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Rue25
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Hochspannungsgenerator mit Lego und Fischer-Technik

Electrostatic charge generating assembly

Veröffentlichungsnummer US20090140603
Erfinder Dean Aslam, Michigan State University
Unter https://www.google.de/patents/US20090140603
Details unter uspto.gov/20090140603.

(b) positive and negative static charge generating wheels, wherein the wheels are spaced apart with respect to each other and secured on the support structure; (c) a belt wrapped around the spaced apart positive and negative static charge generating wheels

[0007] A Van de Graaff generator is an electrostatic generating machine which uses a moving belt to accumulate very high voltages. Typically, these voltages are accumulated on a hollow metal globe. The potential differences achieved in modern Van de Graaff generators can reach 5 megavolts (5,000,000 V). Applications for these high voltage generators include driving X-ray tubes, accelerating electrons to sterilize food and process materials, and accelerating protons for nuclear physics experiments. The Van de Graaff generator can be thought of as a constant-current source connected in parallel with a capacitor and a very large electrical resistance.

[0008] A simple Van de Graaff generator typically consists of a belt of silk, or a similar flexible dielectric material, running over two pulleys, one of which is surrounded by a hollow metal sphere. Two electrodes (upper and lower), in the form of sharply pointed cones, are positioned respectively, one near to the bottom of the pulley (lower) and one inside the sphere (upper). The upper electrode is connected to the sphere, and a high DC potential (with respect to earth) is applied to the lower electrode; a positive potential in this example.

Deutsch:
[0007] Ein Van-de-Graaff-Generator ist eine elektrostatische Erzeugungsmaschine, die ein sich bewegenden Band nutzt, um sehr hohe Spannungen ansammeln. Typischerweise werden diese Spannungen auf einer hohlen Metallkugel gesammelt.
Die Potentialunterschiede in der modernen Van-de-Graaff-Generatoren erreicht werden kann, 5 Megavolt (5.000.000 V) zu erreichen. Anwendungen für diese Hochspannungsgeneratoren umfassen Fahrröntgenröhren, Beschleunigen von Elektronen, um Nahrung und Hilfsstoffe zu sterilisieren, und beschleunigt Protonen für Kernphysik Experimente. Der Van de Graaff-Generator kann als eine Konstantstromquelle parallel zu einem Kondensator und einem sehr großen elektrischen Widerstand verbunden betrachtet werden.

[0008] Ein einfacher Van de Graaff-Generator besteht typischerweise aus einem Gürtel aus Seide oder einem ähnlichen flexiblen, dielektrischen Material, über zwei Rollen, von denen eine von einem hohlen Metallkugel umgeben läuft.
Zwei Elektroden (obere und untere), in der Form von spitz zulaufenden Kegel, sind jeweils angeordnet, eine nahe an der Unterseite der Seilscheibe (unten) und einem im Inneren der Kugel (oberen). Die obere Elektrode ist mit der Kugel, und eine hohe Gleichspannung (bezogen auf Masse) wird an die untere Elektrode angelegt wird; ein positives Potential in diesem Beispiel.


[0009] The high voltage ionizes the air at the tip of the lower electrode, repelling (spraying) positive charges onto the belt, which then carries them up and inside the sphere. This positive charge induces a negative charge to the upper electrode and a positive charge to the sphere (to which the upper electrode is connected). The high potential difference ionizes the air inside the sphere, and negative charges are repelled from the upper electrode and onto the belt, discharging it. As a result of the Faraday cage effect, positive charge on the upper electrode migrates to the sphere regardless of the sphere's existing voltage. As the belt continues to move, a constant charging current travels via the belt, and the sphere continues to accumulate positive charge until the rate that charge is being lost (through leakage and corona discharges) equals the charging current. The larger the sphere and the farther it is from ground, the higher will be its final potential.

[0010] A further method for building Van de Graaff generators includes using the triboelectric effect. The two rollers for the belt are made of different materials, far from each other on the triboelectric series. When the belt comes into contact with one and is then separated, charge is transferred from the roller to the belt, and the roller becomes charged. When the belt comes into contact with the other roller and is then separated, charge is transferred from the belt to the roller, and that roller develops an opposite charge. The strong electromagnetic-field (e-field) from the rollers then induces a corona discharge at the tip of the pointed electrodes. The electrodes then transfer a charge to the outside of the globe. The remaining operation is otherwise the same as the voltage-injecting version discussed above. This type of generator is easier to build for science fair or homemade projects, since it typically does not require a potentially dangerous high voltage source. The trade-off is that it cannot build up as high of a voltage as the other type, and operation may become difficult under humid conditions (which can severely reduce triboelectric effects).

Deutsch:
[0009] Die Hochspannung ionisiert die Luft an der Spitze der unteren Elektrode, abstoßende (Spritzen) positive Ladungen auf das Band, die dann trägt sie auf und in der Kugel.
Diese positive Ladung induziert eine negative Ladung auf die obere Elektrode und eine positive Ladung auf der Kugel (dem die obere Elektrode angeschlossen ist).
Die hohe Potentialdifferenz ionisiert die Luft im Inneren der Kugel, und negative Ladungen werden von der oberen Elektrode und auf das Band abgestoßen, entladen wird.
Als Ergebnis des Faraday-Käfig-Effekt, positive Ladung auf der oberen Elektrode wandert in den Bereich, unabhängig von der vorhandenen Spannung in der Kugel.
Wenn sich das Band bewegt sich weiter, eine konstante Ladestrom gelangt über den Gürtel, und die Kugel weiterhin positive Ladung, bis die Rate, die zu laden ist (durch Leckage und Koronaentladungen) verloren akkumulieren entspricht der Ladestrom. Je größer der Bereich und je weiter es von der Masse ist, desto höher wird ihre endgültige Potenzial.

[0010] Ein weiteres Verfahren für den Aufbau von Van de Graaff-Generatoren umfasst die Verwendung die triboelektrische Wirkung.
Die beiden Rollen für den Riemen sind aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, weit voneinander entfernt auf der triboelektrischen Reihe.
Wenn das Band in Kontakt mit einer und dann abgetrennt wird Ladung von der Walze auf das Band übertragen wird, und die Walze aufgeladen wird. Wenn das Band in Kontakt mit der anderen Rolle kommt und dann abgetrennt wird Ladung von dem Band zu der Walze übertragen wird, und daß die Rolle entsteht eine entgegengesetzte Ladung. Das starke elektromagnetische Feld (E-Feld) von den Walzen induziert und mit einer Koronaentladung an der Spitze des Spitzenelektroden. Die Elektroden übertragen Sie dann eine Ladung auf der Außenseite des Globus. Der verbleibende Betrieb ist ansonsten die gleiche wie die spannungseinprägenden Version oben diskutiert. Dieser Generatortyp ist einfacher, für die Wissenschaft fair oder hausgemachte Projekte zu bauen, da es in der Regel nicht eine möglicherweise gefährliche Hochspannungsquelle erforderlich. Der Nachteil ist, dass es nicht aufbauen können, wie hoch der Spannung wie die andere Art, und der Betrieb kann unter feuchten Bedingungen (die triboelektrische Effekte erheblich reduzieren können) schwierig werden.

->triboelektrischer Effekt funktioniert nicht bei Luftfeutigkeit

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