Foto: Funkenüberschlag

Auf dieser Seite erwarten Sie blaue Funken und verbogene Wasserstrahlen.

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Die Wimshurst-Maschine – eine Influenzmaschine

Elektrische Ladungen

Elektrische Ladungen kommen in zwei „Ausführungen“ vor: positive Ladungen und negative Ladungen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab (Abb. 1), verschiedene Ladungen ziehen sich an. Ein eigenes Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Elektrizität haben wir nicht, aber jeder kennt das unangenehme Gefühl des leichten elektrischen Schlages, der einen erwischt, wenn man über bestimmte Teppichböden geht und anschließend eine Türklinke berührt. Weniger unangenehm, aber unter Umständen lästiger, ist das Fliegen der Haare nach dem Kämmen, was besonders bei trockener Luft auftritt.

Abb. 1 ¦ Abstoßung gleichnamiger Ladungen (Video)  
BildunterschriftAn einer Büroklammer sind zwei Streifen Alumniumfolie beweglich aufgehängt. Die Büroklammer hängt ihrerseits an einem metallenen Stab über einem Glas. (Glas hat den Vorteil, dass es durchsichtig ist und man den Versuch beobachten kann. Im Prinzip ginge auch ein anderes, nicht leitfähiges Material.) Fährt man sich mit einem Kamm ein paar Mal durch die Haare, lädt der Kamm sich elektrisch auf – elektrische Ladungen gehen vom Haar auf den Kamm über, siehe Reibungselektrizität. Berührt man dann mit dem Kamm den Metallstab oder direkt die Büroklammer, fließen die Ladungen vom Kamm auf das Metall über (deshalb müssen der Stab und Büroklammer elektrisch leitfähig sein). Von dort fließen die Ladungen in die – ebenfalls elektrisch leitfähigen – Aluminiumstreifen. Beide Streifen laden sich daher mit Ladungen desselben Vorzeichens auf und stoßen sich deshalb anschließend ab: Die Streifen bewegen sich auseinander. (Anstelle des Glases darf keine Halterung aus leitfähigem Material verwendet werden, weil dann die Ladungen einfach über den Metallstab und die Halterung abfließen und in der Erde verschwinden würden.) Bildunterschrift Ende

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Ladungsträger

Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft der Elementarteilchen, aus denen die Materie zusammengesetzt ist: die negative Ladung tragen die Elektronen, die positiven Ladungen sitzen in den Atomkernen. Genauer gesagt sind es die Protonen im Atomkern (noch genauer gesagt sind es die Quarks, aber dies hier soll keine Seite zur Elementarteilchenphysik werden, deswegen gehen wir nicht tiefer als bis zu den Protonen). Neben den positiv geladenen Protonen gibt es im Atomkern noch die Neutronen, aber wie der Name schon vermuten lässt, sind diese elektrisch neutral, also ungeladen. In einem Atom gibt es gleich viele Elektronen wie Protonen, das Atom als Ganzes ist deshalb elektrisch neutral. Dass einige Materialien sich trotzdem aufladen oder elektrischen Strom transportieren können, liegt an der jeweiligen Art und Weise, wie die Atome untereinander gebunden sind.

Es gibt Bindungen, in denen sitzen die Elektronen fest an ihren Plätzen. Im Diamant zum Beispiel bilden jeweils zwei Elektronen zweier Kohlenstoffatome eine Bindung zwischen den Atomen; man nennt diese Bindungen Elektronenpaarbindungen oder kovalente Bindungen (Abb. 2 unten links). Jedes Atom hat vier solcher Bindungen zu vier Nachbaratomen, sodass ein dreidimensionales Kristallgitter entsteht. Die Elektronen sitzen in diesen Bindungen fest und können sie nicht verlassen, deshalb ist Diamant nicht leitfähig.
Im Salz (Natriumchlorid) geht ein Elektron vom Natrium vollständig auf das Chlor über. Dadurch erhält das Natriumatom eine positive Ladung, das Chloratom eine negative Ladung. Elektrisch geladene Atome, also Atome mit einem oder mehreren Elektronen zu viel oder zu wenig, nennt man Ionen. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, ziehen sich auch Natriumionen und Chlorionen an und bilden ein Kristallgitter, in dem Ionen einer Ladung immer von Ionen der anderen Ladung umgeben sind. So hält der Kristall wegen der elektrischen Anziehung zusammen. Diese Art der Bindung nennt man Ionenbindung (Abb. 2 oben links). Auch hier sitzen die Elektronen fest, diesmal auf ihren Plätzen bei den Atomen. Solche Materialien sind ebenfalls nicht elektrisch leitfähig.

Abb. 2a ¦ Bindungen und Ladungsträger  
BildunterschriftIn Kristallen, deren Atome über Ionen- oder kovalente Bindungen gebunden sind, sitzen die Elektronen fest und können keinen (oder nur wenig) Strom transportieren (links). Ionen in Lösung sind dagegen beweglich und können einen elektrischen Strom bilden (rechts oben); in Metallen gibt es im Elektronensee genügend bewegliche Elektronen, Metalle sind daher leitfähig (rechts unten). Bildunterschrift Ende

Elektrischer Strom ist nichts anderes als Ladungsträger, die sich durch ein Material bewegen. Wenn also Elektronen oder Ionen wandern, fließt ein elektrischer Strom. Ein elektrischer Strom kann daher nur fließen, wenn die Ladungsträger beweglich sind. In Festkörpern sitzen die Atomkerne so fest, dass als bewegliche Ladungsträger nur die Elektronen infrage kommen. Materialien wie Diamant oder Salz leiten keinen Strom, da hier auch die Elektronen nicht beweglich (genug) sind.
Was anderes ist es, wenn man den Salzkristall in Wasser auflöst. In der Lösung sind die Ionen nicht wie im Kristall fest verankert, sondern können sich bewegen (Abb. 2 oben rechts). Die Salzlösung ist deshalb sehr wohl elektrisch leitfähig: Die Ladungsträger sind hier die positiven und negativen Ionen.
Es gibt aber natürlich auch Festkörper, die Strom leiten – der Klassiker ist das Kupferkabel. Aber auch andere Metalle weisen eine hohe Leitfähigkeit auf. Der Grund liegt wiederum in der Art der Bindung der Atome. Metallatome geben ihre äußersten Elektronen gerne ab. Während die übrigbleibenden positiven Ionen ein Kristallgitter bilden, formen die abgegebenen Elektronen einen Elektronensee (Abb. 2 unten rechts; der Ausdruck ist nicht nur eine Metapher von mir, sondern durchaus gebräuchlich) um die Atome herum. Die Elektronen in diesem See sind beweglich genug, dass sie durch eine elektrische Spannung in Bewegung gesetzt werden können. In Metallen sind die Strom führenden Ladungsträger also Elektronen.

Noch ein Beispiel, in dem Ionen als Ladungsträger fungieren, liefert folgendes Experiment. Wenn Sie das Experiment nachmachen wollen, verwenden Sie keine Schale, die Sie für Lebensmittel verwenden, und gießen Sie den Essig anschließend weg!
Legt man eine Kupfermünze (hier: 1 Eurocent) in Essig und daneben (ohne dass beide sich berühren) einen Stahlnagel (Abb. 2 links), stellt man nach etwa 1 Tag fest, dass der Nagel rötlich glänzt (Abb. 2b rechts). Er hat einen leichten Kupferüberzug bekommen. Metalle lösen sich in einer Säure – in Lösung gehen sie aber immer als positive Ionen. Die Metallionen gehen also in die Säure über und die Elektronen bleiben im Metall zurück. Nun haben aber unterschiedliche Metalle ein unterschiedlich starkes Bestreben, Elektronen abzugeben. Je edler das Metall ist, desto eher nimmt es Elektronen auf und desto weniger gibt es Elektronen ab. Das führt dazu, dass die Kupferionen, die im Essig gelöst sind, die Gelegenheit ergreifen und die übrig gebliebenen Elektronen am Stahlnagel übernehmen. Aus den Kupferionen wird wieder metallisches Kupfer, das sich am Nagel als Schicht ablagert. Die Eisenionen bleiben in Lösung – weshalb die Euro-Cent-Münze auch keinen Eisenüberzug bekommt.

Abb. 2b ¦ Ionen als Ladungsträger  
BildunterschriftLegt man eine Kupfermünze (hier: 1 Eurocent) in Essig und daneben (ohne dass beide sich berühren) einen Stahlnagel, hat der Nagel sich nach einem Tag braunrötlich verfärbt. Nach 3 Tagen könnte man ihn von der Farbe her für einen Kupfernagel halten. Der Stahlnagel hat einen Kupferüberzug bekommen – wie man im Vergleich mit einem anderen Nagel und der Münze sieht.
Wenn Sie das Experiment nachmachen wollen, verwenden Sie keine Schale, die Sie für Lebensmittel verwenden, und gießen Sie den Essig anschließend weg! Bildunterschrift Ende

Kupferionen wandern also von der Münze zum Nagel. Das bedeutet, es fließt ein elektrischer Strom, getragen von den positiven Ionen. Tatsächlich kann man mit zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen eine Spannungsquelle bauen, eine sogenannte galvanische Zelle. Das Material, das leichter in Lösung geht, bildet die negative Elektrode; das Material, das lieber Elektronen aufnimmt, die positive. Wenn man dann noch dafür sorgt, dass nicht die Ionen über die Lösung für einen Ladungsausgleich sorgen, sondern dass die zurückgebliebenen Elektronen von der negativen Elektrode über einen Draht zur positiven Elektrode fließen, kann man diesen Strom nutzen. Auf die Weise funktionieren Batterien und Akkumulatoren.

So „Schwarz-Weiß“ ist die Natur in aller Regel nicht aufgebaut – zwischen leitfähig und nicht leitfähig gibt es etliche Abstufungen von mehr oder weniger leitfähig – wenn die Elektronen doch nicht so hundertprozentig fest in den Bindungen sitzen, sondern durch Zufuhr von mehr oder weniger Energie in Bewegung gesetzt werden.

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Reibungselektrizität

In Metallen können sich Ladungsträger also frei bewegen, in Glas oder Kunststoff können sie das nicht. Deshalb sind die Ladungen aus dem aufgeladenen Kamm in Abb. 1 auf die Aluminiumstreifen übergegangen, aber nicht auf das Glas. Wie aber sind die Ladungen ursprünglich mal auf den Kamm gelangt?
Alle Stoffe haben eine unterschiedlich großes Bestreben, Elektronen aus anderen Materialien aufzunehmen. Manche geben lieber Elektronen ab, andere nehmen ganz gern welche auf, wieder andere sind regelrecht gierig nach Elektronen. Den Übergang von Elektronen von einem Material auf ein anderes kann man durch Reibung verstärken – deshalb spricht man hier von Reibungselektrizität. Beim Kämmen reiben Kamm und Haare aneinander und Elektronen treten vom Haar auf den Kamm über.

(Ob es nicht am Ende umgekehrt ist, kann man natürlich nicht sehen, da verlasse ich mich auf die Angaben anderer, auf www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/e_statik/reibungsel.htm (Landesbildungsserver Baden-Württemberg) findet man eine Aufstellung.)

Die Haare bleiben positiv geladen zurück, der Kamm lädt sich negativ auf. Entfernt man nun den Kamm von den Haaren, zieht der negative Kamm die positiven Haare an und es kommt zu dem lästigen Fliegen der Haare. Der Effekt ist umso größer, je trockener die Luft ist, weil feuchte Luft leitfähiger ist als trockene und deshalb eher für einen Ladungsausgleich sorgt.

Die Reibungselektrizität wurde übrigens schon 550 v.Chr. von Thales von Milet entdeckt, wobei er sie nicht an einem Plastikkamm sondern an Bernstein fand. Das griechische Wort für Bernstein ist Elektron und wurde namensgebend für das gesamte Fachgebiet Elektrizitätslehre.

Abb. 3 zeigt ein Experiment, in dem die Reibungselektrizität von Bernstein einen Wasserstrahl verbiegt.

Abb. 3a ¦ Bernstein  
BildunterschriftBernstein, gefunden am Ostseestrand Bildunterschrift Ende
Abb. 3b ¦ Reibungselektrizität (Video)  
BildunterschriftDer durch Reibung elektrisch aufgeladene Bernstein wird in die Nähe des dünnen Wasserstrahls gehalten und verbiegt diesen. (Funktioniert auch mit dem Kamm aus Abb. 1 oder mit einem an Wolle geriebenen aufgeblasenen Luftballon – eigentlich sogar besser, aber der Bernstein hat nun mal diese historische Bedeutung …) Bildunterschrift Ende

Ich habe den Bernstein aufgeladen, indem ich ihn am Ärmel eines Wollpullovers gerieben habe (Mischung aus Schaf- und Alpakawolle). Hält man den geladenen Bernstein nun in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls, wird dieser verbogen.
Das liegt am Aufbau der Wassermoleküle. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Zwischen Sauerstoff und Wasserstoff besteht jeweils eine Elektronenpaarbindung – in diesen Bindungen sind die beiden Elektronen aber nicht gleichmäßig zwischen den beiden Atomen verteilt, sondern werden vom Sauerstoff etwas stärker angezogen. Damit hat das Sauerstoffatom eine leichte negative, die Wasserstoffatome eine leichte positive Ladung. Das Wassermolekül hat deshalb eine positive und eine negative Seite. Nähert sich dem Molekül nun eine elektrische Ladung (wie hier mit dem Bernstein), richten sich die Moleküle so aus, dass ihre entgegengesetzt geladene Seite zum Bernstein zeigt. Da Bernstein eher Elektronen aufnimmt, ist er negativ geladen, die Wassermoleküle wenden ihm also ihre positivere Seite zu. Diese positiven Seiten der Moleküle werden nun vom negativ geladenen Bernstein angezogen – und in der Folge verbiegt sich der gesamte Wasserstrahl zum Bernstein hin.

Abb. 4 ¦ Ausrichtung der Wassermoleküle  
BildunterschriftWassermoleküle haben eine positivere und eine negativere Seite (die Wasserstoffatome sind positiver als die Sauerstoffatome). Bringt man eine negative Ladung in die Nähe des Wasserstrahls, zieht sie die positiven Seiten der Wassermoleküle an. Zunächst richten sich alle Wassermoleküle so aus, dass die Wasserstoffatome, also die positiven Seiten, zur Ladung hin zeigen. Dann bewegen sich die positiven Molekülseiten auf die Ladung zu – da aber der Rest des Moleküls an der positiven Seite festhängt, wird er mitgeschleppt und sämtliche Moleküle wandern zur negativen Ladung. Dass alle Wassermoleküle wandern, heißt aber nichts anderes, als dass der gesamte Wasserstrahl sich bewegt. (Mit einer positiven Ladung funktioniert es entsprechend.) Bildunterschrift Ende

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Influenzladungen

Der Wasserstrahl wurde in Abb. 3 vom negativ geladenen Bernstein abgelenkt, weil die Wassermoleküle ihm ihre positive Seite zugewandt haben. Wenn in einem Material die Ladungsträger beweglich sind, können diese als Ganzes einer außen befindlichen Ladung entgegen wandern. Hält man beispielsweise ein Stück Metall in die Nähe einer positiven elektrischen Ladung, wandern die freien Metallelektronen so nah an die positive Ladung heran, wie sie können, und sammeln sich an der der Ladung zugewandten Oberfläche. Dies Oberfläche ist nun negativ geladen. An der rückwärtigen Oberfläche fehlen die Elektronen, diese ist positiv geladen.
Solange das Metallstück nicht mit einem elektrischen Leiter verbunden ist, bleibt es bei diesem Zustand, verlassen können die Elektronen das Metall nicht. (Nicht so ohne Weiteres jedenfalls – wenn die außen befindliche Ladung groß genug, und damit die von ihr erzeugte elektrische Spannung, groß genug ist, können die Elektronen auch aus dem Metall herausgerissen werden; auf diese Weise kommt der Funke in der Wimshurst-Maschine zustande.) Wichtig ist, dass das Metallstück als Ganzes elektrisch neutral bleibt, es entstehen lediglich Ladungsverschiebungen. Die so erzeugten Ladungen nennt man Influenzladungen (im Gegensatz zu „echten“ Ladungen, bei denen das ganze Metallstück eine elektrische Ladung aufweist.

Abb. 5 ¦ Influenzladungen  
BildunterschriftDie Elektronen in einem Metall verteilen sich gleichmäßig (links). Wenn eine postive Ladung in die Nähe kommt, strömen die Elektronen so weit zu ihr hin wie möglich (Mitte); von einer negativen Ladung versuchen sie, sich möglichst zu entfernen (rechts). Die Anhäufung von Ladung auf einer Seite nennt man Influenzladung. In beiden Fällen bleibt das Metallstück als Ganzes elektrisch neutral, erhält aber eine positive und eine negative Seite. Bildunterschrift Ende

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Kondensator

Hat man ein positiv und ein negativ geladenes Metallstück, ziehen sich die beiden an. Um sie auseinanderzuziehen, muss man also Energie aufwenden – je weiter man sie auseinanderzieht, desto mehr Energie braucht man. Zwischen den nun getrennten Ladungen herrscht eine elektrische Spannung. Verbindet man die beiden Stücke über einen elektrischen Leiter, bewirkt die elektrische Spannung, dass über den Leiter ein elektrischer Strom fließt und zwar so lange, bis der Ladungsunterschied zwischen beiden Metallstücken ausgeglichen ist. Anders ausgedrückt: Die Ladungen auf den beiden Metallstücken möchten die Trennung aufheben und beginnen zu wandern (genau genommen wandern nur die Elektronen, die Ionen sitzen fest), da sie das Metall nicht einfach verlassen können, stellt der Leiter den einzig möglichen Weg dar – diese Wanderung ist der elektrische Strom. Mit dem Verschwinden des Ladungsunterschiedes verschwindet auch die elektrische Spannung.
Den elektrischen Strom, der von der Spannung angetrieben wurde, kann man nutzen, um ein elektrisches Gerät zu betreiben. Auf die Weise bekommt man die Energie, die man zunächst aufwenden musste, um die Ladungen zu trennen, wieder heraus, um eine Arbeit damit zu verrichten.
Bei einer Stromquelle ist es also wichtig, eine dauerhafte Ladungstrennung und damit eine elektrische Spannung aufrechtzuerhalten, damit die Quelle jederzeit einen elektrischen Strom liefern kann.

Eine solche Konstruktion aus zwei entgegengesetzt geladenen Stücken nennt man Kondensator; man spricht allerdings nicht von Stücken, sondern von Platten. Zwei Kondensatorplatten befinden sich in einigem Abstand voneinander und zwischen ihnen ist ein nicht elektrisch leitfähiges Material. Lädt man nun die Platten entgegengesetzt auf, entsteht zwischen ihnen eine elektrische Spannung, mit der man elektrische Maschinen antreiben kann. (Da zwischen den Platten ein nicht leitendes (isolierendes) Material ist, können die Ladungen nicht von der einen zur anderen Platte übertreten.) Ein Kondensator kann also elektrische Energie speichern. Allerdings müssen es nicht immer wirklich Platten sein. In der Wimshurst-Maschine dienen zwei so genannte Leidener Flaschen als Kondensatoren – im Original sind dies Glasflaschen, auf deren Innen- und Außenseite Metallbeläge aufgebracht sind. Die Metallbeläge dienen als Kondensatorplatten, das Glas als isolierende Schicht zwischen ihnen.

Abb. 6 ¦ Kondensator  
BildunterschriftEin Kondensator besteht aus zwei Platten, die entgegengesetzt aufgeladen werden. Zwischen ihnen befindet sich ein nicht leitendes Material, so dass die Elektronen nicht direkt von einer Platte zur anderen übergehen können. Verbindet man beide Platten mit einem Leiter, fließen die Elektronen über diesen von der negativen zur positiven Platte. Die Elektronen stellen einen elektrischen Strom dar, mit dem man ein Gerät (hier eine Lampe) antreiben kann. Bildunterschrift Ende

Neben der Aufladung eines Kondensators gibt es noch andere Arten, eine Ladungstrennung herzustellen: in der Batterie nutzt man chemische Reaktionen; die Spannung in der Steckdose wird im Kraftwerk über magnetische Induktion erzeugt.

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Die Wimshurst-Maschine

Die Wimshurst-Maschine ist eine Influenzmaschine, das heißt, es wird mithilfe von Influenz eine elektrische Spannung erzeugt. Die hier gezeigte Maschine ist ein Bausatz von www.astromedia.de.
Abb. 7a zeigt die Maschine von vorn, von der Seite und von hinten. Die beiden großen Scheiben sind aus nicht leitendem Acrylglas und werden mit der Kurbel (auf der Rückseite) in Drehung versetzt, wobei sie sich gegenläufig drehen. Beklebt sind die Scheiben mit Segmenten aus Aluminiumfolie, einem leitfähigen Material. Die beiden von links oben nach rechts unten verlaufenden Balken sind die Neutralisatoren, sie können über Bürsten Ladung von den Alumiumsegmenten abgreifen und weiterleiten, denn sie sind ebenfalls leitfähig. Die beiden Zylinder vor der Scheibe sind Leidener Flaschen, also Kondensatoren. Die aus ihnen herausragenden Kontakte dienen als Stromabnehmer und greifen Ladungen von der vorderen Scheibe ab, leiten sie in die Leidener Flaschen und speichern sie dort. Dann gibt es noch die beiden Stangen mit den je zwei Kugeln – die Elektroden. Diese sind leitend mit den Leidener Flaschen verbunden. Die Kugeln laden sich über die Kondensatoren auf und zwischen den Kugeln entsteht eine elektrische Spannung. Ist diese Spannung groß genug, werden Elektronen aus der negativ geladenen Kugel herausgerissen und fliegen hinüber zur positiv geladenen Kugel. Die Elektronen werden schnell genug, dass sie Atome der Luft zwischen den Kugeln zum Leuchten anregen können – und man sieht blaue Blitze von mehrern Zentimetern Länge.

Die Wimshurst-Maschine von www.astromedia.de erzeugt elektrische Spannungen bis 70 kV (Kilovolt). Da aber nur geringe Ströme fließen, sind diese Spannungen ungefährlich. Trotzdem dürfen Kinder die Maschine nicht unbeaufsichtigt bedienen. Betreiben Sie die Wimshurst-Maschine nie in der Nähe endzündlicher Flüssigkeiten und Gase – auch ein kleiner Funke ist ein Funke, der ein Feuer verursachen kann!

Abb. 7a ¦ Die Wimshurst-Maschine  
Bildunterschriftoben: die Wimshurst-Maschine von vorn betrachtet. Da die Scheiben durchsichtig sind, sieht man nicht nur den vorderen Neutralisator, sondern auch die schwarz-goldene Rückseite des hinteren (dieser verläuft dann von oben rechts nach unten links). Die Elektroden haben isolierte Griffe (schwarz mit Holzkugel), damit man sie anfassen und verstellen kann – zwar sind die Spannungen ungefährlich, aber man spührt einen leichten Schlag, wenn man direkt nach Benutzung der Maschine an die Kugelelektroden stößt. Aus den Leidener Flaschen ragen Stromabnehmer (natürlich links genauso wie rechts).
Unten: die Wimshurst-Maschine von hinten (links) und von der Seite (rechts) betrachtet. Bildunterschrift Ende
Abb. 7b ¦ Die Wimshurst-Maschine in Aktion (Video)  
Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

Anhand der folgenden Abbildungen werde ich die Funktion Schritt für Schritt erklären. Um es übersichtlicher zu halten, werde ich einige Dinge nacheinander geschehen lassen, die bei der echten Maschine im Betrieb gleichzeitig passieren.
Influenzladungen sind gelb, „echte“ Ladungen rot gezeichnet.

Abb. 8a ¦ Wimshurst-Maschine I  
BildunterschriftLinks: Dargestellt sind die beiden Scheiben mit den Segmenten aus Aluminiumfolie. Die schwarzen Balken stellen die Neutralisatoren dar. Auf der hinteren Scheibe ist durch irgendeinen Zufall in einem Segment eine positive Ladung entstanden.
Rechts: Dargestellt sind die beiden Scheiben von der Seite (links die vordere, rechts die hintere) und je zwei der Alu-Segmente. Die positive Ladung auf der hinteren Scheibe erzeugt im gegenüberliegenden Alu-Segment auf der vorderen Scheibe Influenzladungen (gelb) – die der Scheibe zugewandte Seite ist negativ geladen, die nach außen zeigende Seite ist positiv geladen.Bildunterschrift Ende
Abb. 8b ¦ Wimshurst-Maschine II  
BildunterschriftLinks: Ansicht von vorn. Das gelbe Pluszeichen symbolisiert die Influenzladung, und zwar die, die von vorn zu „sehen“ ist. Das Aluminium-Segment ist über den Neutralisator mit dem gegenüberliegenden Segment unten rechts auf derselben Scheibe verbunden. Die positive Influenzladung liegt oben, also nahe dem Endpunkt des Neutralisators. Über diesen zieht sie negative Ladungen (Elektronen) vom gegenüberliegenden Alu-Segment an. Elektronen wandern über den Neutralisator zum Alu-Segment links oben.
Mitte: Durch die zusätzlichen Elektronen erhält das Segment oben links nun als Ganzes eine „echte“ negative Ladung. Das Segment unten rechts hat Elektronen verloren und ist daher positiv geladen.
Rechts: Ansicht von der Seite (links die vordere, rechts die hintere Scheibe) und je zwei der Alu-Segmente. Das obere Segment auf der vorderen Scheibe ist nun negativ, das untere positiv geladen. Die positive Ladung auf der vorderen Scheibe erzeugt im entsprechenden Alu-Segment auf der hinteren Scheibe Influenzladungen (gelb) – die der Scheibe zugewandte Seite ist negativ geladen, die nach außen zeigende Seite ist positiv geladen.Bildunterschrift Ende
Abb. 8c ¦ Wimshurst-Maschine III  
BildunterschriftLinks: Die vordere Scheibe rotiert nun im Uhrzeigersinn. Dadurch wandert das negativ geladene obere Segment nach rechts.
Rechts: Die weiter links liegenden Segmente wandern nach und nach an der positiven Ladung der hinteren Scheibe vorbei und werden nach demselben Prinzip wie in Abb. 8a und 8b negativ aufgeladen. Am unteren Rand der vorderen Scheibe wandern die Segmente nach links. Hinter ihnen liegt auf der hinteren Scheibe negative Ladung. Während die unteren Segmente der vorderen Scheibe an der negativen Ladung auf der hinteren Scheibe vorbei wandern, erhalten sie eine positive Ladung.
(Abb. 8b rechts – hier ist eine negative Influenzladung gezeichnet, die der vorderen Scheibe zugewandt ist; vgl. aber Abb. 8g zur Drehung der hinteren Scheibe, die aus der Influenzladung eine „echte“ negative Ladung macht). Bildunterschrift Ende
Abb. 8d ¦ Wimshurst-Maschine IV  
BildunterschriftLinks: Ansicht von vorn: Durch die Drehung der vorderen Scheibe kommen jetzt geladene Segmente der vorderen Scheibe vor ungeladenen der hinteren Scheibe zu liegen und erzeugen dort Influenzladungen (gelb – zu sehen ist jeweils die zum Betrachter hin gerichtete Ladung).
Rechts: Ansicht von der Seite: An der hinteren Scheibe sind außen oben eine negative, unten eine positive Influenzladung entstanden.Bildunterschrift Ende
Abb. 8e ¦ Wimshurst-Maschine V  
BildunterschriftDie vordere Scheibe ist transparent gezeichnet, um die hintere sichtbar zu machen.
Links: Die Influenzladungen der hinteren Scheibe dehnen sich nun bis zum hinteren Neutralisator aus. Nach demselben Prinzip wie in Abb. 8b für die vordere Scheibe fließen auch im hinteren Neutralisator Elektronen. Wie in Abb. 8d gezeigt, ist oben außen eine negative Influenzladung, unten außen eine positive; die Elektronen fließen daher von oben nach unten.
Rechts: Elektronen sind im hinteren Neutralisator von oben rechts nach links unten geflossen, sodass das obere Segment der hinteren Scheibe eine „echte“ positive Ladung (rot) und das untere eine negative Ladung erhält.Bildunterschrift Ende
Abb. 8f ¦ Wimshurst-Maschine VI  
BildunterschriftAn der vorderen Scheibe greift rechts und links je ein Abnehmer die Ladungen der Alu-Segmente ab und leitet sie in die Elektroden und die Kugeln an deren Ende. (Um die Spannung zu erhöhen, werden die Ladungen noch in Kondensatoren, zwei Leidener Flaschen, gespeichert; diese habe ich in der Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen weggelassen.) Mit jedem Segment, das durch die Drehung der Scheibe an den Abnehmern vorbeikommt und dort seine Ladung abgibt, erhöht sich somit die Ladung in den Kugeln.
Für jedes Segment, das seine Ladung an einen der Abnehmer abgibt und sich weiterdreht, gerät ein ungeladenes Segment am rückwärtigen Ende der Segmentreihe in den Einfluss eines geladenen Segmentes der hinteren Scheibe und bekommt eine Ladung influenziert – das Spiel beginnt von Neuem …Bildunterschrift Ende
Abb. 8g ¦ Wimshurst-Maschine VII  
BildunterschriftBislang hatte ich die drei Ladungen auf der hinteren Scheibe oben noch als Influenzladung gezeichnet – da ich bislang nur die vordere Scheibe gedreht habe, sind diese Influenzladungen noch nicht am hinteren Neutralisator vorbeigekommen. In Wirklichkeit drehen sich aber beide Scheiben gleichzeitig und entgegengesetzt. Mit der Drehung der hinteren Scheibe haben auch dort sämtliche Alu-Segmente die Gelegenheit, ihre Influenzladungen über den Neutralisator in echte Ladungen umzuwandeln, wie für die vordere Scheibe in Abb. 8b beschrieben. Bildunterschrift Ende
Abb. 8h ¦ Wimshurst-Maschine VIII  
BildunterschriftDer Einfluss der Drehung:
Ausgangssituation Abb. 8a/b, aber mit gegenläufiger Drehung beider Scheiben:
Durch die entgegengesetzte Drehung vergrößert sich der Abstand zwischen dem geladenen Segment der hinteren Scheibe und den Inluenzladungen im Segment auf der vorderen Scheibe. Es musste Energie hineingesteckt werden, um die Ladungen zu trennen, also um die Segmente voneinander zu entfernen (durch die Drehung nämlich); diese Energie bekommt man jetzt in Form einer höheren Spannung wieder zurück – wegen der höheren Spannung zwischen vorderem und hinterem Segment sind auch die Influenzladungen im vorderen Segment größer und die positive größere Influenzladung zieht entsprechend mehr Elektronen vom Segment unten rechts an (rechts).
Unten ist das Ganze von der Seite dargestellt und der größere Abstand als größerer Scheibenabstand – das ist nur eine Krücke zur Darstellung, der Scheibenabstand bleibt natürlich gleich!Bildunterschrift Ende

Haben sich die Kugeln an den Enden der Elektroden stark aufgeladen, können die Elektronen in der negativ aufgeladenen Kugel der Anziehung der positiven Kugel nicht mehr widerstehen. Sie verlassen die negative Kugel und fliegen zur positiven. Dabei werden sie schnell genug, um Atome der Luft zwischen den Kugeln anzuregen. Das bedeutet, sie stoßen mit den Atomen zusammen und bei diesem Stoß werden Atomelektronen in höhere Bahnen gestoßen. Von dort fallen sie in die tieferen ursprünglichen Bahnen zurück. Die Energie, die sie vorher durch den Stoß erhalten haben, geben sie nun in Form von Licht wieder ab (siehe auch: Energieniveaus) und man sieht einen blauen Blitz zwischen den beiden Kugeln. Zudem wird durch die Ionisation die eigentlich nicht leitfähige Luft leitfähig, was eine höhere Stromstärke zur Folge hat (es gibt ja durch die Ionisation nun mehr freie Elektronen, die ebenfalls zur positiven Elektrode fliegen).

Abb. 9 ¦ Funken zwischen den Elektroden (Video)  
Bildunterschrift Bildunterschrift Ende

© Wiebke Salzmann, Januar 2014

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