Kelvingenerator – Hochspannung mit Wassertropfen

Woraus besteht Wasser eigentlich? Aus  –Molekülen - aber in Wasser sind auch  und  Ionen enthalten, also mehr oder weniger frei bewegliche Ladungsträger. Wie viele davon? In einem Tropfen Wasser sind ca. 10-mal mehr von diesen Ionen, als es Sterne in unserer Nachbargalaxie, der Andromeda Galaxie, gibt. Und der menschliche Körper hat 10-mal mehr Zellen als ein Tropfen Wasser diese Ionen. Insgesamt sind in einem Tropfen Wasser also ca. 10 Billionen (10.000.000.000.000) von diesen Ionen. Und genau diese Tatsache wird beim Kelvingenerator ausgenutzt. Der Aufbau ist relativ einfach: es gibt zwei Auffangbehälter (Kollektoren), die über Kreuz mit zwei Metallringen (Separatoren) verbunden sind. Durch die Separatoren fallen Wassertropfen, die in den jeweils anderen Kollektor gelangen. Wie genau der Versuch startet ist nicht ganz klar, Statistik und kosmische Strahlung sind zwei Möglichkeiten. Ist auf einem Kollektor Separator Paar (+) erstmal Ladung drauf, wir gehen mal von positiver Ladung aus, sorgt diese - wie in der Abbildung zu sehen - dafür, dass die gleich geladenen Ionen aus den sich bildenden Tropfen heraus und die entgegengesetzt geladenen Ionen hinein gedrückt werden, so dass die Tropfen die zum Kollektor Separator Paar (+) entgegengesetzte Ladung (-) tragen. Diese Tropfen fallen in das andere Paar (-) und sorgen somit dafür, dass bei diesem Separator positiv geladene Tropfen entstehen, die somit dem positiven Paar mehr positive Ladung hinzufügen. Dieser Prozess läuft dann die ganze Zeit parallel auf beiden Seiten, sodass sich mit meinem Aufbau eine Spannung von 20 -30 kV erreichen lässt. Den ganzen Ablauf kann man auch in der animierten Grafik sehen.

Der so beschriebene Aufbau hat jedoch ein Problem: die Kollektoren haben nur ein endliches Auffangvolumen, weshalb diese irgendwann überlaufen und so einen Kurzschluss auslösen. Um dieses Problem zu beheben, verwende ich besondere Kollektoren, aus denen das Wasser unten wieder he raustropft, ohne dass die Tropfen Ladung haben. Um besser verstehen zu können, wie das funktioniert, kann man sich am besten das Prinzip angucken, welches diese Kollektoren ausnutzen.

• Ladungstrennung1
• Ladungstrennung2
• Kollektor

Die Idee ist, dass man einen Topf (leitend) hat und ein geladenes Objekt, wir nehmen mal an, dass die Ladung wie in der animierten Grafik positiv ist. Beim Kelvingenerator sind diese Objekte die Tropfen. Wird das Objekt in den Topf gehalten, werden die Elektronen nach innen verschoben, da diese von der positiven Ladung angezogen werden, sodass der Topf nach außen positiv geladen ist. Wird das Objekt wieder herausgenommen, ohne bei dem gesamten Prozess mit dem Topf in Kontakt gekommen zu sein, gleichen sich die Ladungen auf dem Topf wieder aus, so dass dieser neutral ist und auf dem Objekt noch dieselbe Ladung ist. Kommt es jedoch im Topf zu einem Kontakt, so gleichen sich die positiven Ladungen auf dem Objekt mit den negativen auf dem Topf aus und wenn man das Objekt jetzt herausnimmt, ist die Ladung auf den Topf übertragen worden. Dies ist für die Tropfen in Form eines Trichters umgesetzt. Die Tropfen fallen in den Trichter, geben ihre Ladung an den Trichter und sammeln sich unten im Trichter, um neue Tropfen zu bilden, aber im feldfreien Bereich „im Topf“, sodass diese Tropfen keine Ladung tragen. Diese Tropfen fallen dann in ein Auffangbecken und werden wieder hochgepumpt um erneut durch den Aufbau zu fallen. So kann der Versuch theoretisch endlos betrieben werden. Ein Querschnittschema von meinen modifizierten Kollektoren ist auch auf einem Bild zu sehen.

Hinweis:

Um einen Kelvingenerator zu bauen, der auch funktioniert, müssen einige Dinge beachtet werden, ansonsten wird nie eine Spannung generiert. Es ist wichtig, dass die isolierenden Bauteile und die Auffangbehältnisse hochspannungsfest (30KV) ausgelegt sind. Es dürfen keine spitzen Enden vorhanden sein. Die einzelnen Bauteile sollten immer Rund, idealerweise kugelförmig sein.

Ein weiterer Fehler, der immer wieder bei Anfragen auftaucht, ist, dass ein Multimeter zur Spannungsmessung verwendet wird. Hier dürfen nur statische Anzeigeinstrumente angeschlossen werden. Jedes Multimeter besitzt einen Innenwiderstand (typischerweise 20MΩ), der für eine ständige Endladung sorgt.

Aber ein Problem kann alle Vorsichtsmaßnahmen zunichtemachen. Hohe Luftfeuchtigkeit!!! Und das möchte Jakob mit seinem Aufbau in den Griff bekommen.

• Kelvin Generator
• Kelvin Generator
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Wie man sieht, lassen wir hier einfach zwei dünne Wasserstrahlen jeweils durch einen kleinen und dann durch einen großen Metallring fließen. Dabei erzeugen wir eine Spannung zwischen den Ringen von mehreren kV. Wo ist der Trick? Die Ringe und die Behälter sind kreuzweise leitend verbunden. Da die Ladungen niemals gleich verteilt sind, ist eine Behälter-Ringkombination positiver geladen als die andere. Fällt ein Wassertropfen durch den positive geladenen Ring, so wird die positive Ladung nach oben abgestoßen, während der nun negativ geladen Wassertropfen weiter nach unten fällt (Influenz) und dort die negative Ladung des Behälters verstärkt. Da er mit dem gegenüberliegenden Ring verbunden ist, wird der ebenfalls stärker negativ geladen. So verstärken sich die anfänglich zufällig unterschiedlichen Potenziale, sodass eine Hochspannung aufgebaut werden kann.