Hochspannungsquellen - Physikdidaktik Uni Bayreuth

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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Leybold-Heraeus GmbH. Gebrausanweisung 52237 / Hochspannungsnetzgerät