Kelvin-Generator

Der Kelvin-Generator oder Kelvinsche Wassertropfengenerator ist eine Influenzmaschine, die die Energie zum Aufbau der elektrischen Spannung aus der kinetischen Energie von geladenen fallenden Wassertropfen gewinnt. Durch geschickte kreuzweise Verbindung der beiden Ringelektroden mit den beiden Auffangbechern baut sich eine elektrische Spannung zusehends auf. Das Gerät wurde im Jahre 1867 von William Thomson beschrieben, der 1892 Lord Kelvin of Largs wurde.

Wie schon angedeutet besteht der Kelvingenerator aus zwei Ringelektroden, zwei Auffangdosen und einem Wasserreservoire. Die beiden metallischen Auffangbecher sind kreuzweise mit den metallischen Ringelektroden verbunden. Zwischen den beiden Ringelektroden oder den Auffangbechern befindet sich eine Funkenstrecke, welche beim Erreichen einer bestimmten Spannung (z.B. 5 kV) zündet. Danach „lädt“ sich der Generator wieder von vorne auf.

Wie funktioniert nun ein Kelvingenerator? Im Wasser befinden sich immer wieder einmal Ionen, also geladene Atome oder Moleküle. Zum Beispiel kommt es vor, dass ein Wasserstoffatom ein Elektron abgibt und sich dadurch positiv lädt. Ist das Wasserstoffatom Teil des Wassermoleküls H2O, so ist dieses als Ganzes positiv geladen. Ebenso verhält es sich, wenn etwa ein Sauerstoffmolekül ein zusätzliches Elektron aufnimmt. In diesem Fall ist das Wassermolekül negativ geladen.

Durch Zufall fließt nun ein solch geladenes Molekül auf einer Seite, des Wasserreservoires ab und gelangt in den entsprechenden Auffangbecher, wodurch dieser nun eine elektrische Ladung besitzt. Nehmen wir an, der rechte Auffangbecher sei leicht positiv geladen. Durch die leitende Verbindung ist nun aber auch die linke Ringelektrode positiv geladen. Was passiert nun? Durch die positive Ladung der linken Ringelektrode baut sich ein elektrisches Feld um dieser herum auf. Dieses Feld stößt positive Ladungen ab und zieht negative Ladungen an.

Dieses elektrische Feld führt nun dazu, dass sich im linken Teil des Wasserreservoires negative Ladungen anhäufen und abfließen. Solange das Wasser oben im Reservoir zusammenhängt und als zunächst durchgehender Strahl nach unten fließt, ist es eine leitfähige Verbindung. In einem Leiter können sich Ladungen (Ionen) frei bewegen.wirkt auf den noch zusammenhängenden Wasserstrahl, der durch den Ring ragt. Konkret werden durch den positiv geladenen linken Ring die positiven Ladungen im Wasser nach oben (zurück in das Reservoir) verdrängt. Die negativen Ladungen im Wasser werden hingegen vom Ring nach unten in die Spitze des Strahls gezogen.

Die Tropfenbildung des Wasserstrahls fungiert sodann als Falle. Die entscheidende Stelle ist der Punkt, an dem der Strahl in einzelne Tropfen abreißt. Dieser Abriss passiert idealerweise genau innerhalb (oder kurz hinter) des Rings! Wenn der Tropfen abreißt, wird er physisch vom restlichen Wasser getrennt. Da der Ring zu diesem Zeitpunkt negative Ladungen in die Spitze des Strahls gezogen hat, nimmt der Tropfen diese negative Überschussladung mit. Sobald er abgerissen ist, kann die Ladung nicht mehr zurück fließen. Der Tropfen ist nun permanent negativ geladen und fällt in weitere Folge in den linken Auffangbecher.

Dadurch lädt sich dieser negativ auf. Durch die leitende Verbindung ist nun auch die rechte Ringelektrode negativ geladen, was dazu führt, dass auf der rechten Seite immer mehr postive Ladungen in den rechten Auffangbehälter fallen. Schlussendlich laden sich der rechte Becher immer weiter positiv und der linke Becher immer weiter negativ auf. Die elektrische Spannung zwischen beiden Bechern bzw. Ringelektroden wächst zusehends…
Jetzt könnte man annehmen, dass der negativ geladene Ring die positiven Ionen anzieht und sich dadurch neutralisiert. Über die Luft als Isolator kann dies aber nicht indirekt über Ausgleichsströme funktionieren. Wenn dann müsste das postive Ion selbst zur negativen Ringelektrode wandern. Die Gravitation zieht den Tropfen aber schnell nach unten. Die elektrostatische Anziehung des Rings ist bei den anfangs geringen Ladungen zu schwach, um den Tropfen so weit abzulenken, dass er den Ring berührt. Wenn die Spannung allerdings extrem hoch wird, sieht man tatsächlich, wie die Tropfen zum Teil zerstäuben und zum Ring hingezogen werden und diesen neutralisieren. Dies bricht dann den Ladungsprozess ab.
Zusammenfassend kann man sagen, dass im Bereich der Ringelektrode keine Selektion von positiv und negativ geladenen Ionen erfolgt. Stattdessen wird der gesamte Wasserstrahl im Einflussbereich des Rings polarisiert und trägt weitestgehend nur eine Ladungsart (positiv oder eben negativ)! Der z.B. positive Ring sorgt dafür, dass der Strahl an seinem Ende negativ geladen wird und die Gravitation „reißt“ diese negativen Stücke dann als Tropfen ab und transportiert sie in den unteren Behälter.
Für die Durchführung des Experiments benötigt man lediglich 4 Metalldosen und zwar 2 größere mit Boden und 2 kleinere, deren Boden man mit einem Dosenöffner entfernt. Zusätzlich eine Plastikwanne als Wasserreservoire, zwei Metallstangen zur Verbindung der Becher mit den Ringelektroden und zwei Krokodilskabel, mit denen man eine einfache Funkenstrecke baut. Ich verwende zusätzlich eine kleine Neonglimmlampe zur besseren Veranschaulichung des Funkenüberschlags.
Mit den beiden zum Glück bereits vorhandenen Wasserventilen kann ich die Wasserstrahlen regulieren:
Mit 2-Komponentenkleber fixiert:
   
Für die Auffangbecher werde ich Hundefutterdosen nehmen. Diese bekomme ich von meiner Tochter, da sie einen Staffordshire Bullterrier namens Shady besitzt:
 
Für die Ringelektroden habe ich mir 0.3 mm dünnes Kupferblech bestellt. Damit bin ich erstens von der Größe her flexibler als bei fertigen Dosen und zweitens kann ich leichter einen Metallstab anlöten.
Zur Sicherheit habe ich mir auf Amazon auch noch diese Gardena-Miniventile gekauft, falls meine blauen oben zu wenig Wasserdurchlass ermöglichen sollten:
Inzwischen habe ich mich um den Aufbau bemüht, der nicht wirklich kompliziert ist:

Anstelle einer Funkenstrecke verwende ich kleines Neonglimmlämpchen:
Die beiden Auffangdosen stehen auf einer isolierenden 4 mm Plexiglasplatte:
Hier der fertige Aufbau:
Die Wasserstrahlen sollen ja ca. auf der Höhe der Ringelektroden in Tropfen übergehen. Daher habe ich den ganzen Aufbau auf einen kleinen Hebetisch gegeben und dann die Höhe variiert. Ich bekomme tatsächlich sehr schwache Entladungen im 5 Sekundentakt. Nicht wirklich beeindruckend aber immerhin:
       
Da mich das Ergebnis nicht wirklich befriedigt, werde ich es noch mit kleineren Ringelektroden probieren, also mit kleineren Durchmesser

Gesagt getan, also alles mit kleineren Zylinderelektroden probiert mit dem Resultat, dass nicht einmal die Neonglimmlampe, welche wirklich nicht viel Spannung benötigt, aufleuchtete. Habe ich eigentlich schon gesagt, dass Kelvingeneratoren sehr zickig sind? ;-)Also alles wieder auf Neustart. Vom Baumarkt zwei 75 mm HT-Rohre besorgt (vielen Dank, Bruderherz) und zusammen mit einem großen Styroporblock und Drahtringelektroden auf einen komplett anderen Aufbau gesetzt:

       
Der Wasserstrahl soll eigentlich deutlich unterhalb des Rings erst Tropfen bilden, so wie hier gezeigt:
Trotz der Umbaubemühungen leuchtete nun nicht einmal die Neonglimmlampe mehr periodisch auf. Ein richtiges Erfolgserlebnis… Ich hatte die auf der selben Plexiglasplatte stehenden Auffangbecher im Verdacht. Denn auf diese spritzt auch immer wieder Wasser, sodass der Übergangswiderstand von einer Dose zur anderen wohl deutlich zu gering ist. In weiterer Folge kann sich dann durch diesen ungewollten Entladungsstrom keine Spannung aufbauen. Beim Kelvingenerator reichen schon Leckströme im nA-Bereich, wodurch das Ganze dann nicht funktioniert! Da hilft dann natürlich auch der große Styroporblock darunter absolut nichts 😉
Also nochmals in den Baumarkt (wieder Danke an den Bruder fürs chauffieren) und zwei weitere 75 mm HT-Rohre besorgt. Dieses Mal aber nicht als Stativ für das Wasserreservoire, sondern als Standfüße für die beiden Auffangdosen:
Die Hundefutterdosen passen perfekt in das aufgeweitete Rohrende mit Gummidichtung:
Wie man sieht, bin ich wieder von den Drahtringen zu Zylinder übergegangen:
Beim Zylinder ist es denke ich mir am besten, wenn der Wasserstrahl zirka in der Zylindermitte in Tropfen übergeht. Das Innere ist wohl ziemlich feldfrei (Stichwort Faraday’scher Käfig) und erst darunter wirkt wieder ein stärkeres elektrische Feld auf die Tropfen. Obwohl, eigentlich müssten sie dort dann eh schon geladen sein. Denn durch den abgeschlossenen Tropfen wäre eine Aufladung mMn nicht mehr möglich. Ich werde mich aber daher noch eingehender mit der Theorie des Kelvingenerators beschäftigen müssen…
Jetzt sind die beiden Auffangdosen wirklich gut voneinander isoliert, stehen sie ja gut 25 cm über dem Boden. Und siehe da, es gibt leichte Fortschritte zu vermelden. Die Neonglimmlampe blitzt nun deutlich intensiver auf, sprich es fließt mehr Strom:

Von 2–3 mm Funken bin ich aber leider noch immer weit entfernt. Berührt ein Bein der Neonglimmlampe das kurze vom Zylinder kommende Drahtstück nicht ganz, blitzt sie auch noch auf und zwar recht stark. Ist der Abstand Bein-Draht aber größer als ca. 1–2 mm, so passiert wieder gar nichts. Die Spannung ist dann für den benötigten Funken scheinbar zu niedrig. Führe ich dann das abstehende Bein zum Draht, blitzt die Glimmlampe natürlich wieder auf. Das Ganze befriedigt mich noch in keinster Weise, denn ich will einen Funken sehen, sei er auch nur 1–2 mm lang.

So, neuer Tag, neues Glück. Ich habe ja die Auffangdosen mit Salzsäure von den Hundefutterresten befreit. Möglich, dass dies eventuell den geringen Output erklärt? Also wieder bei meiner Tochter zwei neue Dosen abgeholt und diese jetzt nur mit kochenden Wasser gereinigt. Eingebaut dann die Ernüchterung, es waren überhaupt keine Entladungen mehr sichtbar. Deshalb die neuen Dosen genauer inspiziert und bemerkt, dass deren Innenseite eine leicht andere Farbe haben. Könnte es sich um eine isolierende Beschichtung handeln? Also doch wieder zur Salzsäure gegriffen und diese in die beiden Dosen geschüttet. Und siehe da, da löste sich wirklich etwas.

Sodann neuer Versuch mit den säurebehandelten Dosen, aber wieder kein Erfolgserlebnis. Irgendwie war ich ziemlich ratlos, also noch einmal systematisch vorgehen und den Abstand der Kupferzylinder zu den Auslassventilen sukzessive erhöhen und in jeder Position auch noch mit der Stärke des Wasserstrahls experimentieren. Und endlich, in einer Stellung waren dann wieder die Entladungen der Neonglimmlampe sichtbar. Ich probierte nun ein Bein der Glimmlampe nur bis ca. 2 mm dem Kupferdraht zu nähern und siehe da, was konnten meine schon müde gewordenen Augen wahrnehmen? Funken… 🙂

Tipp: Die beiden Wasserstrahlen sollen wirklich wie vermutet ziemlich genau in der Mitte der Zylinder Tropfen bilden! Der Abstand Wasserauslassöffnung – oberer Zylinderrand betrug bei mir rund 2-3 cm.

Zwar sehr schwach und eben nur 2 mm lang, aber genau das wollte ich sehen. Damit konnte ich auch dieses Projekt für mich zufriedenstellend beenden. Der Aufbau des Kelvingenerators ist wirklich sehr simpel und eignet sich daher sehr gut zum Nachbau. Und warum sollte nur ich mich mit dessen Zicken herumärgern 😉