Demonstrationsexperimente zum Arbeitsgebiet Nichtlineare Systeme und Strukturbildung

Dr. J. Berkemeier, Prof. Dr. H.-G. Purwins

Influenzmaschine

Das Experiment wird mit der Influenzmaschine (Whimshurst-Maschine) der Firma Leybold Didactic GmbH, Bestellnummer 54165, durchgeführt.

Technische Daten der Influenzmaschine:

• Funkenlänge: max. 12 cm
• Durchmesser: 31 cm
• Abmessungen: 29 cm x 36 cm x 45 cm (T x B x H)
• Masse: 3,4 kg
• Kurzschluss-Strom max.: <= 30 µA

Aufbau

Die Influenzmaschine (Abb. 1) besteht aus zwei gegenläufig rotierenden Kunststoffscheiben, die mit Staniolstreifen (Abb. 2: A1 und B1) belegt sind. Zwei Querleiter (Abb. 2: C und D) verbinden auf der Vorder- und Rückseite über Metallpinsel (Abb. 2: C1, C2, D1 und D2) gegenüberliegende Streifen elektrisch miteinander. Die Querleiter sind um etwa 45° gegen die Waagrechte geneigt und der vordere und der hintere stehen etwa senkrecht zueinander. An beiden Seiten, vorne und hinten, befinden sich vier Metallbürsten (Abb. 1c; Abb. 2: E1 und E2), die einige Millimeter von den Scheiben entfernt angebracht sind. Die Bürsten sind elektrisch leitend mit den Elektroden (Abb. 2: F), sowie über die Schalter (Abb. 2: H) mit den Leidener Flaschen (Abb. 2: J) verbunden. Die Klemmen (Abb. 2: L) sind mit den Böden der Leidener Flaschen verbunden. Sie sind normalerweise mit einer Drahtbrücke kurzgeschlossen. Angetrieben werden die Kunststoffscheiben durch eine Kurbel auf der Rückseite (Abb. 1b).

Prinzip

Eine durch Fluktuationen bedingte schwache Aufladung der Staniolstreifen wird bei der gegenläufigen Rotation der Scheiben durch Influenzvorgänge verstärkt, bis es zu Funkenschlägen an den Elektroden (Abb. 2: F) kommt.

Wenn beispielsweise der Metallbelag A1 auf der vorderen Scheibe gegenüber dem Pinsel D1 positiv aufgeladen ist, wird auf dem gegenüberliegenden Metallbelag B1 auf der hinteren Scheibe eine negative Ladung influenziert und eine gleich große positive Ladung fließt über die Pinsel D1 und D2 und den Querleiter D zum diametral gegenüberliegenden Metallbelag B1 ab. Dort bindet sie auf den gegenüberliegenden Metallbelag A1 eine entsprechende negative Ladung.

Nunmehr wird die hintere Scheibe so gedreht, dass der zuerst erwähnte negativ aufgeladene Belag B1 gegenüber dem Pinsel C1 zu liegen kommt. Auf dem dort befindlichen Belag A1 auf der vorderen Scheibe wird nun eine positive Ladung influenziert, während die entsprechende negative Ladung über die Pinsel C1 und C2 und den Querleiter C zur diametral gegenüberliegenden Belegung A1 abgeleitet wird. Dort wiederum bindet sie auf dem gegenüberliegenden Belag B1 auf der hinteren Scheibe eine positive Ladung.

Nach diesem Schritt wird die Drehung der vorderen Scheibe betrachtet, die den unter dem Pinsel C1 befindlichen positiv aufgeladen Belag A1 in die Stellung dem Pinsel D1 gegenüber befördert.

Diese beiden Schritte erfolgen gleichzeitig. Auf der vorderen Scheibe werden, unter dem Einfluss der Ladungen auf der hinteren Scheibe, unter den Pinseln C1 bzw. C2 Ladungen influenziert. Diese Ladungen werden, nachdem sie die gegenüberliegenden Pinsel D1 bzw. D2 passiert haben und dort auf den entsprechenden Belegungen der hinteren Scheibe B Ladungen influenzieren konnten, weitergeführt, bis sie an den Bürsten E ihre Ladung abgeben können. Entsprechendes geschieht gleichzeitig auf der hinteren Scheibe.

Versuchsdurchführung

Der Abstand der Elektroden F wird auf etwa 2 cm eingestellt und die Schalter H werden geschlossen. Dreht man die Kurbel jetzt mit etwa 1 s-1, die Scheiben also mit etwa 4 s-1, so springt nach kurzer Zeit alle 5 Sekunden ein Funken von einer Elektrode zur anderen (Abb.: 3). Beim Betrieb muss man darauf achten, dass es nicht zu kalt/feucht im Raum ist. Bei geöffneten Schaltern werden die Funken deutlich schwächer, die Rate erhöht sich aber auf etwa 10 s-1.