Elektrophor

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Historisches Elektrophor, um 1840

Ein Elektrophor ist eine Form von historischer Influenzmaschine und dient zur Trennung elektrischer Ladungen und zur Erzeugung hoher elektrischer Spannungen mit Hilfe der Influenz. Die Bezeichnung Elektrophor leitet sich vom griechischen elektron = Bernstein (als Prototyp des Trägers von Reibungselektrizität) und pherein = tragen ab.

Diese und ähnliche Arten der Ladungstrennung und die Erzeugung einer elektrischen Spannung waren die Grundlage der frühen Elektrizitätsforschung im 18. Jahrhundert, wie sie maßgeblich von Alessandro Volta betrieben wurde. Von ihm wurde 1775 ein brauchbarer Elektrophor entwickelt. Der Göttinger Gelehrte Georg Christoph Lichtenberg baute im selben Jahrhundert große Elektrophore mit bis zu 2,5 m Durchmesser, die Funkenüberschläge über 70 Zentimeter ermöglichten.[1]

Aufbau[Bearbeiten]

Elektrophor in Verwendung

Ein Elektrophor besteht aus zwei Teilen: einer Metallplatte mit isoliertem Griff, vergleichbar der Platte eines Kondensators, und einem so genannten „Kuchen“, welcher elektrisch nicht leitend ist und aus einer Mixtur von Harz, Siegelwachs und Schellack besteht. Dieser Kuchen befindet sich auf einer geerdeten, metallenen Grundplatte, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt.[2]

Verwendungsweise[Bearbeiten]

Ladungsverteilung am Elektrophor

Der rückseitig geerdete Kuchen wird mit einem Fell gerieben, üblich war die Verwendung eines Katzenfells. Dabei entsteht auf dem Kuchen Reibungselektrizität in Form überschüssiger negativer Ladungen. Setzt man den elektrisch neutralen Metallteller auf die Platte, so bewirkt die Influenz des elektrischen Feldes der Kuchenladungen eine Verschiebung der Ladungsträger im Metallteller. Auf der Seite der Metallplatte, die dem Kuchen zugewandt ist, kommt es zu einer Ansammlung von positiven Ladungsträgern (bzw. einem Mangel an negativ geladenen Elektronen), auf der entgegengesetzten Seite der Metallplatte zu einer Ansammlung von negativen Ladungsträgern. Wird nun die Metallplatte während des Aufliegens auf dem geladenen Kuchen an ihrer dem Kuchen abgewandten Seite geerdet, beispielsweise indem sie mit der Hand berührt wird, können die überschüssigen Elektronen von dieser Seite der Platte abfließen. Insgesamt ist die Metallplatte jetzt nicht mehr elektrisch neutral. Sie trägt einen Überschuss positiver Ladungen, die aber im Gleichgewicht mit den ortsfesten negativen Ladungen im Kuchen stehen. Wird nun die Erdverbindung zur Oberfläche des Metalltellers entfernt, indem man z.B. die Hand zurückzieht, und wird die Metallplatte nur an ihrem isolierten Griff vom Kuchen abgehoben, so baut sich zwischen Metallplatte und Erdpotential mit zunehmender Entfernung eine steigende elektrische Spannung auf. Deren Höhe U lässt sich nach der Beziehung:

U = \frac{Q}{C}

aus der Ladungsmenge Q und der Kapazität C der Anordnung Metallplatte – Erde berechnen. Da kein Stromfluss und somit keine Änderung der elektrischen Ladung Q stattfindet, gleichzeitig aber die Kapazität C der Anordnung durch das Abheben des Metalltellers sinkt, muss die elektrische Spannung U um den Faktor ansteigen, um den die elektrische Kapazität sinkt. Damit können sehr hohe elektrische Spannungen im Bereich einiger Kilovolt erreicht werden. Bei Annäherung eines geerdeten Stabes (Elektrode) an die abgehobene Metallplatte kommt es dann aufgrund der hohen Spannungen zu einem kurzen Funken, einer elektrischen Entladung. Aufgrund der Funkenschlagweite kann so leicht festgestellt werden, dass die Spannung gegenüber Erde erheblich höher ist als zu dem Zeitpunkt, als sie auf dem Kuchen auflag. Der gesamte Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen, weil die im Kuchen gespeicherten Ladungen selbst nicht abgeleitet („verbraucht“) werden.

Die elektrische Energie, die bei der kurzen Funkenentladung frei wird, wurde vorher insbesondere durch die mechanische Arbeit beim Abheben der Metallplatte gegen die Kraftwirkung des elektrischen Feldes aufgebracht.

Anwendungen des Prinzips[Bearbeiten]

Das Prinzip des Elektrophors lässt sich äquivalent verwirklichen, indem man anstatt das Dielektrikum des Kondensators zu reiben den Kondensator mit einer extern erzeugten Gleichspannung lädt. Dafür eignen sich insbesondere variable Kondensatoren in der Bauform eines Drehkondensators: Wird dieser Drehkondensator bei maximaler Kapazität auf seine Nennspannung geladen, von der Spannungsquelle elektrisch getrennt und anschließend die Kapazität durch die Drehbewegung verkleinert, kommt es zu einer Steigerung der Spannung zwischen den Platten mit der Folge eines elektrischen Überschlags.

Das Kondensatormikrofon nutzt die durch Schall erzeugten Abstandsänderungen einer Kondensatoranordnung, um daraus eine Spannungsänderung (NF-Signal) zu erzeugen. Es benötigt zur Ladung eine Vorspannung. Beim Elektretmikrofon, welches ähnlich funktioniert, ist diese Ladung permanent in einer Elektretfolie, ähnlich wie im Kuchen des Elektrophor gespeichert, und muss nicht erneuert werden.

Auch der Bandgenerator benutzt das Prinzip des Elektrophors: die influenzierende Ladung wird entweder durch „Reibungselektrizität“ (durch Abheben des Isolierstoff-Bandes von der unteren dielektrischen Rolle) oder durch Aufsprühen (Spitzenentladung) auf das Band aus einer externen Spannungsquelle erzeugt. Ladungen auf dem Band werden anschließend beim Aufwärtslaufen des Bandes von der Erde wegbewegt. Eine Weiterentwicklung des Bandgenerators ist das Pelletron.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Elementa/Mannheim: Elektrophor (Version vom 15. Oktober 2007 im Internet Archive)
  2.  Silvanus Phillips Thompson: Elementary Lessons in Electricity & Magnetism. The MacMillan & Co, London 1891, S. 29 - 33 (Online).

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Electrophorus (device) – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien