Bandgenerator nach van-de-Graaff
Van-de-Graaff-Bandgenerator zur Erzeugung hoher Spannungen
Ein Bandgenerator ist eine Apparatur zur Erzeugung sehr hoher elektrischer Gleichspannungen. Er wurde nach dem amerikanischen Physiker Robert Van de Graaff benannt, der ab 1929 Bandgeneratoren entwickelte. Der Bandgenerator zählt zu den elektrischen Generatoren und wandelt mechanische in elektrische Energie um, allerdings mit sehr geringem Wirkungsgrad. Er ist neben weiteren Geräten das am häufigsten für physikalische Lehrexperimente verwendete Gerät zur Hochspannungserzeu-gung.
Elektrische Ladungen werden auf dem Band durch Reibungselektrizität (Abrollen des Bandes von der unteren Rolle) erzeugt und mit diesem in die Hohlkugel transportiert. Dort werden sie über den im Inneren befindlichen Steg an die Kugel abgegeben. Entscheidend ist dabei, dass das Innere der Kugel wie ein Faradayscher Käfig feldfrei ist, so dass sich die elektrischen Kräfte an jedem Punkt kompensieren. Dann können die transportierten Ladungen auch bei großer Ladung der Kugel in ihrem Inneren leicht an sie abgegeben werden.
Das Band steht danach wieder zur Aufnahme neuer Ladungen bereit. Durch fortlaufenden Betrieb des Bandes können so große Ladungsmengen in die Kugel transportiert werden, was in einer hohen elektrischen Spannung zwischen Kugel und Umgebung resultiert. Diese Spannungsdifferenz muss von der Ladung auf dem Band beim Weg in die Kugel überwunden werden. Das gelingt, indem beim Drehen mechanische Arbeit gegen die elektrostatische Anziehungskraft verrichtet wird, die zwischen der Ladung und Erdpotential besteht: die Abstandsänderung führt zu steigender Spannung auf dem Band und die Ladung kann als elektrische Feldenergie in der oberen Kugel deponiert werden.
Bei fortlaufendem Drehen stellt sich in der großen Kugel ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Ladung und den durch die Luft und andere Wege abfließenden Ladungen ein. Da der mechanisch erzeugte Ladestrom vergleichsweise klein ist, wird die erreichbare Spannung durch den Entladestrom über die schwach leitende Luft begrenzt. Daher funktionieren Bandgeneratoren in feuchtem Klima nur sehr schlecht.
Die Kugel- oder zumindest abgerundete Form mit glatten Oberflächen minimiert den Verlust der Ladung, indem sie die an scharfen Kanten und Spitzen auftretenden durch Feldemission bewirkten Vorentladungen verringert.
Bandgeneratoren wie der hier ausgestellte, die ohne externe Spannungsquelle für das Aufladen der Hohlkugel arbeiten, benötigen geeignete Materialpaarungen zwischen unterer Rolle und Band, um in diesem beim Abheben von der unteren Rolle genügend Reibungselektrizität zu erzeugen. Dies ist bei unserem Ausstellungsstück Acrylglas, während die obere Rolle aus Teflon besteht. Da die entnehmbaren Ströme sehr klein sind (Kurzschlussstrom < 10 μA) ist das Arbeiten mit dem Gerät trotz der hohen Spannung für gesunde Personen ungefährlich, Besucher mit Herzschrittmacher sollen sich allerdings entfernt halten. Nur unser Personal führt das Gerät vor und lässt dabei auch Funken mit bis zu 100.000 Volt in den eigenen Körper einschlagen.
Text und Bild: Wolfgang Dünkel, TMK
Quellen: Wikipedia "Van-de-Graaff-Generator" und PHYWE "Bandgenerator 07645-97" für Text
(last update 05.03.2021)