Hochspannungsquellen - Physikdidaktik Uni Bayreuth
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Didaktik der Physik Demonstrationsexperimente Handout zum Thema: Hochspannungsquellen Thilo Buhleier 26.01.2007 Inhaltsverzeichnis 1. Sicherheitshinweis.......................................................................................2 2. Der Bandgenerator......................................................................................2 2.1 Funktionsweise...........................................................................................3 2.2 Leybold vs. Phywe.....................................................................................3 2.3 Einsatzmöglichkeiten im Unterricht...........................................................4 2.4 Probleme und Wartung...............................................................................4 3. Der Funkeninduktor....................................................................................4 3.1 Aufbau und Funktion..................................................................................5 3.2 Einsatzmöglichkeit im Unterricht..............................................................6 4. Das Hochspannungsnetzgerät.....................................................................6 4.1 Einsatz von Hochspannungsnetzgeräten....................................................6 4.2 Hochspannungsnetzgerät von Phywe.........................................................6 4.3 Hochspannungsnetzgerät von Leybold......................................................7 2 1. Sicherheitshinweis Spannungen ab 1000 V gelten als Hochspannung. Dabei kann ein gefährlicher Stromfluss auftreten. Eine berührungsgefährliche Spannung ist entweder eine Gleichspannung, bei der ein Strom von mindestens 12 mA fließt, oder eine Wechselspannung, bei der ein Strom von mindestens 3 mA(eff.) fließt. Deswegen sind in der Schule folgende Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht zu beachten: Schüler bis einschließlich Jahrgangsstufe 10 dürfen bei Experimentiereinrichtungen, die berührungsgefährliche Teile enthalten, nur mit Spannungen arbeiten, die nicht berührungsgefährlich sind. Schüler oberhalb der Jahrgangsstufe 10 dürfen mit berührungsgefährlichen Spannungen in Experimentiereinrichtungen arbeiten, wenn das Lernziel mit ungefährlichen Spannungen nicht erreicht werden kann. Bei diesen Experimenten muss der Lehrer anwesend sein. Falls Schüler oberhalb der Jahrgangsstufe 10 an Experimentiereinrichtungen arbeiten, die berührungsgefährliche Teile enthalten, muss der Lehrer die Schaltung überprüfen und auf Gefahrenstellen hinweisen. Die Schüler sind über die hierbei vorhandenen Gefahren und über die Not-Aus-Schalter zu informieren. 2. Der Bandgenerator Durch den Bandgenerator können hohe Gleichspannungen bei verhältnismäßig geringen Leistungen erzeugt werden. Trotz der hohen Spannung sind die schulisch genutzten Bandgeneratoren ungefährlich, da deren Kurzschlussstrom im Bereich zwischen 10µA und 20µA liegt. Die Ladungstrennung wird hierbei durch Kontakt zweier Isolatoren verursacht. Welches der beiden Materialien nach dem Kontakt positiv (und welches negativ) geladen ist hängt von der Materialkombination ab. Materialien, die sich bei dem Kontakt positiv aufladen stehen in der triboelektrischen Reihe weiter oben: + positives Ende der Reihe Asbest Glas Nylon Wolle Blei Seide Aluminium Papier Baumwolle Stahl Hartgummi Nickel und Kupfer Messing und Silber Synthetischer Gummi Orlon Saran Polyethylen Teflon Silikon - negatives Ende der Reihe 1 2 Der Bandgenerator wurde 1929 von dem US-Amerikaner van de Graaff entwickelt und wird daher auch als „Van-de-GraaffGenerator“ bezeichnet. Der Aufbau eines Bandgenerators ist schematisch in Abb.1 dargestellt: Abbildung 1a: Bandgenerator/Typ11 http://users.physik.tu-muenchen.de/kressier/Versuche/ver2060i.html http://de.wikipedia.org/wiki/Bandgenerator Abbildung 1b: Bandgenerator/Typ22 3 2.1 Funktionsweise Typ1 (Abb. 1a): Das endlose Transportband 1 läuft über freitragend gelagerte Rollen. Die Oberfläche der Kunststoffrolle 3 wird beim Lauf durch kurzes Andrücken des Reibzeuges 2 positiv geladen. Diese positive Ladung influenziert auf dem oberen Band eine negative Ladung, die durch den Spitzenkamm 4 aufgesprüht wird. Infolge der Bandführung durch die Rollen liegt das obere Band dicht auf dem unteren Band auf, und bildet so mit letzteren einen Kondensator. Wegen dieser Wirkung ist die elektrische Ladungsdichte auf dem Band ein Vielfaches, gegenüber der Beladung bei nicht aufeinander laufenden Bändern. Die Trennung der Kondensatorbeläge in der Hohlkugel bewirkt den Übergang der negativen Ladung von Band auf die Kugel, denn bei Rolle 5 stehen sich jetzt zwei negativ geladene Bandseiten gegenüber. Die Ladung strebt über die Metallrolle auf die Oberfläche der Hohlkugel (Faraday Käfig). Bei Spitzenkamm 6 wird durch Influenz weiterhin negative Ladung auf die Hohlkugel abgezogen. Daher führt das aus der Hohlkugel nach unten führende Band positive Ladung mit sich, deren Menge bei der Schneide 7 noch vergrößert wird. Sie erhält die positive Ladung der Rolle 3 aufrecht. Typ2 (Abb. 1b): Bandgeneratoren des Typs 2 funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip. Der wesentliche Unterschied bei diesem Aufbau besteht darin, dass hier die Aufladung des Transportbands an dem Kontakt zwischen Erregerwalze (obere Walze) und Band geschieht. 2.2 Leybold vs. Phywe Da der Bandgenerator ein technisch recht einfaches Gerät ist unterscheiden sich die Geräte verschiedener Marken kaum. Hier werden nun kurz zwei der gängigsten Geräte (von den Herstellern Phywe und Leybold) verglichen. Bei beiden wird eine kleine Konduktorkugel mitgeliefert mit deren Hilfe kontrollierte Funkenschläge erzeugt werden können. Die beiden Bandgeneratoren werden von einem Motor angetrieben; das Gerät von Phywe kann aber auch durch eine Handkurbel betrieben werden. Im weiteren folgt ein kurzer Vergleich der technischen Daten: Phywe: Technische Daten: • Metallkugeldurchmesser: 210 mm • max. Ausgangsspannung: 150 ... 200 kV • Anschlussspannung: 230 V • Inkl. Konduktorkugel (d = 80 mm) auf Stiel mit Isolierfuß, Neonröhrchen und 50-cm-Anschlussleitung Leybold: Technische Daten: • Metallkugeldurchmesser: 190 mm • max. Ausgangsspannung: 100 kV • Anschlussspannung: 230 V • Inkl. Konduktorkugel (d = 90 mm) auf Stiel mit Isolierfuß, zwei Experimentierkabel 4 2.3 Einsatzmöglichkeiten im Unterricht Die Einsatzmöglichkeiten des Bandgenerators in der Elektrizitätslehre sind vielseitig. Er kann benutzt werden bei den Themen elektrisches Feld, Influenz und Ladungstrennung. Mögliche Demonstrationen sind hierbei der Ladungsausgleich über eine Konduktorkugel, das Aufleuchten von Röhren/Glimmlämpchen im elektrischen Feld, sowie das Aufstellen der Haare einer Versuchsperson. Ladungsausgleich über Konduktorkugel: Aus einer Entfernung von ca. 10 cm nähert man die Konduktorkugel langsam dem laufenden Bandgenerator. Ab einer bestimmten Entfernung Bandgenerator – Kugel sind Funkenschläge zu beobachten. Zur besseren Visualisierung empfiehlt es sich den Raum etwas abzudunkeln. Aufleuchten von Röhren/Glimmlämpchen: In der Nähe des Bandgenerators können durch dessen elektrisches Feld Leuchtstoffröhren und Glimmlampen zum leuchten angeregt werden. Hierbei muss die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Röhre mindestens so groß sein wie die Zündspannung der Röhre. Durch die Glimmlampe kann auch die Polarisation des Bandgenerators festgestellt werden. Bei negativer Ladung der Metallkugel leuchtet die dem Generator zugewande Seite des Glimmlämpchens. Auch bei dieser Demonstration empfiehlt es sich den Raum zur Visualisierung abzudunkeln. Aufstellen der Haare einer Versuchsperson: Eine Versuchsperson mit langen, dünnen und glatten Haaren, die frisch gewaschen sein müssen, stellt sich auf einen isolierten Untergrund. Mit einer Stativstange fasst sie an die Kugel des Bandgenerators. Der Generator wird nun eingeschaltet und der Person sträuben sich die Haare. Nach dem Versuch sollte sich die Versuchsperson (solange sie noch auf der Isolierung steht) mit der Stativstange an einer Erdung entladen. Alternativ dazu könnte man auch Streifen aus einer Mülltüte ausschneiden und mit den Streifen ein Folienbüschel bilden. Nimmt man dieses in die Hand richten sich die Streifen im Büschel auf. 2.4 Probleme und Wartung Der Bandgenerator funktioniert umso schlechter je höher die Luftfeuchtigkeit ist. Ab einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70% ist die Funktion des Bandgenerators nicht mehr gewährleistet. Das Gerät selbst muss ebenfalls möglichst trocken gehalten werden. Ist der Generator (z.B. durch Kondensation) feucht geworden kann er mit einem Föhn getrocknet werden. Weitere Störungen des Geräts könnten von der Verschmutzung der Rollen oder des Bands herrühren. Die Reinigung kann bei älteren Geräten mit einem benzingetränkten Lappen vorgenommen werden. Bei neueren Geräten sollte man nur zugelassne Lösungsmittel verwenden. Eventuell muss auch der technische Aufbau des Bandgenerators kontrolliert und geändert werden. Veränderliche Komponenten sind hierbei die Spannung des Transportbands sowie die Entfernung der Spitzkämme. 3. Der Funkeninduktor Achtung: Der Funkeninduktor ist gefährlich! Je nach Gerät und Bauart kann der Funkeninduktor sogar tödlich sein. Die berührungsgefährlichen Stellen liegen offen und sind nicht abgeschirmt. Des Weiteren ist es zu vermeiden mit dem Finger oder sonst einem 5 Gegenstand auf das laufende Gerät zu deuten um einem Funkenschlag aufgrund des Spitzeneffekts zu vermeiden. Der Funkeninduktor ist ein historisches Gerät zur Erzeugung hoher Spannungen. Vor seiner Entwicklung konnten hohe Spannungen nur durch Kontaktelektrizität erzeugt werden. Im Funkeninduktor wird die Hochspannung durch einen Transformator erzeugt. 3.1 Aufbau und Funktion Der Aufbau wird in folgender Abbildung schematisch dargestellt: Abbildung 2: Funkeninduktor3 Der Funkeninduktor besteht aus einem Primär- und einem Sekundärstromkreis. Im Primärstromkreis befindet sich ein Unterbrecherkontakt (Wagnerscher Hammer). Der Wagnersche Hammer besteht aus einem Schalter und einem Elektromagneten. Ist der Stromkreis geschlossen zieht der Elektromagnet den Anker des Schalters an und der Stromkreis wird unterbrochen. Wenn der Stromkreis unterbrochen ist wird der Schalter nicht mehr vom Elektromagnet angezogen und durch eine Feder in seine Ausgangsposition zurückgedrückt. Der Stromkreis schließt sich wieder und der Elektromagnet zieht den Unterbrecher erneut an. Der Strom im Primärkreislauf wird also kontinuierlich unterbrochen und wieder aufgebaut. Um den Eisenkern herum ist die Primärspule mit wenigen Windungen gewickelt und um die Primärspule ist (isoliert von der Primärspule) die Sekundärspule mit vielen Windungen gewickelt. Das veränderliche Magnetfeld im Eisenkern induziert in der Sekundärspule eine Spannung. Für das Verhältnis von Primär- zu Sekundärspannung gilt: Usek Nsek -------- = ------Uprim Nprim Die in der Sekundärspule induzierte Spannung ist so hoch, dass es an der Funkenstrecke zu Funkenschlägen kommt. 3 http://www.technodoctor.de/funkeninduktor.htm 6 3.2 Einsatzmöglichkeit im Unterricht Der Funkeninduktor ist im Bereich der Elektrizitätslehre zu den Themen elektrische Felder und Transformatoren einsetzbar. Neben der einfachen Demonstration des Funkenschlags kann auch noch ein Stück Papier in die Funkenstrecke gebracht werden. Nimmt man den Induktor dann in Betrieb, so fängt das Papier Feuer. 4. Das Hochspannungsnetzgerät 4.1Einsatz von Hochspannungsnetzgeräten Hochspannungsnetzgeräte können eingesetzt werden - zu Versuchen der Elektrostatik - zu Untersuchungen der Leitfähigkeit der Luft - zur Versorgung von Elektronenstrahlröhren, Gasentladungsröhren, Ionisationskammern... Bei der Nutzung von Hochspannungsnetzgeräten sollten folgende Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden: - Gerät erst einschalten, wenn die Schaltung fertiggestellt ist - Drehknopf zur Spannungsreglung vor dem Einschalten des Geräts auf Null stellen - Eingriffe in die Schaltung nur bei unterbrochener Verbindung zum Netzgerät vornehmen Bei einem unsachgemäßen Versuchsaufbau mit dem Hochspannungsnetzgerät können berührungsgefährliche Stellen auftreten Deshalb dürfen Hochspannungsnetzgeräte nur von Fachkräften betrieben werden. Als Fachkraft... gilt, wer aufgrund seiner fachlichen Ausbildung, Kenntnisse und Erfahrungen sowie Kenntnis der einschlägigen Bestimmungen hat und die ihm übertragenen Arbeiten beurteilen und mögliche Gefahren erkennen kann. (Lt. VDE 0105 Teil 1, 5.75) Um eine Strombegrenzung im Verbraucherstromkreis zu schaffen kann ein hochohmiger Widerstand hinter den Hochspannungsausgang geschaltet werden. Für einen Widerstand von 50 MΩ bedeutet dies z.B., dass bei einer Spannung von 10 kV ein Strom von 0,2 mA fließt. 4.2 Hochspannungsnetzgerät von Phywe (Gleichspannungsnetzgerät) Abbildung 3: Hochspannungsnetzgerät / Phywe4 4 Phywe Systeme GmbH. Betriebsanleitung 13671.93 / Hochspannungsnetzgerät 7 Das Hochspannungsnetzgerät von Phywe liefert eine erdfreie, stufenlos regelbare Gleichspannung im Bereich von 0 kV bis 25 kV. Der maximale entnehmbare Strom ist aus Sicherheitsgründen auf 0,5 mA (= Kurzschlussstrom) begrenzt und die maximale Entladungsenergie beträgt 150 mJ. Die Gleichspannungsanschlüsse sind zwei berührungssichere Spezialsicherheitsbuchsen. Bei Bedarf kann über die Erdungsbuchse wahlweise der positive oder negative Pol geerdet werden. Bei ungeerdeter Entnahme der Hochspannung sollten hochspannungsfeste Verbindungsleitungen benutzt werden. Unzureichen isolierten Verbindungsleitungen führen zum Zusammenbrechen der Ausgangsspannung; es kann zu Funkenschlägen zwischen den Leitungen kommen, dabei verschmort punktweise die Isolierung. 4.3 Hochspannungsnetzgerät von Leybold (Gleichspannungsnetzgerät) Abbildung 4: Hochspannungsnetzgerät / Leybold5 Das Gerät hat vier Hochspannungsbuchsen. Buchse 4 ist die Erdungsbuchse. Die Entnahme der Gleichspannung ist davon abhängig welche Buchsenpaare benutzt werden: Buchsenpaar 6/5: 0 V...+3000 V Buchsenpaar 7/6: -3000 V...0 V Buchsenpaar 7/5: -3000 V... 0 V...+3000 V 0 V...6000V Der maximal entnehmbare Strom (Kurzschlussstrom) beträgt 2,5 mA. Wichtig: Unmittelbar nach dem Ausschalten des Geräts sollten unisolierte Teile der Schaltung nicht berührt werden, da die Ausgangsspannung erst nach etwa 10 Minuten auf Null abgesunken ist. 5 Leybold-Heraeus GmbH. Gebrausanweisung 52237 / Hochspannungsnetzgerät
