DE954180C

DE954180C - Arrangements for electrostatically controlled switches, voltage indicators and similar electrical components

Info

Publication number: DE954180C
Application number: DEK22437A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Guenther Herm Krawinkel
Original assignee: GUENTHER HERMANN KRAWINKEL DR
Current assignee: GUENTHER HERMANN KRAWINKEL DR
Priority date: 1954-06-03
Filing date: 1954-06-04
Publication date: 1956-12-13

Description

Zur Durchführung elektrischer Schaltmaßnahmen bedient sich die Technik neben gesteuerten Elektronen- oder Ionenröhren gegenwärtig vorwiegend elektromagnetisch betriebener Relais oder Schalter bzw. Schaltwerke. Hierbei ist zum Aufbau bzw. zum Aufrechterhalten des die Relais usw. betätigenden elektromagnetischen Feldes eine im Einzelfall nicht unterschreitbare elektrischeSteuerleistung erforderlich.To carry out electrical switching measures, the technology also uses controlled ones Electron or ion tubes currently mainly electromagnetically operated relays or Switches or switching mechanisms. This is to build or maintain the relay, etc. actuating electromagnetic field an electrical control power that cannot be undercut in individual cases necessary.

Die Erfindung betrifft demgegenüber Anordnungen für elektrische Schalter und ähnliche Bauelemente, bei denen die an der Grenze zweier Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten im elektrischen Feld auftretende elektrostatische Kraftwirkung zur Spannungsanzeige, zur Steuerung von Schaltern oder zur Durchführung sonstiger Sekundärprozesse verwendet wird. Gegenüber den bekannten Anordnungen wird ein wesentlich herabgesetzter Bedarf an elektrischer Steuerleistung, zu deren Aufrechterhaltung nur das Vorhandensein der potentiellen Energie einer elektrischen Spannung erforderlich ist, erzielt.In contrast, the invention relates to arrangements for electrical switches and similar components, where those at the border of two dielectrics with different dielectric constants Electrostatic force effect occurring in the electric field for voltage display, for Control of switches or to carry out other secondary processes is used. Opposite to the known arrangements a substantially reduced need for electrical Control power, to maintain it only the presence of the potential energy of an electrical Tension is required.

Grundlage des Verfahrens ist die Verwendung der bekannten Kraftwirkung,· die im elektrischen Feld an der Grenze zweier Dielektrika mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten auftritt. Fig. ι zeigt das Prinzipielle dieses Effektes. Zwei Dielektrika mit den Dielektrizitätskonstanten ε_χ und ε₂ werden von dem elektrischen Feld F durchsetzt. An ihrer Grenze tritt eine Kraftwirkung P The basis of the method is the use of the known force effect that occurs in an electric field at the boundary between two dielectrics with different dielectric constants. Fig. Ι shows the principle of this effect. The electric field F penetrates two dielectrics with the dielectric constants ε _χ and ε _2. A force P occurs at its limit

auf, die unabhängig von der elektrischen Feldrichtung vom Dielektrikum mit der höheren Dielektrizitätskonstanten zum Dielektrikum mit der kleineren Dielektrizitätskonstanten gerichtet ist. In Fig. ι ist als Beispiel angenommen, daß E₁ größer als ε₂ ist, wodurch sich die Pfeilrichtung von P, unabhängig von der Feldrichtung von F, ergibt. Die Ausnutzung dieses Gradient-s-Effektes (normal wie im Beispiel der Fig. ι oder auch trans-ίο versal) ermöglicht es, elektrostatisch betriebene Einrichtungen zu schaffen, die eine große Spannungssicherheit und mechanische Stabilität bei einfachem Aufbau aufweisen. Zwei Gesichtspunkte, die bei der bisherigen gelegentlichen Anwendung der elektrostatischen Anziehung zweier Elektroden nicht lösbar waren und eine betriebliche Anwendung zumindest im Niederspannungsbereich ausschlossen. which is directed from the dielectric with the higher dielectric constant to the dielectric with the smaller dielectric constant, regardless of the direction of the electric field. In Fig. Ι it is assumed as an example that E _{1 is} greater than ε ₂ , which results in the direction of the arrow of P, regardless of the field direction of F, results. The utilization of this gradient-s-effect (normal as in the example of Fig. Ι or also trans-ίο versal) makes it possible to create electrostatically operated devices that have a high voltage security and mechanical stability with a simple structure. Two aspects which could not be resolved in the previous occasional application of the electrostatic attraction of two electrodes and which excluded an operational application, at least in the low voltage range.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zur besseren Verdeutlichung die Maßstäbe der einzelnen Bauteile gegeneinander verzerrt sind. Zwischen zwei. Körpern J₁ und J₂ aus Isolierstoff (gepreßter Kunststoff, wie Polystyrol oder ähnliches) befindet sich eine Membran M aus Isolierstoff (z. B. Kunststoffolie aus Cellulosehydrat, Polyäthylen, Polyvinylchlorid oder anderen folienbildenden Kunststoffen, gegebenenfalls mit Beimischungen von gemahlenem Titandioxyd oder ähnlichen Stoffen, durch welche die Erzeugung einer gewünschten Dielektrizitätskonstanten der Folie ermöglicht wird). Links und rechts von der Membran M besitzen die isolierenden Tragekörper J₁ und J₂ Vertiefungen, auf deren Boden sich Metallbelegungen Ji₁ und E₂ befinden, die mechanisch oder durch bekannte Metallisierungsverfahren, wie z. B. durch chemischen Niederschlag, Metallverdampfung, Metallzerstäubung oder durch Aufspritzen erzeugt werden. Die beiden Belegungen E₁ und E₂ sind zu den beiden Kontaktanschlüssen Jt₁ und k₂ geführt. In dem Zwischenraum, zwischen der Membran M und dem Tragekörper J₁ befindet sich ein flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstanten S₁. In dem Zwischenraum zwischen der Membran M und dem Tragekörper J₂ befindet sich ein flüssiges oder gasförmiges Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstanten ε₃. Der Isolierstoff der Membranikf hat die Dielektrizitätskonstante ε₂. In der beschriebenen Anordnung soll nun S₁ größer als ε₂ und ε₂ mindestens'gleich, vorzugsweise aber größer als ε₃ sein; bzw. S₁ mindestens gleich, vorzugsweise aber größer als ε₂ und ε₂ größer als ε₃ sein. Besteht nun durch Gleich- oder Wechselspannungsvorgabe an den Klemmen Ji₁ und k₂ zwischen den Metallbelegungen E₁ und E₂ ein die verschiedenen Dielektrika durchsetzendes elektrisches Feld gleich welcher Richtung, so entsteht bei S₁ > ε₂ an der linken Grenzschicht der Membran M eine Kraftwirkung auf die Membran, die in Fig. 2 von links (S₁) nach rechts (ε₂) gerichtet ist, und an der rechten Grenzschicht" der Membran M entsteht bei s₂ > ε₃ eine Kraftwirkung auf die Membran, die auch von links (s₂) nach rechts (s₃) gerichtet ist; d. h., im Fall S₁ > ε₂ > ε₃ wirken an der linken und rechten Grenzschicht der Membran auf diese gleichgerichtete Kräfte, die die Isolierstoffmembran in dem Zwischenraum zwischen den Tragekörpern J₁ und J₂ nach rechts durchbiegen. Im Grenzfall dürfen, wie oben angegeben, zwei aufeinanderfolgende Dielektrizitätskonstanten gleich groß werden, wobei dann nur noch die Kraftwirkung an der Grenzschicht mit den unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten in der Richtung vom größeren zum kleineren ε übrigbleibt. Zur Erzielung optimaler Kraftwirkung auf die Membran haben zweckmäßigerweise die an einer Grenzschicht zusammenstoßenden Dielektrika jeweils Dielektrizitätskonstanten, die im Verhältnis 3 : ι stehen, d. h., im Beispiel der Fig. 2 wird die optimale Kraftwirkung auf die Membran M ausgeübt, wenn2 shows an exemplary embodiment of the invention, the scales of the individual components being distorted with respect to one another for better clarity. Between two. Bodies J ₁ and J ₂ made of insulating material (pressed plastic, such as polystyrene or the like) have a membrane M made of insulating material (e.g. plastic film made of cellulose hydrate, polyethylene, polyvinyl chloride or other film-forming plastics, possibly with admixtures of ground titanium dioxide or similar substances , by means of which the production of a desired dielectric constant of the film is made possible). To the left and right of the membrane M , the insulating support bodies J ₁ and J _{2 have} depressions, on the bottom of which there are metal _{deposits Ji 1} and E ₂ , which are mechanically or by known metallization processes, such as, for. B. by chemical precipitation, metal evaporation, metal atomization or by spraying. The two assignments E ₁ and E ₂ are routed to the two contact connections Jt ₁ and k _2. In the space between the membrane M and the support body J ₁ there is a liquid or gaseous dielectric with the dielectric constant S ₁ . In the space between the membrane M and the support body J ₂ there is a liquid or gaseous dielectric with the dielectric constant ε ₃ . The insulating material of the membrane has a dielectric constant ε ₂ . In the arrangement described, S ₁ should now be greater than ε ₂ and ε ₂ at least equal to, but preferably greater than ε ₃ ; or S ₁ must be at least the same, but preferably greater than ε ₂ and ε ₂ greater than ε ₃ . If there is now an electrical field penetrating the various dielectrics in whatever direction between the metal coatings E ₁ and E ₂ due to direct or alternating voltage specification at the terminals Ji ₁ and k ₂ _{, then at S 1} > ε ₂ at the left boundary layer of the membrane M a force effect is directed to the membrane (ε ₂₎ in Fig. 2 from the left (S ₁₎ to the right and is formed at the right boundary layer "of the membrane M in s _2> ε ₃ is a force on the membrane, which also left (s ₂ ) is directed to the right (s ₃ ); that is, in the case S ₁ > ε ₂ > ε _3, forces in the same direction act on the left and right boundary layer of the membrane _{Bend to the right 1} and J _2. In the borderline case, as stated above, two successive dielectric constants may be the same, with only the force acting on the boundary layer with the different dielectric constants n remains in the direction from the larger to the smaller ε. In order to achieve an optimal force effect on the membrane, the dielectrics colliding at a boundary layer expediently each have dielectric constants which are in the ratio 3: ι, ie in the example of FIG. 2 the optimal force effect is exerted on the membrane M when

ε» = —i- und ε, =
² 3 ³ ε »= --i- and ε, =
² 3 ³

Die sich nach rechts durchbiegende Membran M übt nun auf das flüssige oder gasförmige Dielektrikum (s₃) im Zwischenraum zwischen M und dem Tragekörper I₂ einen Druck aus, während auf das flüssige oder gasförmige Dielektrikum ^₁) im Zwischenraum zwischen M und dem Tragekörper J₁ ein Zug ausgeübt wird. Diese Druck- bzw. Zugkräfte auf die Dielektrika übertragen sich durch kleine Öffnungen α in den Metallbelegungen Ji₁ und E₂, die sich in den Tragekörpern J₁ und J₂ erweiternd fortsetzen in Ausgleichsräume der Dielektrika, die, wie in Fig. 2 beispielsweise gezeigt, an der jeweiligen Rückseite der Tragekörper J₁ und J₂ zwischen diesen und Abschluß deckein A₁ und A₂ gebildet sind. Die gesamte Anordnung wird dabei, wie in Fig. 2 angedeutet, durch durchgehende Schrauben oder Niete (Hohlniete) Λ^Γ-Λ* zusammengehalten. Diese Ausgleichsräume sind nun durch ein Rohr R aus Isolierstoff (z. B. warmverformbarer Kunststoff) miteinander verbunden, das bei zwei weiten Ansätzen links und rechts einen Mittelteil geringer Weite hat. Der Übergang von dem engen Mittelteil des Rohres R zu den weiten Außenteilen erfolgt, wie in Fig. 2 dargestellt, durch die beiden eingezogenen Öffnungen b. In dem engen Mittelteil des Rohres R befindet sich ein Quecksilberfaden .H oder auch eine Quecksilberkugel bzw. eine sonstige Metallkugel mit einem Durchmesser gleich der Rohrweite.-, Außerdem ist das Kunststoffrohr in diesem Teil mit z. B. eingepreßten Metallkontakten S₁, S₂, S₃ versehen, bzw. es sind, wie in Fig. 5 dargestellt, im Fall der Verwendung einer Quecksilberkugel H die Metallkontakte S₁, S₁ und S₂₁S₂ vorgesehen. In der Ruhelage der Membran M möge sich der Quecksilberfaden bzw. die Quecksilberkugel H in der gezeichneten Lage auf der rechten Seite des verengten Rohrteiles befinden (Fig. 2). Wird nun die Membran durch die oben beschriebenen Kraftwirkungen des Grad-£-Effektes zufolge einer an Ii₁ und k_o an- The membrane M bending to the right now exerts a pressure on the liquid or gaseous dielectric (s ₃ ) in the space between M and the support body I ₂ , while on the liquid or gaseous dielectric ^ ₁ ) in the space between M and the support body J ₁ a move is exercised. These compressive or tensile forces on the dielectrics are transmitted through small openings α in the metal coatings Ji ₁ and E ₂ , which continue expanding in the support bodies J ₁ and J ₂ into compensation spaces of the dielectrics, which, as shown in FIG. 2, for example , on the respective back of the support body J ₁ and J ₂ between these and termination deckein A ₁ and A _{2 are} formed. The entire arrangement is, as indicated in Fig. 2, held together by continuous screws or rivets (hollow rivets) Λ ^Γ -Λ *. These compensation spaces are now connected to one another by a pipe R made of insulating material (e.g. thermally deformable plastic), which has a narrow middle section in the case of two wide approaches on the left and right. The transition from the narrow central part of the tube R to the wide outer parts takes place, as shown in FIG. 2, through the two retracted openings b. In the narrow middle part of the tube R there is a mercury thread .H or a mercury ball or some other metal ball with a diameter equal to the pipe width. In addition, the plastic pipe is in this part with z. B. pressed-in metal contacts S ₁ , S ₂ , S ₃ , or there are, as shown in Fig. 5, in the case of using a mercury ball H, the metal contacts S ₁ , S ₁ and S ₂₁ S ₂ provided. In the rest position of the membrane M , the mercury thread or the mercury ball H may be in the position shown on the right-hand side of the narrowed tube part (FIG. 2). Now, the membrane £ by the above described force effects of the degree according to a -effect Ii ₁ and k _o Toggle

gelegten Gleich- oder Wechselspannung nach rechts durchgebogen, so übertragen sich die Zug- bzw. Druckkräfte auf die flüssigen oder gasförmigen Dielektrika (E₁) und rechts (ε₃) durch die öffnungen α mit den zwecks Verringerung des Reibungswiderstandes sich erweiternden Durchlässen schließlich durch die Öffnungen b auf den Quecksilberfaden H, der durch diese Kraftwirkung von rechts nach links bewegt wird (Fig. 5). Hierbei ίο wird durch die Transformierung einer kleinen Bewegung einer großen Fläche (Membran M) in eine entsprechend größere Bewegung einer kleinen Fläche (Oberfläche des Quecksilberfadens H) eine derartige Verschiebung des Quecksilberfadens H in dem verengten Mittelteil des Rohres R bewirkt, daß der in der Ruhelage zwischen S₂ und S₃ kontaktschließende Quecksilberfaden nunmehr zwischen S₁ und S₂ Kontaktschluß herstellt und den Kontaktschluß S₃ und S₂ unterbricht bzw. daß bei der Anordnung nach Fig. 5 die in der Ruhelage zwischen S₂, S₂ kontaktschließende Quecksilberkugel nunmehr zwischen S₁, 5"/ Kontaktschluß herstellt und den Kontaktschluß zwischen ^₂ und S₂' aufhebt. Die Einengungen b zwischen dem engen mittleren und den weiteren Außenteilen des Rohres R haben dabei den Zweck, daß beim Anlegen hoher elektrischer Spannungen, deren Feldwirkung zwischen E₁ und E₂ die Isolierstoffmembran M rechts oder links an E₂ oder E₁ anschlagen läßt, der Quecksilberfaden, infolge der Oberflächenspannung des Quecksilbers nicht aus dem engen mittleren Teil des Rohres R in die erweiterten Außenansätze dieses Rohres übertreten kann. Fig. 2 zeigt also zusammenfassend das Prinzipielle eines auf dem Grad-e-Effekt aufgebauten elektrostatischen Relais mit Arbeits- und Ruhekontakt, das zufolge der allseitig eingespannten Isolierstoffmembran gegenüber äußeren mechanischen Einwirkungen oder Bewegungen äußerst unempfindlich ist und dessen Spannungsfestigkeit im wesentlichen durch die elektrische Durchschlagsfestigkeit der dielektrischen Membran bestimmt wird, die erfahrungsgemäß ein Vielfaches der Betriebsspannung der Anordnung ist.
In Fig. 2 ist nur ein Rohr R mit Arbeits- und Ruhekontakt zwischen den Ausgleichsräumen der flüssigen oder gasförmigen Dielektrika (ε_ν ε₃) als Beispiel gezeigt. Da die bewegten Massen bei diesem Relais in der Größenordnung von Milligramm liegen können, andererseits aber schon bei niedrigeren elektrischen Spannungen an der dielektrischen Membran ein Vielfaches der zur Bewegung eines kurzen Ouecksilberfadens bzw. einer Quecksilberkugel erforderlichen Kräfte hervorgerufen werden kann, ist es möglich, die Ausgleichsräume der beiden. Dielektrika (E₁ und. ε₃) durch mehrere Rohrsysteme R mit einer entsprechenden Vielzahl von Arbeits- und Ruhekontakten zu verbinden, die alle gleichzeitig betätigt werden. Desgleichen ist es möglich, durch Ausstattung des mittleren Rohrteils von R mit mehreren nebeneinanderliegenden Kontakten, durch stufenweise steigende Steuerspannung an k_t und k₂, stufenweise steigend Relaiskontaktschlüsse nacheinander zu bewirken. Sollen durch die Relaiskontakte größere Leistungen geschaltet werden (Gleichrichter, Wechselrichter, Schützsteuerung), so kann der Quecksilberfaden in zwei Hälften aufgeteilt werden, wobei durch Ölfüllung des Rohrteils zwischen den beiden Quecksilberfäden und entsprechende Anordnung der Kontakte im Rohr Kontaktöffnung und Kontaktschluß stets unter Ölschutzschicht ablaufen. Auch kann die obenerwähnte Schaltkugel von Öl oder einem entsprechend wirksamen Kohlenwasserstoff umgeben sein, das bzw. der neben seiner Eigenschaft als Kontaktschutzmittel gleichzeitig als Gleitmittel für die Bewegung der Kugel in dem verengten Rohrteil wirkt. Hierbei sind die Zähigkeit des verwendeten Gleitmittels, die Adhäsion zwischen Gleitmittel und Rohrmaterial und der Durchmesser des Gleitrohres derart aufeinander abzustimmen, daß die Kraftwirkung der Oberflächenspannung des Gleitmittels an seiner Grenzfläche größer ist als das Gewicht der Schaltkugel (z. B. Ouecksilberkugel). g₅ If the DC or AC voltage is bent to the right, the tensile or compressive forces are transferred to the liquid or gaseous dielectrics (E ₁ ) and to the right (ε ₃ ) through the openings α with the passages widening in order to reduce the frictional resistance and finally through the Openings b on the mercury thread H, which is moved from right to left by this force (Fig. 5). Here, by transforming a small movement of a large area (membrane M) into a correspondingly larger movement of a small area (surface of the mercury thread H), such a displacement of the mercury thread H in the narrowed middle part of the tube R causes the in the rest position between S ₂ and S ₃ contact closing mercury thread now produces ₂ contact closure between S ₁ and S and the contact terminal S ₃ and S ₂ interrupts or that, in the arrangement of FIG. 5, the contact closing in the rest position between S _2, S ₂ mercury ball is now between S ₁ , 5 "/ contact closure and the contact closure between ^ ₂ and S ₂ 'cancels. The constrictions b between the narrow central and the other outer parts of the tube R have the purpose that when high electrical voltages are applied, their field effect between E. ₁ and E _2, the insulating membrane M can strike right or left at E ₂ or E ₁ , the mercury thread, as a result the surface tension of the mercury cannot pass from the narrow central part of the tube R into the extended outer approaches of this tube. Fig. 2 summarizes the principle of an electrostatic relay built on the degree e effect with working and break contacts, which is extremely insensitive to external mechanical influences or movements due to the all-round clamped insulating membrane and whose dielectric strength is essentially due to the dielectric strength of the dielectric membrane is determined, which experience has shown is a multiple of the operating voltage of the arrangement.
In Fig. 2 only one tube R with working and break contact between the compensation spaces of the liquid or gaseous dielectrics (ε _ν ε ₃ ) is shown as an example. Since the moving masses in this relay can be in the order of magnitude of milligrams, but on the other hand, even at lower electrical voltages on the dielectric membrane, a multiple of the forces required to move a short mercury thread or a mercury ball can be generated, it is possible to use the compensation spaces of both. To connect dielectrics (E ₁ and. Ε ₃ ) through several pipe systems R with a corresponding number of normally open and normally closed contacts, all of which are actuated at the same time. Likewise, it is possible, by equipping the middle tube part of R with several contacts lying next to one another, by gradually increasing the control voltage at k _t and k ₂ , to effect gradually increasing relay contact closures one after the other. If higher powers are to be switched by the relay contacts (rectifier, inverter, contactor control), the mercury thread can be divided into two halves, whereby the oil filling of the pipe part between the two mercury threads and the corresponding arrangement of the contacts in the pipe ensure that the contact opening and contact closure always run under an oil protective layer. The above-mentioned switching ball can also be surrounded by oil or a correspondingly effective hydrocarbon which, in addition to its property as a contact protection agent, also acts as a lubricant for the movement of the ball in the narrowed pipe part. The toughness of the lubricant used, the adhesion between the lubricant and the pipe material and the diameter of the sliding pipe must be coordinated in such a way that the force of the surface tension of the lubricant at its interface is greater than the weight of the switching ball (e.g. mercury ball). g ₅

Die zur Betätigung des Relais erforderliche Leistungsaufnahme ist bestimmt durch die Größe der Kapazität zwischen den Belegungen E₁ und E₂. Der Leistungsaufwand zur Betätigung eines, Arbeitskontaktes liegt dabei um Größenordnungen go unter dem Leistungsaufwand eines durch elektromagnetische Wirkung betätigten Arbeitskontaktes. Der Leistungsaufwand zur Aufrechterhaltung eines Schaltzustandes ist praktisch Null, da außer der Umwandlung der potentionellen Energie der elektri sehen Spannung in die potenitielle Energie einer »Lage« keine weitere ins Gewicht fallende Energieumsetzung stattfindet. Wegen des völligen Abschlusses aller wirksam werdenden Teile nach außen, unterliegt die, Anordnung keinen Einflüssen der Luftfeuchtigkeit oder Verstaubung und erfordert dementsprechend nur verminderte Pflege.The power consumption required to operate the relay is determined by the size of the capacity between the assignments E ₁ and E ₂ . The effort required to operate a normally open contact is orders of magnitude less than the effort required from a normally open contact actuated by an electromagnetic effect. The power expenditure to maintain a switching state is practically zero, since apart from the conversion of the potential energy of the electrical voltage into the potential energy of a "layer", no further significant energy conversion takes place. Due to the complete closure of all effective parts to the outside, the arrangement is not subject to the effects of humidity or dust and accordingly requires only reduced maintenance.

Wie oben schon gesagt, kann die Kraftwirkung des Grad-£-Effekt!es auf die; dielektrische Membran gegebenenfalls nur an einer Grenzfläche erfolgen, d. h. in ihrer Wirkung auf die Membran entsprechend verringert angewandt werden, indem nur an einer Grenzfläche der Membran eine Änderung der Dielektrizitätskonstante stattfindet. In diesem Fall kann, wie in Fig. 3 —die die Tragekörper I₁, L₂ no und die Membran M der Fig. 2 als Ausschnitt noch einmal zeigt — dargestellt ist, z. B. die Metallbelegung E₁ vom Tragekörper I₁ auf die Membran vorgezogen werden, wobei die Verringerung der Kraftwirkung auf die dielektrische Membran durch die nurmehr einseitig wirkende Kraft des Grad-ε-Effektes an der rechten Miembranfläche (ε₂ > ε₃) durch die Verringerung des Abstandes der Belegungen E₁ und E₂ teilweise ausgeglichen wird und die Wirkung des Grad-E-Effektes auf die Membran auch noch durch die bekannte elektrostatische Anziehung der beiden Elektroden unterstützt wird. Die elektrische Spannungsfestigkeit der Anordnung wird, soweit sie durch die Durchschlagsfestigkeit der dielektrischen Membran, bestimmt ist, hierbei nicht beeinträchtigt. Auf derAs already said above, the force of the degree £ effect can affect the; dielectric membrane may take place only at one interface, that is, their effect on the membrane is appropriately reduced, in that a change in the dielectric constant takes place only at one interface of the membrane. In this case, as in FIG. 3 - which shows the support bodies I ₁ , L ₂ no and the membrane M of FIG. B. the metal coating E _{1 of} the support body I ₁ are preferred to the membrane, the reduction of the force on the dielectric membrane by the only one-sided force of the degree ε effect on the right Miembranfläche (ε ₂ > ε ₃ ) by the Reduction in the distance between the coatings E ₁ and E _{2 is} partially compensated for and the effect of the degree E effect on the membrane is also supported by the known electrostatic attraction of the two electrodes. The dielectric strength of the arrangement is not impaired, provided it is determined by the dielectric strength of the dielectric membrane. On the

Rückseite der Belegung E₁ bleibt dabei, wie auch in Fig. 3 gezeigt, zweckmäßig ein Zwischenraum zur Fläche des Tragekörpers I₁ bestehen, um Hafteffekte infolge Adhäsion auszuschließen. Um geigebenenfalls auftretende Hafteffekte auf der rechten Seite der Membran zu vermeiden, kann ein Anschlag Q aus Isolierstoff (s. Fig. 3) vorgesehen werden, dessen Oberflächengröße so bemessen wird, daß die Rückstellkraft der gespannten und bis zum Anschlag durchgebogenen Membran die Adhäsion zwischen Membran und Anschlagoberfläche gerade überwiegt. An die Stelle des Dielektrikums mit der Dielektrizitätskonstanten. S₁ kann hier zur Übertragung der Zug- bzw. Druckkräfte eine flüssige oder gasförmige Substanz treten, deren dielektrische Eigenschaften belanglos sind. Diese Beispiele beruhten ausschließlich auf normalem Grad-e-Effekt.At the back of the covering E ₁ , as also shown in FIG. 3, there is expediently a gap to the surface of the support body I _{1 in} order to exclude adhesive effects as a result of adhesion. In order to avoid adhesive effects that may also occur on the right side of the membrane, a stop Q made of insulating material (see Fig. 3) can be provided, the surface area of which is dimensioned so that the restoring force of the tensioned membrane, which is bent up to the stop, prevents the adhesion between the membrane and stop surface just predominates. In place of the dielectric with the dielectric constant. S ₁ , a liquid or gaseous substance whose dielectric properties are irrelevant can occur here to transmit the tensile or compressive forces. These examples were based solely on normal grade e effects.

Eine Anwendung des transversalen Grad-£-Effekao tes kann in der Form erfolgen, daß ein Luftkondensator bis zu einer gewissen Standhöhe mit einem Dielektrikum großer Dielektrizitätskonstanten gefüllt wird, wobei dann, der transversale Grad-e-Effekt die Standhohe in Abhängigkeit von der anas gelegten Spannung beeinflußt und diese Standhöhenänderung mittels kommunizierender Röhren zu Schaltmaßnahmen bzw. zur Spannungsmessung benutzt wird.An application of the transverse degree £ -effekao tes can be done in the form of an air condenser is filled up to a certain level with a dielectric with a large dielectric constant, in which case the transverse degree-e effect affects the standing height depending on the applied voltage and this change in standing height is used by means of communicating tubes for switching measures or for voltage measurement.

Fig. 4 zeigt als weiteres Beispiel eine Anordnung, bei der auch der transversale Grad-I-Effekt wirksam wird. Im Gegensatz zu früheren Anordnungen sind Her die Belegungen -E₁ und E₂ schräg zueinander gestellt, so daß das elektrische Feld zwischen E₁ und E₂ von. oben nach unten in seiner Stärke zunimmt. Das Dielektrikum (—) zwischen den Belegungen möge nun eine polare Substanz sein, deren molekulares Dipolmoment und damit deren Dielektrizitatskonstamite ε (F) sich in Abhängigkeit vom der elektrischen Feldstärke F ändert. Hierdurch tritt senkrecht zur Richtung der Feldstärke (transversaler Effekt) ein Gradient der Dielektrizitätskonstanten im Dielektrikum auf, der eine Kraftwirkung des Dielektrikums mit einer die Flüssigkeit aufstauenden Wirkung hervorruft. Infolge des Druckausgleichs innerhalb der Flüssigkeit entsteht hierbei ebenfalls eine Druckwirkung bzw. Zugwirkung in den Rohransätzen R mit den oben schon dargestellten Folgen.As a further example, FIG. 4 shows an arrangement in which the transverse degree I effect is also effective. In contrast to previous arrangements, the Her assignments -E ₁ and E ₂ are placed at an angle to one another, so that the electric field between E ₁ and E ₂ of. increases in strength from top to bottom. The dielectric (-) between the layers may now be a polar substance, the molecular dipole moment of which and thus the dielectric constant ε (F) of which changes as a function of the electric field strength F. As a result, a gradient of the dielectric constant occurs in the dielectric perpendicular to the direction of the field strength (transverse effect), which gradient causes the dielectric to act as a force with an effect that accumulates the liquid. As a result of the pressure equalization within the liquid, a pressure or tensile effect also arises in the pipe attachments R with the consequences already described above.

Die Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten vom der elektrischen Feldstärke bei polaren Substanzen, kann z. B. in der Anordnung nach Fig. 2, bei Anwendung solcher Substanz als eines der Außendielektrika, durch den dann, feldstärkeabhängigen Wert des Verhältnisses der Dielektrizitätskonstanten an der einen Grenzfläche der Mem- - bran M zur Linearisierung der resultierenden Kraftwirkung an der Membran, bzw. zu deren Begrenzung oder sogar Richtungsumkehr verwendet werden.The dependence of the dielectric constant on the electric field strength in polar substances can, for. B. in the arrangement according to FIG. 2, when using such a substance as one of the outer dielectrics, by the then, field strength-dependent value of the ratio of the dielectric constant at one interface of the membrane - bran M for linearizing the resulting force effect on the membrane, or can be used to limit or even reverse direction.

Die schon beschriebene Anwendung des normalen Grad-s-Effektes ist auch unmittelbar zur statischen Spannungsanzeige verwendbar, indem z. B. die von der angelegten Spannung bestimmte Lage des obenerwähnten Quecksilberfadens innerhalb der hier zweckmäßig als Kapillarrohr auszubildenden Rohrverengung von R (s. Fig. 2) als geeichtes Maß für die angelegte Spannung dient. Es ist dabei auch möglich, durch einen, kurzen Quecksilberfaden die Säule einer gefärbten Flüssigkeit in ein Kapillarrohr hineinzuschieben und ihren. Stand im Rohr als geeichtes Maß für die angelegte Spannung zu verwenden. Ebenso kann, ohne Zwischenschaltung eines Quecksilberabschlusses, das flüssige Dielektrikum einer Seite direkt in ein Kapillarrohr kommunizieren und mit seiner Standhohe als geeichtes Maß für die angelegte Spannung dienen. Da der Grad-e-Effekt ein quadratischer Spannungseffekt ist, ist eine Linearisierung der Spannungsanzeige durch stetige Veränderung des Kapillarrohrquerschnitts (Zunahme des Quer-Schnitts mit wachsender Standhohe) herstellbar. Eine! Spannungsmessung mit abgekürzter Skala ist durch eiirae oder mehrere sprunghafte Querschnittsänderungen des Kapillarrohres erreichbar. The already described application of the normal degree-s-effect can also be used directly for static voltage display by z. B. the position of the above-mentioned mercury thread determined by the applied voltage within the tube constriction of R (see Fig. 2), which is expediently designed as a capillary tube, serves as a calibrated measure for the applied voltage. It is also possible to push the column of a colored liquid into a capillary tube through a short mercury thread and to insert your. Stand in the pipe to be used as a calibrated measure for the applied voltage. Likewise, without the interposition of a mercury termination, the liquid dielectric on one side can communicate directly into a capillary tube and, with its standing height, serve as a calibrated measure for the applied voltage. Since the degree e effect is a quadratic tension effect, the tension display can be linearized by continuously changing the cross-section of the capillary tube (increase in cross-section with increasing standing height). One! Voltage measurement with an abbreviated scale can be achieved by one or more abrupt changes in the cross-section of the capillary tube.

Der Ausgleich äußerer Temperatureinflüsse durch entsprechende Wahl der thermischem Ausdehnungskoeffizienten von Füllungsflüssigkeiten und Behältermaterialien, gegebenenfalls durch Verwendung von Temperaturausgleichsbehältern, ist bekannt. Ebenfalls bekannt sind Maßnahmen zur Umsetzung einer Flüssigkeitsstandhöhe oder eines Gasdrucks in Zeigerainzeige.The compensation of external temperature influences through the appropriate choice of the thermal expansion coefficient of filling liquids and container materials, possibly through use of temperature equalization tanks is known. Also known are measures for Implementation of a liquid level or a gas pressure in a pointer display.

Hingewiesen sei noch auf die Möglichkeit der Herstellung einer veränderlichen Kapazität mittels der beschriebenen elektrostatischen Steuerungsein- gs richtungen, indem ein flüssiges Dielektrikum mehr oder minder tief in einen geeignet ausgebildeten Luftkondensator hineingedrückt wird.Attention should also be drawn to the possibility of producing a variable capacity by means of the described electrostatic control input directions by placing a liquid dielectric more or less deep in a suitably formed Air condenser is pushed in.

Die beschriebenen Einrichtungen als Schalter (Relais), Gleichrichter, Wechselrichter oder Spannungsanzeiger betrieben, bedeuten, bei der großen Spannungsfestigkeit und mechanischen Stabilität, wegen ihres gegenüber dem Bekannten um Größenordnungen erniedrigten Steuerleistungsbedarfes bei vermindertem betrieblichem Pflegeaufwand, einen wesentlichen technischen Fortschritt. Die Anwendungsmöglichkeiten in der Niederspannungstechnik, Starkstromtechnik und Hochspannungstechnik sowie in jeder Art der Steuerungstechnik und Speichertechnik sind offensichtlich.The devices described as switches (relays), rectifiers, inverters or voltage indicators operated, mean, with the high dielectric strength and mechanical stability, because of their tax performance requirements, which are lower by orders of magnitude compared to the known reduced operational maintenance costs, a significant technical advance. The possible uses in low voltage technology, high voltage technology and high voltage technology as well as in every type of control technology and storage technology are obvious.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Arrangement for electrical switches (relays), voltage indicators and similar electrical ones Components, characterized in that at the boundary of two dielectrics with different dielectric constants in the electric field occurring electrostatic force effect for controlling switches (relays), for voltage display or for implementation other secondary processes is used.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that that the electric field is perpendicular to two or more layers of liquid, gaseous or solid dielectrics,

penetrated obliquely or parallel to the normal of the boundary surfaces of the dielectrics, with at least two of the adjoining dielectrics have different dielectric constants to have.

3. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that one of the dielectrics a polar substance with a molecular dipole moment and a corresponding dependence on it Dielectric constant of the effective electric field strength, where the due to the degree e effect taking effect inside the dielectric substance Force action is used to actuate secondary processes.

4. Arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that when using a polar substance as at least one dielectric depending on the dielectric constant from the electric field strength becoming effective, through the value of the ratio, which is now dependent on this field strength the dielectric constant at the interface with another dielectric, a voltage dependence of the force at this interface arises, which for the linearization of the force effects on further dielectric Boundaries or to limit or reverse the direction of the resulting Force effect is used.

5. Arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that a membrane as Dielectric on both sides or at least on one side of other gaseous or liquid Dielectrics is surrounded, with at least one of the interfaces of the membrane a crack the dielectric constant is present, which in the electric field changes from the higher to the lower Dielectric constant directed force effect on the membrane leaves.

6. Arrangement according to claims 1 to 5, characterized in that on the two Boundaries of a dielectric membrane to adjoining liquid or gaseous dielectrics each have such a jump Dielectric constant is present that in the effective electric field on these Jump points of the dielectric constant occurring force effects rectified hit the membrane.

7. Arrangement according to · Claims 1 to 6, characterized characterized in that the dielectric constants of two adjoining dielectrics are in a ratio of 3: 1.

8. Arrangement according to claims 1 to 7, characterized in that the dielectric Membrane made of a plastic film consists of cellulose hydrate, polyethylene, polyvinyl chloride or other film-forming plastics, optionally with admixtures of ground Titanium dioxide or similar substances, through which a desired dielectric constant of the membrane material is set. ■

9. Arrangement according to claims 1 to 8, characterized in that the dielectric The membrane is sealed with the adjacent gaseous or liquid dielectrics Is located in which the electrodes are also installed, between which the Forms an electrostatic field that takes effect on the interfaces of the dielectrics.

10. Arrangement according to claims 1 to 9, characterized in that a stop is provided for the deflecting membrane, whose surface area is so dimensioned ..._, that the restoring force of the tensioned membrane, which has been bent up to the stop, the adhesive force between the membrane and the stop surface.

ιϊ. Arrangement according to Claims 1 to 10, characterized in that the force effects occurring due to the degree s effect cause the dielectric membrane to bend, which causes compressive or tensile forces in the adjacent liquid or gaseous dielectrics.

12. Arrangement according to claims 1 to 11, characterized in that the compressive or tensile forces of the liquid or gaseous dielectrics are transmitted through openings in the electrodes, which widen towards the rear in order to reduce the frictional resistance, into compensation spaces.

13. Arrangement according to claims 1 to 12, characterized in that one or more narrowed tubes (capillary tubes) are connected.

14. Arrangement according to claims 1 to 13, characterized in that there are mercury threads, mercury balls in the narrowed tube or tubes or other metal balls that are proportional to the compressive or tensile forces of the gaseous or liquid dielectrics the diaphragm movement, but compared to this increased in accordance with the area ratio the membrane area to the cross-section of the constricted tube.

15. Arrangement according to claims 1 to 14, characterized in that the mercury threads or mercury or metal balls in their displacement are limited by additional tube constrictions at the intended displacement limits by placing these local Pipe constrictions, although the compressive or tensile forces of the transmission media are effective let, but according to the surface tension of the mercury a passage of the Exclude mercury threads.

16. Arrangement according to claims 1 to 15, characterized in that the mercury threads effect contact connections or contact separations on built-in contacts.

17. Arrangement according to claims 1 to 16, characterized in that the mercury

threads are divided into two halves, between which an oil or inert gas filling exists so that the contact closings or contact separations under protective oil or protective gas take place.

18. Arrangement according to claims ι to i6, characterized in that the mercury balls or other acting as a switching element Metal balls surrounded by oil or a correspondingly effective hydrocarbon are, which in addition to its property as a contact protection agent at the same time as Lubricant works for the movement of the switching ball.

19. Arrangement according to claims 1 to 18, characterized in that the diameter of the tube in which the switching ball moves and the toughness of the lubricant, taking into account the adhesion between pipe material and lubricants are coordinated in such a way that the force effect. the The surface tension of the lubricant at its interface is greater than the weight of the Switching ball.

20. Arrangement according to claims 1 to 13, characterized in that in one of the capillary tubes, optionally with the interposition a mercury thread, a liquid is located, the level of which is determined by the state of tension the membrane is determined and is therefore a calibrated measure for the applied voltage (static voltmeter).

21. Arrangement according to claims 1 to 20, characterized in that the quadratic degree e effect is effective for a voltage display is linearized in that the capillary tube is one with the height of the Liquid constantly increasing cross-section or, when measuring with an abbreviated scale, too has an abruptly variable cross-section.

22. Arrangement according to claims 1 to 21, characterized in that the movement of the liquid column in the constricted tube (Capillary tube) is transferred to a pointer system by known arrangements.

23. Arrangement according to claims 1 to 13, characterized in that the tensile or compressive forces of the dielectrics, optionally with the interposition of a mercury thread, the level of a liquid dielectric affect in a capacitor, so that an electrostatically controllable in size Capacity arises.

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