1 1 , 2 1 , 3 1 und 4 1 , die
einen in Leiterrichtung nichtspiegelsymmetrischen Verlauf des Leitungsquerschnittes
aufweisen, unterteilt. Bevorzugt sind sägezahnartige Querschnittsverläufe mit einer
langsam zulaufenden Flanke 1 2 , 2 2 , 3 2 und 4 2 und einer steilen, abrupten Querschnittsverengung
1 3 2 3 , 3 3 und 4 3 . Die Änderung des Querschnittsverlaufs ist in Fig. 1 durch
die äußere Begrenzung, in Fig. 2 durch Isolierflächen 2 2 und in Fig. 3 durch Einschlüsse
3 4 eines Fremdmaterials realisiert. In Fig. 4 ist die Leiterbahn 4 0 als schlitzförmiger
Kanal ausgebildet. Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 - 3 eignen sich einmal
zur Erzeugung von elektrischen Driftströmen und elektromotorischen Kräften, Dabei
besteht die Leiterbahn aus einem elektrisch leitenden Material, z.B. Halbleiter,
Halbmetall, Metall, Elektrolyth mit einer freien Weglänge der Ladungsträger (Elektronen,
Ionen, Löcher) größer oder vergleichbar den Abmessungen der Segmente 1 1 , 2 1 und
3 1 Dies kann durch hohen Reinheitsgrad und/oder Temperaturerniedrigung im Leitermaterial
erreicht werden. Die Temperaturerniedrigung ist dabei nicht nach unten begrenzt
und kann in den Bereich der Supraleitfähigkeit hineinreichen. Die elektrischen Driftströme
können dabei an den Enden der Leiterbahnen abgenommen werden.
-
Um eine hohe Volumenausnützung zu erreichen, können mehrere Leiterbahnen
parallel und auch antiparallel zu Stäben, Bändern, Scheiben, Schichten, Blöcken,
Ringen, Rohren, Wendeln, zusammengefügt werden. Bei parallelen und in Serie geschalteten
Leiterbahnen ist dabei keine Isolierschicht zwischen den Leiterbahnen notwendig.
-
In analoger Weise können die Ausführungsformen nach Fig. 1 - 3 ebenfalls
zur Erzeugung eines Wärmestroms und einer thermomotorischen Temperaturdifferenz,
abnehmbar an den Enden der Leiterbahnen 1 0 , 2 0 und 3 0 , verwendet werden. Das
Material
der Leiterbahn besteht hierbei aus einem elektrisch isolierenden
und vorzugsweise nichtelektrostatischen Festkörper, z.B. Keramik-Stoff, Kristall,
organische Stoffe. Über die Stoffart, deren Reinheitsgrad und die Temperatur kann
auch hier die freie Ilegläne der thermischen Quantenbewegung größer oder vergleichbar
den Abmessungen der Segmente 1 1 , 2 1 und 3 1 gemacht werden.
-
Für die technische Nutzung werden auch hier mehrere Leiterbahnen,
vorzugsweise parallel zu größeren Einheiten, integriert.
-
Das Beispiel nach Fig. 4 eignet sich zur Erzeugung eines Gas-, Plasma-
oder Flüssigkeitstransports oder auch zum Drifttransport von Strahlungswärme. Die
Abmessungen der Segmente 4 1 sind dabei wieder kleiner oder vergleichbar den freien
Weglängen im Gas, Plasma oder in der Flüssigkeit.
-
In Fig. 5 ist eine bifilar in Flächenform integrierte Leiterbahn
5 0 zur Erzeugung eines elektrischen Driftstromes dargestellt. Die Leiterbahn 5
0 besteht aus elektrisch leitendem Material, in das sägezahnartige, isolierende
Trennfugen 5 2 und 5 3 eingeätzt oder mittels Röntgen-Lithografie eingebracht sind.
-
Dadurch werden Segmente 5 1 mit einem asymmetrischen Querschnittsverlauf
gebildet. Die einzelnen Leiterbahnstücke sind durch Kontaktbrücken 5 4 leitend verbunden,
so daß die gesamte, durch den Drifteffekt induzierte elektromotorische Kraft an
den Elektroden 5 5 anliegt und dort abgenommen werden kann. Der Innenwiderstand
der Leiterbahn wird dabei über Länge und Querschnitt an den des äußeren Verbrauchers
im Sinne einer Leistungsanpassung angeglichen.
-
Die in der Leiterbahn 5 0 verbrauchte Wärme wird durch - hier nicht
besonders dargestellte - Wärmeüberträger wieder zugeführt.
-
Dabei kann eine Temperaturabsenkung in der Leiterbahn 5 0 zur Erhöhung
der freien Weglänge der Ladungsträger ausgenützt werden.
-
Fig. 6 besteht aus integrierten, parallel geschalteten Leiterbahnen
6 0 zur Erzeugung einer thermomotorischen Temperaturdifferenz oder einer elektromotorischen
Kraft an den Abschlußseiten 6 2 und 6 3 . Im ersten Anwendungsfall bestehen die
Leiterbahnen aus elektrisch nichtleitendem und im zweiten Fall
aus
elektrisch leitendem Material. In die Leiterbahnen sind hier Isolier- oder Sperrvoluminas
6 1 eingeätzt oder eingebrannt.
-
Diese Anordnung ist vergleichbar den Fig. 2 und 3.
-
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel zur Erzeugung einer thermomotorischen
Temperaturdifferenz an der Ober- und Unterseite 7 1 und 7 2 einer Folie oder Wandfläche
7 0 dargestellt. Die Folie 7 0 besteht aus mehreren Schichten 7 3 die einseitig
kegel-, pyramiden- oder wallförmige Überhöhungen 7 4 haben. Mehrere solcher Schichten
7 3 übereinandergepackt, bilden in Normalenrichtung der Folie 7 0 Leiterbahnen mit
asymmetrischem, segmentierten Querschnittsverlauf. Mit einem wärmeleitenden Material
der Schichten 7 3 , z.B. organischen Kunststoffen, ergibt sich mit den bereits beschriebenen
Dimensionierungsvorschriften ein thermischer Driftstrom. Auch, um einen guten Kontakt
der benachbarten Schichten 7 31 zu gewährleisten, sind die Freiräume 7 5 evakuiert.
-
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 dient dem Transport von Gasen
und auch Flüssigkeiten. Das Flächenelement 8 0 besteht aus mehreren Schichten 8
3 , in denen sich kegel-, pyramiden-oder wallförmige Durchbrüche 8 4 befinden. Nusterdeckend
übereinander geschichtet oder bei Verwendung von Distanzhaltern 8 5 auch versetzt
geschichtet, ergeben die Schichten 8 3 segmentierte Leiterbahnen mit asymmetrischem
Querschnittsverlauf, so daß zwischen den Leitern 8 1 und 8 2 ein Gas- oder Flüssigkeitstransport
induziert wird. Eine bevorzugte Anwendung besteht bei der Trennung chemisch verschiedener
Gas- oder Flüssigkeitskomponenten, insDesondere auch von Isotopen. Das Flächenelement
8 0 kann dabei als Diffusionsmembran wie bei den bekannten Diffusionstrennverfahren
aufgefaßt und eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den konventionellen membranen erzeugt
das Flächenelement 8 0 eine Druckdifferenz und einen Gasstrom, so daß keine Druckerzeuger
zur Aufrechterhaltung eines Druckgefälles notwendig sind. Iite beim Diffusionstrennverfahren
wird auch hier die unterschiedliche Driftgeschwindigkeit der Trennkomponenten ausgenützt:
Vermutlich beruht die Trennarbeit der Niere auf demselben Effekt.
-
In Fig. 9 ist Driftstromelement 9 0 , bestehend aus mehreren Schichten
9 1 , dargestellt. Jede Schicht 9 1 besteht aus Leiterpartikeln 9 2 , z.E. Kugeln
oder Drähten aus Metall, die in Schichtnormalen der Größe nach sortiert sind. Die
Abmessungen der Partikel sind kleiner als die freien Weglängen der Ladungsträger.
Eine solche Anordnung stellt einen sägezahnförmigen Verlauf des Leiterquerschnitts
dar. Der dadurch induzierte Driftstrom kann an den Anschlüssen 9 3 und 9 4 abgenommen
werden. -Mit derselben Ausführung läßt sich ebenfalls ein Gasstrom erzeugen.
-
Das verbleibende Freivolumen zwischen den Partikeln stellt ein Kanalsystem
mit ebenfalls sägezahnförmigem Kanalquerschnitt dar.
-
Fig. 10 stellt ein Driftstromelement 1 0 0 mit einer Leiterbahn,
bestehend aus mehreren Segementen 1 0 1 dar. Der sägezahnförmige Verlauf des effektiven
Leiterquerschnitts 1 0 2 in einem Segment wird durch außen angelegte Felder erreicht.
Dazu sind isolierte Elektroden, bzw. Ringmagnete 1 0 3 zur Erzeugung elektrischer,
bzw. magnetischer Felder angebracht. Zusätzlich können die Segmente 1 0 1 auch eine
geometrische Querschnittsbeeinflussung und/oder einen sägezahnförmigen Verlauf der
chemischen Zusammensetzung aufweisen.