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Hochspannungsgenerator mit zwei eng aneinanderliegenden, gegenläufig
und schnell rotierenden Ladungstransportflächen aus Isolationsmaterial Die Erfindung
bezieht sich auf elektrostatische Hochspannungsgeneratoren, welche von Holtz, Toepler,
Wimshurst, Wommelsdorf, Joffe, Hochberg und Dahl entwickelt worden sind. Die bekannteste
Ausführungsform wird heute allgemein als Influenzmaschine bezeichnet und stammt
von Wimshurst. Solche Maschinen weisen folgende grundlegende Konstruktionsprinzipien
auf: Ladungstransport: Der Ladungstransport wird durch zwei Isolatorscheiben besorgt,
die mit einigen Millimetern Abstand gegenläufig rotieren, wie dies von H o 1 t z
erstmalig an einer Maschine durchgeführt wurde. Bei sich selbst erregenden Maschinen
sind diese Isolatorscheiben mit leitenden Sektoren belegt. Beladungseinrichtung:
Die sogenannte Holtzsche Maschine zweiter Art, die mit zwei nicht belegten Isolatorscheiben
arbeitet, weist vier Sprühkämme auf, die einander im Winkelabstand von 9o° abwechselnd
auf den gegenüberliegenden Seiten der Scheiben folgen. Sie sind paarweise leitend
miteinander verbunden, so daB die Hälfte des Umfanges der Scheiben leitend überbrückt
ist und zum Aufbau der Spannung nicht mehr benutzt werden kann. Die Scheiben werden
durch die Sprühkämme, die gleichzeitig als Konduktoren dienen, mit Hilfe des Ladungsfeldes
umgeladen.
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Bei der mit leitenden Sektoren auf den Scheiben arbeitenden Wimshurstschen
Influenzmaschine wird durch zwei feststehende, leitende, auf den Sektoren
schleifende
Ausgleicher, welche die Scheiben überqueren und schräg im Hauptfeld stehen, der
Ausgleich der durch das Ladungsfeld erzeugten Influenzladungen ermöglicht und so
eine zufällig vorhandene Anfangsladung vervielfacht. Die beiden als frei stehende
Sprühspitzen ausgebildeten Konduktoren befinden sich dort, wo das Ladungsfeld nach
außen verläuft, d. h. wo sich auf beiden Scheiben gleichnamige Ladungen gegenüberstehen.
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Unter Hauptfeld ist dabei das elektrische Feld zwischen den auf Hochspannung
gegeneinander befindlichen Konduktoren zu verstehen, unter Ladungsfeld das elektrische
Feld der Ladungen auf den Ladungstransportflächen. Die Konduktoren sind leitende
Körper, auf welchen die gegen das Hauptfeld transportierten Ladungen gesammelt werden
und von denen die so erzeugte Hochspannung entnommen werden kann.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gesetzt, insbesondere um den Hochspannungsgeneratoren
erweiterte Verwendungsmöglichkeiten zu erschließen, diese so auszubilden, daß sowohl
die entnehmbaren Spannungen als auch die Stromstärken wesentlich erhöht werden können
gegenüber denen bei bisher bekannten derartigen Maschinen gleicher Größe.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe insonderheit durch die besondere
Ausbildung der Ladungstransporteinrichtung und der Beladungseinrichtung.
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Ladungstransport: Der Ladungstransport wird durch zwei gegenläufige,
beispielsweise als Kreisscheiben ausgebildete Ladungstransportflächen besorgt, die
nicht poliert zu sein brauchen und keinerlei Belegungen aufweisen. Die Rotationsgeschwindigkeit
wird zweckmäßig so hoch gewählt, daß die Ladungstransportflächen infolge der Zentrifugalwirkung
und der Reibung in dem umgebenden Medium völlig glatt laufen und einander, im Gegenstz
zu den alten Maschinen, bis auf kleinste Entfernungen genähert werden können, ohne
daß sie sich berühren. Diese Annäherung, möglichst auf einige Zehntel Millimeter,
wird deshalb erstrebt, weil die Ladungsdichte auf den Ladungstransportflächen und
damit der Strom um so mehr gesteigert werden kann, je dünner die Schicht zwischen
den Ladungstransportflächen, d. h. je kleiner deren Abstand ist. Dem liegt die physikalische
Gegebenheit zugrunde, daß die Durchbruchsfeldstärke in Gasen im homogenen Feld bei
Verkleinerung der Schlagweite ansteigt. In Luft unter Normalbedingungen wirkt sich
dieser Effekt bei Schlagweiten unterhalb 2 mm bereits merklich aus.
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Beladungseinrichtung: Ausgleicher sind nicht vorhanden. Das Hauptfeld
ist also frei von metallischen Teilen, welche die Überschlagspannung zwischen den
Konduktoren herabsetzen könnten. Um die Beladungsvorgänge vom Hauptfeld weitgehend
unabhängig zu machen, d. h. um einen von der Spannung möglichst unabhängigen Strom
zu bekommen, sind die Konduktoren als Faradaykäfige ausgebildet, d. h. als geschlossene
Leiteroberflächen, in deren Innerem das elektrische Feld unabhängig von der Ladungsdichte
und Ladungsverteilung auf der Oberfläche ist. Sie umschließen - wie beispielsweise
bei den van-de-Graa.ff-Generatoren - jeweils die Sprühkämme, die die Ladungstransportflächen
nicht berühren und derart in Bewegungsrichtung der Ladungstransportflächen gegeneinander
um einen kleinen Betrag versetzt sind, daß jeweils die Ladung einer Ladungstransportfläche
dem der anderen Ladungstransportfläche zugeordneten Sprühkamm das Erregungsfeld
liefert, bevor sie an dem ihr zugeordneten Sprühkamm abgenommen und durch solche
entgegengesetzten Vorzeichens ersetzt wird. Im Gegensatz zu der bekannten Holtzschen
Maschine zweiter Art sind hier die jeweils leitend miteinander verbundenen Sprühkämme
nicht um go° gegeneinander versetzt, sondern um einen Betrag von der Größenordnung
der Dicke beider Ladungstransportflächen, also nur um wenige Grad. Dadurch steht
praktisch der gesamte Umfang der Ladungstransportflächen zum Aufbau der Spannung
zur Verfügung. Zur Einleitung der Erregung wird kurzzeitig zwischen die Sprühkämme
und die diesen gegenüber angeordneten Elektroden eine Hilfsspannung gelegt, die
ausreicht, die Sprühkämme zum Sprühen zu zwingen. Diese Hilfsspannung kann nach
nur einem Umlauf der Ladungstransportflächen wieder abgeschaltet werden, weil dann
die Ladungen auf den Ladungstransportflächen die Funktion der aufgeladenen Elektroden
übernehmen.
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Weitere Merkmale der Erfindung und Einzelheiten der durch dieselbe
erzielten Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung, aus der insonderheit die Verteilung
der Ladungen auf den einzelnen Teilen des erfindungsgemäßen Hochspannungsgenerators,
der hier beispielsweise als zweipoliger Generator mit diametral gegenüberliegenden
Sprühkämmen dargestellt ist, ersichtlich ist.
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Die beiden gegenläufigen, als Kreisscheiben ausgebildeten Ladungstransportflächen
z sind als konzentrische Kreise dargestellt. Die Ladungstransportflächen bestehen
aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff, brauchen nicht poliert zu sein und weisen
keinerlei Belegungen auf. Ausgleicher sind keine vorhanden. Die Konduktoren 2 und
3 sind als Faradaykäfige ausgebildet, die die Sprühkämme 4 und 5 umschließen, die
die Ladungstransportflächen nicht berühren und in Bewegungsrichtung der Ladungstransportflächen
derart gegeneinander versetzt sind, daß die Ladung einer Ladungstransportfläche
jeweils dem der anderen Ladungstransportfläche zugeordneten Sprühkamm das Erregungsfeld
liefert, bevor sie an dem ihr zugeordneten Sprühkamm abgenommen und durch solche
mit entgegengesetztem Vorzeichen ersetzt wird. Die Versetzung der beiden leitend
miteinander verbundenen Sprühkämme hält sich dabei in der Größe eines Betrages von
der Größenordnung der Dicke der beiden Ladungstransportflächen, also um wenige Grad.
Dadurch steht praktisch der gesamte Umfang der Ladungstransportflächen zum Aufbau
der Spannung zur Verfügung. Den Sprühkämmen 4 gegenüber sind Elektroden 6 angeordnet.
Zwischen die Sprühkämme 4 und die Elektroden 6 wird zur Einleitung der Erregung
kurzzeitig eine Hilfsspannung gelegt; etwa 8 kV bei Luft unter Normalbedingungen,
die ausreicht, die Sprühkämme 4 zum Sprühen zu zwingen. Nach nur einem Umlauf der
Ladungstransportflächen z kann die Hilfsspannung schon wieder abgeschaltet
werden,
weil dann die Ladungen auf den Ladungstransportflächen i die Funktion der einmalig
aufgeladenen Elektroden 6 übernehmen.
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Bei dem erfindungsgemäßen selbsterregten Hochspannungsgenerator erfolgt
also die Einleitung der Erregung, die Anfangserregung durch eine Fremdspannung,
deren Polung gleichzeitig die Polung des Hochspannungsgenerators bedingt. Eine an
sich mögliche vollkommen selbsttätige Anfangserregung, d. h. eine Anfangserregung
ohne Fremdspannung, ist im Normalfall nicht vorgesehen, um reibende Teile, Witterungseinflüsse
sowie Unsicherheiten in der Polung des Hochspannungsgenerators auszuschalten. Selbst
grobe Verschmutzungen und sogar Beschädigungen der Ladungstransportflächen bleiben
ohne meßbaren Einfluß auf Strom und Spannung. Der Grund dafür liegt in der hohen
Rotationsgeschwindigkeit der Ladungstransportflächen sowie der optimalen elektrostatischen
Ausbildung und Anordnung aller Teile der Beladungseinrichtung, insbesondere der
Konduktoren.