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Elektrostatische Maschine Bekanntlich sind die Betriebsbedingungen
elektrostatischer Maschinen, sowohl von Generatoren als auch von Motoren, in hohem
Maße von dem strömungsfähigen dielektrischen Medium, in dem sie arbeiten, abhängig
und lassen sich durch Vergrößerung der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit dieses
Mediums verbessern. Man hat zu diesem Zweck schon Gase von großer dielektrischer
Durchschlagsfestigkeit, beispielsweise gasförmige Chlor-oder Fluorgasverbindungen
oder gewöhnliche Luft, unter einem Druck bis zu 9 at verwendet.
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Um von einer elektrostatischen Maschine eine nennenswerte Nutzleistung
zu erhalten, ist es erforderlich, daß die der Influenz unterworfenen, beweglichen
Organe sich in dem dielektrischen Medium mit hoher Geschwindigkeit bewegen, die
beispielsweise in dem ursprünglichen Generator von v a n d e G r a a f
28 m/sec erreicht, was auf die verhältnismäßig geringe Größe der auf diese
beweglichen Organe wirkenden nutzbaren elektrostatischen Kräfte zurückzuführen ist.
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Unter diesen Bedingungen erhält die Flüssigkeits-bzw. Gasreibung,
die durch die Drehung der beweglichen, zu influenzierenden Organe in dem sie umgebenden
Medium entsteht, eine große Bedeutung, da die durch sie verbrauchte Leistung, die
als ausgestrahlte Wärme verlorengeht, im allgemeinen proportional zu dem spezifischen
Gewicht des dielektrischen Mediums und zu der dritten Potenz der Geschwindigkeit
der beweglichen, der Influenz unterliegenden Organe ist. Diese Verlustleistung wächst
daher mit zunehmender Geschwindigkeit viel schneller als die wirksamen elektrostatischen
Kräfte und beschränkt sodiemögliche Geschwindigkeit der beweglichen, zu influenzierenden
Organe und damit für einen gegebenen Wirkungsgrad der Maschine die von dieser abgegebene
Leistung.
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Bei einer Maschine, deren Leistung ausschließlich
nur
durch,die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des strömungsfähigen Mediums begrenzt
ist, in dem sie arbeitet, ist die Maximalleistung für eine bestimmte Geschwindigkeit
der beweglichen, der Influenz unterworfenen Organe proportional dem Produkt
e E., worin Ein die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Mediums,
d. h. die zu dessen Durchschlagen gerade erforderliche Zahl von Volt, und E seine
Dielektrizitätskonstante gegenüber dem Vakuum ist, d. h. die Höchstleistung ist
proportional der maximalen Menge dielektrischer Energie, die in dem strömungsfähigen
Medium je i cms enthalten sein kann, und diese läßt sich durch die Formel
K # e # Ein ausdrücken, in der K eine von den gewählten
Einheiten abhängige Konstante ist, die z. B. im elektrostatischen C. G. S.-System
gleich
ist. Die Maximalleistung ist daher von der Form C, eEm , in der Cl eine Konstante
darstellt.
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Die durch Strömungsreibung verlorengehende Leistung ist für eine gegebene
Geschwindigkeit proportional der Dichte d des strömungsfähigen Mediums, d. h. unter
Berücksichtigung einer von diesem abhängigen Konstanten C2 von der Form CEd. Die
Verlustleistung durch feste Reibung ist für eine bestimmte Geschwindigkeit gleich
einer Konstanten C3. Hinsichtlich der elektrischen Verluste kennt man Mittel, um
sie bei einer elektrostatischen Maschine praktisch bedeutungslos zu machen.
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Bei einer sorgfältig ausgeführten Maschine kann die feste Reibung
durch bekannte Maßnahmen bedeutend vermindert werden, so daß der Wert der Konstanten
C$ gegenüber den anderen Größen sehr klein wird, besonders wenn die spezifische
Leistung der Maschine in bezug auf die Volumeneinheit beträchtlich ist. Dies tritt
ein, wenn die maximale dielektrische Energiemenge, die im strömungsfähigen Medium
je Kubikzentimeter enthalten sein kann, ziemlich groß, z. B. höher als 0,004 Joule
je Kubikzentimeter ist, da die Maximalleistung dieser maximalen Energiemenge proportional
ist. Der Wirkungsgrad einer Maschine ist unter diesen Bedingungen durch den Quotienten
bestimmt. Je größer dieser Quotient ist, desto größer ist der Wirkungsgrad der beweglichen,
der Influenz unterworfenen Organe bei gleicher Geschwindigkeit. Aus diesem Grund
kann dieser Quotient auch als elektrostatischer Gütefaktor des Mediums bezeichnet
werden, und man bestimmt ihn, indem man E,n in Kilovolt je Zentimeter mißt und als
Normalwert hierfür genauer den sich aus der Messung bei Gleichspannung mit ebenen,
parallelen, polierten Eisenelektroden von 2 mm Abstand ergebenden Wert annimmt sowie
für die Bestimmung der Dichte d als Einheit die Dichte der atmosphärischen Luft
bei o° C und 76o mm Quecksilberdruck zugrunde legt.
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Die Einführung dieser besonderen, als elektrischer Gütefaktor für
das strömungsfähige Medium kennzeichnenden Größe
bietet die vorteilhafte Möglichkeit, von vornherein bestimmte Medien aus der Anwendung
auszuschalten sowie die verschiedenen strömungsfähigen Medien hinsichtlich ihrer
Brauchbarkeit für elektrostatische Maschinen nach Klassen zu ordnen und so einen
Weg zur Verbesserung der Betriebsweise dieser Maschinen aufzuzeigen. Die Prüfung
verschiedenartiger strömungsfähiger Medien auf ihren elektrostatischen Gütefaktor
hin hat nämlich ergeben, daß die bisher zur Verbesserung der Betriebsbedingungen
elektrostatischer Maschinen als dielektrische Medien verwendeten Gase nicht den
wünschenswerten erheblichen Fortschritt für das Arbeiten und den Wirkungsgrad der
Maschine bedeuten.
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Auf Grund eingehender Versuche hat sich nun gezeigt, daß sich bei
elektrostatischen Maschinen beliebiger Bauart sowohl bei ihrer Verwendung als Generator
wie als Motor eine beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades dadurch erreichen läßt,
daß erfindungsgemäß als dielektrisches Medium ein vorzugsweise unter hohem Druck
stehendes Gas von solcher Beschaffenheit vorgesehen wird, daß die von ihm je Kubikzentimeter
aufnehmbare Menge dielektrischer Energie o,oo4 Joule oder mehr beträgt und ein Wert
von mindestens io ooo Einheiten sich für seinen dielektrischen Gütefaktor ergibt,
der sich durch den Quotienten
ausdrückt, in welchem e die Dielektrizitätskonstante des Gases gegenüber Vakuum,
Ein die zum Durchschlagen gerade erforderliche Voltzahl und d die Dichte
des Gases gegenüber der Dichte der Luft bei o° C und i at-Druck, d. 11. 76o
mm Quecksilbersäule, ist.
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Als besonders geeignet für die Zwecke der Erfindung haben sich erwiesen
bei Einhaltung einer Dielektrikumstemperatur von 20° C: i. gewöhnliche Luft, Stickstoff
und Sauerstoff oder Gemische dieser Gase, insbesondere 5 bis 15 % Sauerstoff enthaltende
Gemische, je mit einer die Dichte bei i9 at absolutem Druck und bei 2o° C überschreitenden
Dichte, 2. Wasserstoff mit einer die Dichte bei 25 at absolutem Druck und bei 2o°
C übersteigenden Dichte, 3. trockenes Ammoniakgas mit einer über der Dichte bei
7 at absolutem Druck und bei 20° C liegenden Dichte, 4. Kohlendioxyd mit einer die
Dichte bei 2o at absolutem Druck und bei 20° C überschreitenden Dichte, 5. verdünnte
Gase unter einem Druck von weniger als io-b at.
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Die Temperatur des gasförmigen Dielektrikums kann auch von 20° C verschieden
sein, was aber eine entsprechende Änderung der angegebenen Drücke bedingt, die nach
einem leicht zu errechnenden Maßstab erfolgen kann. Beispielsweise sind die Drücke
bei 6o° C um 1 5 olo zu erhöhen, und ganz allgemein gilt, daß der Druck proportional
zur absoluten Temperatur geändert werden muß. Auch können an Stelle der angeführten
Gase als Dielektrikum irgendwelche anderen gasförmigen Medien verwendet werden,
welche die erfindungsgemäß erforderlichen Eigenschaften aufweisen.
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Um ein Beispiel für die mit einem Dielektrikum nach der Erfindung
erzielbare Wirkungsgradsteigerung zugeben, sei eine elektrostatische Maschine der
Bauart
Toepler mit vier Erregerpolen und fünf zu influenzierenden drehbaren Platten von
27 cm Durchmesser betrachtet, bei der einmal wie bisher Luft von atmosphärischem
Druck und zum anderen erfindungsgemäß ein unter Druck stehendes Gas als dielektrisches
Medium vorgesehen wird. Dieser Vergleichsversuch ergibt: a) Wenn die Platten in
Luft unter atmosphärischem Druck mit einer Geschwindigkeit von 1500 Umdrehungen
je Minute in Drehung versetzt werden, beträgt die Klemmenspannung der als Generator
arbeitenden Maschine 3,51`V und die erzeugte Stromstärke 0,35 Milliarnpere,
was eine Leistung von 1,15 Watt ergibt. Die Reibung an der Luft verbraucht 5 Watt
und die feste Reibung der Bürsten und Lager 2o Watt. Der Wirkungsgrad ist 1,15 :26,15=4,40/0;
b) wenn die Maschine gemäß der Erfindung als Generator in Druckluft von 2o at arbeitet,
erreicht die abgenommene Spannung 4o kV und die Stromstärke 4,2 Milliampere und
demnach die Leistung 170 Watt bei einer Drehzahl von i5oo Umdrehungen je Minute.
Die Luftreibung verbraucht 85 Watt und die feste Reibung der Bürsten und Lager bleibt
gleich 20 Watt. Der Wirkungsgrad ist dann 170 : 275 = 62%; c) arbeitet die Maschine
gemäß der Erfindung als Generator in einer Wasserstoffatmosphäre unter 35 at absolutem
Druck bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen je Minute, so ergibt sie eine
Klemmenspannung von 31 kV und eine Stromstärke von 6,5 Milliampere und demnach eine
Leistung von 200 Watt. Die Reibung am Wasserstoff verbraucht 70 Watt und
die feste Reibung der Bürsten und Lager 40 Watt. Der Wirkungsgrad ist 200:3io=65%;
d) die Maschine kann nicht als Motor in Luft bei gewöhnlichem Druck wirksam werden,
da dann die elektrostatischen Kräfte im Verhältnis zu den auftretenden Reibungskräften
zu klein wären. Dagegen läuft sie in einem erfindungsgemäß beschaffenen dielektrischen
Medium mit günstigem Wirkungsgrad auch als Motor. Beispielsweise werden in Wasserstoff
unter 35 at absolutem Druck bei 2000 Umdrehungen je Minute 4,3 Milliampere unter
30 kV, also 130 Watt, aufgenommen und, da die Reibung am Wasserstoff
25 Watt und die feste Reibung 26 Watt verbrauchen, verbleibt eine auf der Welle
nutzbare Leistung von 79 Watt, was einem Wirkungsgrad von 79 : 130 = 61% entspricht.