Influenzmaschine

Influenzmaschinen sind elektrostatische Generatoren, die zur Spannungserzeugung das Prinzip der Trennung elektrischer Ladungen durch Influenz nutzen. Im Gegensatz zu elektrodynamischen Generatoren nutzen Influenzmaschinen die Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf elektrische Ladungen.

Geschichtliche Entwicklung und Typen

Elektrophor

Der schwedische Physiker Johan Carl Wilcke beschrieb 1762 erstmals den sogenannten Elektrophor, der als erste Influenzmaschine gilt. Alessandro Volta entwickelte ihn 1775 weiter, sodass er für Experimente besser genutzt werden konnte. Der ursprüngliche Elektrophor liefert konstruktionsbedingt keine kontinuierliche Gleichspannung.

Im Jahre 1865 mechanisierte Wilhelm Holtz die Funktionsweise des Elektrophors, um kontinuierliche Gleichspannungen zu liefern. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts lieferten Influenzmaschinen dauerhaftere und gleichmäßigere Hochspannung als die zuvor verwendeten Elektrisiermaschinen, die Reibungselektrizität nutzten.

Kelvin-Generator

Eine eigene Form der Nutzung von Influenz hat Lord Kelvin 1867 mit seinem Kelvin-Generator gefunden. In diesem so genannten Wassertropfengenerator wird die Influenz in Wassertropfen zur Trennung elektrischer Ladungen eingesetzt, wodurch Spannungen von bis zu 20 kV erzeugt werden können.

Wimshurstmaschine

Der Erfinder James Wimshurst konstruierte ab 1878 die nach ihm benannte Wimshurstmaschine mit mehreren parallel auf einer Achse angebrachten und gegensinnig rotierenden Scheiben, die eine kontinuierliche Gleichspannung liefern konnte. Sie diente unter anderem zur Stromversorgung von Röntgenröhren Anfang des 20. Jahrhunderts. Damit können Spannungen bis ca. 100 kV erzeugt werden. Für größere Spannungen reichen in typischen Aufbauten die Längen der Isolationsstrecken nicht mehr aus und es kommt zu Überschlägen.

Bei der Wimshurstmaschine wird die hin- und hergehende Bewegung durch eine rotierende ersetzt, um die Kräfte beim Beschleunigen und Bremsen zu eliminieren.

Pelletron

Moderne Vertreter der Influenzmaschine sind Pelletrons, die in Teilchenbeschleunigern zum Einsatz kommen. Sie gleichen in ihrem Aufbau einem Bandgenerator, besitzen jedoch anstelle des Bandes eine isolierende Kette, an der Rohrstücke oder Kugeln befestigt sind. Pelletrons können Spannungen bis zu 32 MV erzeugen.

Funktionsweise

Alle Influenzmaschinen beruhen auf dem Prinzip der Ladungsverschiebung und -trennung mittels Influenz, indem von der Umgebung isolierte elektrische Leiter im Einflussbereich elektrischer Felder bewegt werden. Infolge der Wirkung des elektrischen Feldes auf elektrische Ladungen im leitfähigen Körper kommt es dabei aufgrund der Influenz zu einer Ladungsverschiebung innerhalb des metallischen Leiters. Durch eine räumliche Bewegung des metallischen Leiters, wobei Arbeit gegen die elektrischen Feldkräfte verrichtet werden muss, kombiniert mit zeitlich synchronisierten elektrischen Kontakt- und Trennvorgängen, welche je nach Typ der Influenzmaschine verschiedenartig ablaufen, werden so Gleichspannungen im Bereich einiger 100 V bis zu 100 kV erzielt.

Höhere Spannungen sind mit einfachen Demonstrationsgeräten nicht erreichbar, weil die Isolationswiderstände der Aufbauten dafür zu gering sind, und weil es außerdem zu Sprühentladungen wie der Koronaentladungen an den spitzen Ecken und Kanten der elektrischen Leiter kommt, weil die räumlichen Abstände für höhere Spannungen zu gering sind.

Wirkungsgrad

Die Entwicklung der Influenzmaschine wurde im 19. Jahrhundert vor allem durch vielfältige experimentelle Verbesserungen einzelner Komponenten vorangetrieben, mit dem Ziel mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Als elektrostatische Generatoren liefern sie sehr geringe Ströme bei hohen Spannungen und verlieren Energie vor allem durch Leckströme, Koronaentladung, inhärente Funkenbildung und mechanische Reibung. Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Situation von Victor Schaffers folgendermaßen beschrieben:

„Elektrostatische Maschinen haben alles, was sie bei modernen Physikern unbeliebt macht. Sie eignen sich schlecht für Berechnungen, noch weniger für Präzisionsmessungen; ihre Theorie bietet keinerlei Anhaltspunkte für nützliche Verallgemeinerungen; und schließlich wurden sie noch nie für bedeutende industrielle Anwendungen eingesetzt.“

– Victor Schaffers: La Machine à Influence, son Évolution, sa Théorie. Gauthier-Villars, Paris, 1908^[1]

Tatsächlich war der Wirkungsgrad der Influenzmaschinen nur schwer einer theoretischen Analyse zugänglich. Erst das von Robert Wichard Pohl im 20. Jahrhundert angegebene übersichtliche Funktionsmodell ermöglichte eine Trennung systemischer (inhärenter) Verluste und hochspannungsbedingter parasitärer Erscheinungen^[2]. Eine elementare analytische Betrachtung zeigte, dass der maximal mögliche theoretische Wirkungsgrad konventionell betriebener Influenzmaschinen auf 50 % begrenzt ist.^[3] Das Funktionsmodell von Pohl erklärt die Übertragung von Ladungen auf eine kapazitiv unterstützte externe Last. Historisch bemerkenswert ist, dass eine von James Clerk Maxwell skizzierte Verbesserung des Wirkungsgrades durch Umgehung der systemischen Verluste^[4] von den Zeitgenossen kaum beachtet und auch nicht erfolgreich experimentell untersucht wurde.^[5]

Pseudowissenschaftliche Beschreibungen

Aufgrund der manchmal nicht offensichtlichen Funktionsweise von Influenzmaschinen halten sich hartnäckig Gerüchte, nach denen Effekte außerhalb der bekannten Physik für deren Funktion verantwortlich sein sollen. Jedoch sind dafür keine anderen als die in der Elektrostatik bekannten Gesetzmäßigkeiten nötig. In einigen Sekten und in Parawissenschaften werden Abwandlungen von Influenzmaschinen als Basis von Antrieben für fliegende Untertassen (sogenannte „Levitationsscheiben“) oder als Overunity-Maschinen zur Energiegewinnung gezeigt.

Literatur

Gottlieb Christoph Bohnenberger: Beschreibung unterschiedlicher Elektrizitätsverdoppler von einer neuen Einrichtung, nebst einer Anzahl von Versuchen über verschiedene Gegenstände der Elektrizitätslehre, etc. Tübingen 1798.
Wilhelm Holtz: Über eine neue Elektrisirmaschine. In: Johann Poggendorff, C. G. Barth (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Band 126. Leipzig 1865, S. 157 - 171.
Wilhelm Holtz: Über die höhere Ladung isolierender Flächen durch Seitenanziehung und die Übertragung dieses Princips auf die Construction von Influenz-maschinen. In: Johann Poggendorff, C. G. Barth (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Band 130. Leipzig 1867, S. 128 - 136.
Wilhelm Holtz: Zur Influenzmaschine. In: F. Poske (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Julius Springer, Berlin 1904 (siebzehnter Jahrgang, viertes Heft).
O. Lehmann: Dr. J. Fricks physikalische Technik. Band 2. Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1909, S. 797 (Abteilung 2).
F.Poske: Neue Formen von Influenzmaschinen. In: F. Poske (Hrsg.): Zeitschrift für den physikalischen und chemischen Unterricht. Julius Springer, Berlin 1893 (siebter Jahrgang, zweites Heft).

Weblinks

Selbstlernsequenz zur Influenzmaschine, in Chemgapedia, mit vielen Fotos und einem 10-minütigen Film. (archiviert, Stand 12. April 2021)
de Queiroz, Antonio Carlos M., "Electrostatic Machines": Nachbauten und Übersicht über viele Varianten (engl.)
Influenzmaschine von Wimhurst (dt.)
Nachbau der ersten Bohnenberger-Maschine (engl.)