Vorsicht, Hochspannung!

Der Kelvinsche Wassertropfengenerator

Statische Elektrizität wird meistens durch Reibung erzeugt und kann Spannungen von mehreren tausend Volt erreichen. Zwei Beispiele aus dem Alltag: Man zieht sich einen Pullover aus und es knistert. Oder man läuft mit isolierenden Schuhen über einen Teppichboden, faßt dann an einen Metallgegenstand und bekommt eine "gewischt". Meistens ist statische Elektrizität unerwünscht und wird daher versucht zu vermeiden, da sie empfindliche elektronische Schaltkreise zerstören kann oder durch den Entladungsfunken sogar Explosionen auslösen kann, wenn der Entladungsfunke auf ein brennbares Gasgemisch trifft (bekanntestes Beispiel: Der Absturz des Luftschiffs "Hindenburg" in Lakehurst 1937).

Zur gezielten Erzeugung von elektrostatischer Hochspannung exisitieren verscheidene Arten von Generatoren. Der Bandgenerator dürfte den Meisten wohl aus dem Physikunterricht bekannt sein. Weniger bekannt und besonders erstaunlich ist, daß auch Wassertropfen Hochspannung erzeugen können. Das Prinzip des "Wassertropfengenerators", auch Kelvin-Generator genannt, wurde 1867 durch den britischen Physikers William Thomson beschrieben und beruht auf einer positiven Rückkopplung von Ladungsverschiebungen. Das Funktionsprinzip ist hier und bei Wikipedia ausführlich beschrieben, so daß ich mir die theoretischen Hintergründe an dieser Stelle erspare und lieber gleich zum spannenderen, praktischen Teil übergehe. ;-)

Dazu habe ich mir aus Holzresten, 2 kleinen Konservendosen, etwas Draht, und einer Plastikbox folgende einfache Vorrichtung gezimmert:


 

Das Wasser läuft von oben aus der Plastikbox in die beiden unteren Blechdosen, die zur elektrischen Isolierung auf zwei umgedrehten Plastik-Untersetzern stehen. An jede Dose ist ein Stück Draht angelötet, dessen oberen Enden jeweils ein Ring aus 3 Drahtwindungen angebracht ist. Die Drahtstücke sind so gebogen und ausgerichtet, daß sie sich überkreuzen, aber nicht berühren; der Abstand zwischen den beiden Drähten beträgt am Kreuzungspunkt ca. 3-4 mm. Das Wasser läuft nun aus den als "Wasserhahn" mißbrauchten Kabeldurchführungen an der Unterseite der Plastikbox durch die Drahtringe in die darunter befindlichen Blechdosen. Durch Auf- und Zudrehen der Kabeldurchführungen an der Unterseite der Plastikbox kann der Wasserstrahl in gewissen Grenzen reguliert werden. Die Düsen sollten so eingestellt sein, daß der Wasserstrahl auf beiden Seiten etwa auf der Höhe der Drahtringe oder etwas darüber zu einzelnen Tropfen abreißt.

Während das Wasser aus beiden Düsen durch die Drahtringe in die Dosen läuft, laden sich die beiden Dosen elektrisch auf – die eine positiv, die andere negativ. Ist die Spannung groß genug, dann entlädt sie sich in Form eines kleinen Funkens zwischen den beiden Drähten. Dies ist auch als Knacken in dem links daneben befindlichen Radio zu hören, das auf den unteren Mittelwellen-Bereich eingestellt ist.

Rechts neben dem Versuchsaufbau befindet sich noch ein ebenfalls aus Reststücken (Marmeladenglas, Kabeldurchführung, Draht, 2 Streifen Alufolie, Metallbuchse) gebasteltes Elektroskop:


 

Dieses ist mit einer der Blechdosen elektrisch verbunden. Während die Ladung steigt, gehen die beiden Alustreifen immer weiter auseinander. Wenn dann nach einigen Sekunden die Spannung hoch genug ist und der Entladungsfunke überspringt, was im Radio als Knacken zu hören ist, fallen die beiden Alustreifen wieder zusammen, um dann erneut allmählich auseinanderzugehen, während die Ladung steigt. Das geht dann so lange, bis das Wasser in der oberen Box verbraucht ist.

In dem folgenden Videoclip ist dieser Vorgang ganz gut zu sehen:

Als Nächstes habe ich mal die Kaltkathodenröhre aus einem defekten Scanner an die beiden Blechdosen angeschlossen. (Man könnte auch eine Kompaktleuchtstofflampe ohne die darin befindliche Elektronikschaltung nehmen, wenn man gerade eine da hat.) Den Abstand zwischen den beiden diagonalen Drahtstücken habe ich dabei etwas vergrößert, damit dort kein Funke überspringt, sondern die Entladung stattdessen in der Leuchtstoffröhre stattfindet:


 

Immer wenn die Zündspannung der Röhre erreicht wird (einge kV), blitzt diese kurz auf. (Auch hier ist dann ein Knacken im Radio zu hören.)

In dem folgenden Video muß man allerdings schon sehr genau hinsehen, um das Aufblitzen der Röhre zu sehen:

Die von diesem Versuchsaufbau erzeugte Ladungsmenge ist übrigens so gering, daß man die Blechdosen ohne Weiteres anfassen kann, ohne etwas zu spüren.

Bei Youtube gibt's übrigens noch jede Menge mehr (und bessere) Videos dazu (Stichwort: Kelvin Water Dropper).


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