Selbstbau einer Influenzmaschine

Zweifellos zählen Vorführungen mit hohen Spannungen zu den beeindruckendsten Erlebnissen auf dem Gebiet der experimentellen Physik. Die Erzeugung künstlicher Blitze, verbunden mit Knall- und Leuchteffekten übt seit jeher eine magische Anziehungskraft nicht nur auf gelegentliche Besucher aus.

Beim Anblick solcher Dinge geraten selbst Fachleute ins Schwärmen und erinnern sich vielleicht an den einen oder anderen Versuch (lang lang ist´s her) im Physikunterricht.
Im Grunde genommen ist das Funktionsprinzip einer solchen Wimshurst-Maschine recht einfach: Elektrische Ladungen werden durch dynamische Vorgänge getrennt und in spannungsfesten Bauteilen gespeichert. Zwischen den Elektroden steigt das Potential stetig an, bis es schließlich zum mehr oder weniger effektvollen Ladungsausgleich kommt.

Bei Influenzmaschinen ist es grundsätzlich so, dass die Spannung zwar recht hoch, der Strom aber äußerst gering ist. Ein kontinuierlicher kräftiger Stromfluß, wie etwa bei der Tesla-Spule oder anderen mit Transformatoren betriebenen Vorrichtungen tritt hier nicht auf. Das bedeutet jedoch keinesfalls, dass ein solches Gerät zu den harmlosen zählt!
Die Ursache findet man im Ladungsspeicher - einem hochspannungsfesten Kondensator. Die Entladung selbst vollzieht sich außerordentlich schnell und lautstark. Sie ist dabei auf einen sehr kleinen nahezu punktförmigen Bereich konzentriert. Es entsteht - genau wie bei einem Gewitterblitz - ein Plasmakanal und nahezu die gesamte gespeicherte Energie wird schlagartig freigesetzt.
Die Kapazität des Kondensators beeinflusst in Verbindung mit der anliegenden Spannung den Energiegehalt der Entladung. Dabei sollte man nicht vergessen dass doppelte Spannung das vierfache an Energie bedeutet.
Die maximale Schlagweite der hier vorgestellten Maschine liegt in trockener Luft bei ca. 80 mm. Das entspricht einer Spannung von immerhin etwa 70.000 bis 80.000 Volt!

Papier und Pappe, dünne Isolierfolien und Sperrholzscheiben werden damit mühelos durchlöchert. Man kann Sprühentladungen erzeugen, diverse Gegenstände, sich selbst oder eine andere mutige Person (elektrisch) aufladen. Interessant sind auch Versuche mit gasgefüllten Röhren und verschiedenen Elektrodenformen.

Achtung! Influenzmaschinen sind kein Spielzeug! Insbesondere schreckhafte Personen und Kinder sind vor dem Beginn der Vorführung entsprechend zu warnen. Während des Betriebes der Maschine ist sicherzustellen dass geladene Teile nicht unabsichtlich berührt werden können.

Funktionsprinzip und Aufbau einer Influenzmaschine

Das Funktionsprinzip ist, wie ich finde, auf anderen Webseiten hinreichend erklärt, ich werde mich deshalb an dieser Stelle mehr dem praktischen Aufbau widmen und einige mir besonders wichtig erscheinende Details etwas ausführlicher behandeln.

Die Scheiben

sind bei der hier vorgestellten Maschine gewissermaßen das Herz. Generell gilt: Je größer der Scheibendurchmesser und je höher die Anzahl der Segmente, desto mehr Spannung kann generiert werden. Für Einsteiger empfehle ich einen Durchmesser zwischen 15 und 25 cm. Als Material habe ich Plexiglas verwendet, andere Isolierstoffe (Glas, PVC, Polystyrol) eignen sich natürlich ebenfalls.
Man sollte dabei unbedingt darauf achten, dass es sich um unbeschichtetes Material handelt. Entspiegeltes Glas oder Plexiglas (zu erkennen an der bläulichen bzw. rötlichen Oberfläche) ist ungeeignet.
Wer sich die Mühe der Scheibenherstellung sparen will, kann auch ausgediente Schallplatten verwenden. Natürlich sind diese nicht so hoch isolierend wie Plexi, und sehen auch nicht so professionell aus, aber für den Anfang kann man damit trotzdem gut leben.
Die Schwierigkeiten beim Bau einer solchen Maschine liegen, wie sich in der praktischen Ausführung gezeigt hat, in ganz anderen Details. So etwa bei der Anfertigung und Befestigung der Metallsektoren oder dem Bau hochspannungsfester Kondensatoren.

Bei den Scheiben ist es wichtig, daß sie rund laufen und sehr eben sind, denn der Abstand zwischen ihnen beträgt nur wenige mm. Sie drehen sich gegenläufig und sind spielfrei gelagert.

Den Werdegang zeigen die Fotos. Ausgehend von zwei Quadraten habe ich die Teile zunächst mit der Bandsäge ausgesägt. Damit möglichst wenig Nacharbeit anfällt, ist es vorher unbedingt notwendig den Mittelpunkt zu markieren. Dieser wurde durchbohrt, die Scheibe auf ein Brett gelegt und ein Nagel durchgeschlagen. Vorsicht! Plexiglas splittert leicht, das Loch also immer ein klein wenig größer bohren als der Nageldurchmesser. Als Kühlmittel beim Bearbeiten eignet sich Wasser sehr gut.

So vorbereitet kann man den Kreis sauber anzeichnen, indem der Stift mit der Hand fixiert und die Scheibe möglichst gleichmäßig darunter weggedreht wird. Nach dem Aussägen wurden die Scheiben noch auf einer Fräseinrichtung nachgearbeitet und zum Schluß die Kanten mit feinem Schleifpapier geglättet.

Etwas knifflig kann das Aufbohren für die Achslager sein, denn bei der Verwendung eines Spiralbohrers mit mehr als 3 mm Durchmesser besteht bei so dünnem Material ein hohes Risiko daß der Bohrer hakt und das Material aussplittert. Entweder verwendet man deshalb einen Holzbohrer, oder eine passende Lochkreissäge. Das klingt jetzt vielleicht alles ein bißchen banal, aber wer schon einmal erlebt hat, was passiert wenn sich ein schöner dicker Bohrer in Plexiglas verhakt, weiß wovon ich rede.

Als Lageraufnahme für die Kugellager, dienen zwei ebenfalls aus Plexi hergestellte Buchsen mit einem angedrehtem Bund in der Mitte. Darauf wird später die Scheibe zentriert und mit Schrauben befestigt. Zumindest für die Anfertigung dieser Buchsen, die man selbstverständlich auch aus Metall herstellen kann, ist eine Drehmaschine erforderlich.
Es gibt solche Teile auch fertig zu kaufen. Wichtig ist, daß sie vom Durchmesser her mit der Achse und den Scheiben gut zusammenpassen. Ich gehe übrigens nicht ohne Grund so ausführlich auf diese scheinbar einfachen Dinge ein.
Wird an dieser Stelle nachlässig gearbeitet, ist späterer Frust vorprogrammiert und die Funktion des Projektes in Frage gestellt. Eine Influenzmaschine mit herumeiernden und schlackernden Scheiben die eventuell noch quietschen ist ein höchst unwürdiger Anblick - jedenfalls aus der Sicht des Technikers gesehen.

Nehmen Sie sich also für diesen Teil der Arbeit unbedingt Zeit, dann könnte das ganze nach dem Zusammenbau vielleicht so aussehen wie auf dem Foto links.
Die beiden Lagerböcke sind in der Höhe so bemessen, daß der Antrieb darunter oder daneben noch bequem Platz findet. Die Lager wurden nach dem Ausrichten und Zentrieren der Scheiben mit etwas Epoxidharz fixiert.

Mit einer Teilmontage läßt sich der Rundlauf und ein eventueller Seitenschlag kontrollieren. Auch kleine Korrekturen sind noch möglich. Übertreiben muß man es damit aber nicht, geringe Abweichungen sind durchaus tolerierbar. Wenn alles soweit paßt, kann man sich, nach ein paar Minuten der Ergötzung, dem nächsten Bauabschnitt zuwenden.

Der Antrieb

Bei vielen Maschinen älterer Bauart wird dafür eine einfache Handkurbel benutzt. Das ist zweifellos sehr umweltfreundlich und für kurze Vorführungen, etwa um Onkel Paul oder Tanta Erna gehörig zu erschrecken, ausreichend.
Längere Experimente, und dafür ist das gute Stück ja eigentlich gedacht, sind so natürlich nicht möglich. Aus diesem Grund ist ein Elektromotor als Antrieb absolut kein Luxus, zumal sich der Energiebedarf hierfür in einem sehr überschaubaren Bereich bewegt.
Die Scheibendrehzahl liegt etwa zwischen 100 bis 500 U/min, wobei eine höhere Drehzahl nicht unbedingt mehr Spannung erzeugt, aber eine schnellere Aufladung bewirkt. Ich benutze zwei kleine Motoren, und habe diese leicht seitlich angeordnet - denn die Neutralisatoren werden in der Praxis ohnehin nie senkrecht eingestellt.
Als Antriebsriemen kamen solche aus Kassettentonbandgeräten zum Einsatz. Das Untersetzungsverhältnis kann von etwa 1:3 bis 1:6 veranschlagt werden, so läßt sich die Scheibendrehzahl mit der Motorspannung bequem regulieren.

Die Scheibeneinteilung und der Belag

Dazu ist es notwendig die Scheiben zunächst in gleich große Sektoren einzuteilen. Die Gesamtanzahl muß geradzahlig sein, die Anzahl auf beiden Scheiben natürlich gleich. Wenn man z.B. 24 (je Scheibe) nimmt, ist die Aufteilung mit einem Zirkel recht einfach zu bewerkstelligen. Sorgfältige Arbeit ist an dieser Stelle sehr wichtig. Planen Sie also besser etwas mehr Zeit ein, denn schließlich soll das Ergebnis ja auch Optisch etwas hermachen...

Der Belag besteht aus Metallsegmenten. Ich habe dazu Messing verwendet, man kann auch selbstklebende Aluminium oder Kupferfolie nehmen. Leider ist das Zurechtschneiden von Hand sehr mühselig und nach einigen Fehlversuchen mit einem völlig unakzeptablen Resultat kam mir die zündende Idee: Warum die Segmente nicht aus dünnem Messingblech ätzen? Gedacht getan, hier nun das Rezept:

- Zeichnen der Segmente mit dem PC (z.B. Sprint-Layout) und vervielfältigen
- Ausdruck auf Fotopapier und Positivfilmtasche anfertigen
- Messingblech (z.B. 0,15 mm) in entsprechende Stücke schneiden und beidseitig mit "Positiv 20" beschichten
- Nach Lackaushärtung belichten, entwickeln, ätzen
- zum Schluss eventuell noch etwas entgraten

Ich denke, die Fotos sprechen für sich. Die Segmente sind absolut identisch und eben. Sie lassen sich daher leicht auf den Scheiben anbringen. Zum Aufkleben sollten Sie, sofern keine selbstklebende Folie verwendet wird, einen dauerelastischen Klebstoff benutzen. Epoxidharz ist übrigens mit Vorsicht zu genießen. Es platzt im ausgehärtetem Zustand von vielen Kunststoffen u.a. aufgrund der glatten Oberfläche gern wieder ab.

Wichtig: Reinigen Sie die Scheiben vor dem Aufkleben der Segmente ordentlich. Am besten mit Spiritus oder Isopropanol, aber bitte keine Verdünnung oder Aceton verwenden! Falls Sie sich mit dem Klebstoff nicht ganz sicher sind, führen Sie vorher eine "Probeklebung" auf einem Stückchen Scheibenabfall durch.

Die Zwischenmontage

Nach so viel Präzisionsarbeit rate ich dazu einen Testaufbau durchzuführen. Das ist wichtig um beispielsweise die Platzaufteilung auf der Grundplatte zu überprüfen. Ausserdem kann man die endgültige Funktion des Antriebes jetzt testen.
Die Scheiben sollen sich dabei leicht und möglichst vibrationsfrei entgegengesetzt und ohne sich zu berühren drehen. Wenn die Segmente auch bei hoher Drehzahl nicht durch die Gegend fliegen, haben Sie auf jeden Fall den richtigen Klebstoff gewählt.
Wundern Sie sich nicht, wenn es plötzlich knistert und ein wenig nach Ozon riecht. Das ist vielmehr das sicherste Zeichen, dass die Maschine später funktionieren wird.

Die Neutralisatoren

Ein für die Funktion sehr wichtiges Detail sind die beiden schräg stehenden Metallbügel, die sogenannten Neutralisatoren. Deren Aufgabe besteht darin Restladungen auf den metallischen Scheibensegmenten zu neutralisieren - daher auch der Begiff "Neutralisator". Zu diesem Zweck befinden sich an den Enden kleine Pinsel aus leitfähiger Folie, Kohlefasern oder sehr feiner Kupferlitze. Während der Scheibenrotation berühren diese Pinselchen die Metallsegmente ganz leicht und schließen immer die jeweils gegenüberliegenden Segmente kurz. Das ist übrigens auch der Grund, weshalb die Anzahl der Segmente geradzahlig sein muß.

Die Ausführung ist eigentlich unkritisch. Wichtig ist aber daß sich die Bügel im Winkel verstellen lassen. Man kann zur Arretierung beispielsweise kleine Madenschrauben verwenden und die Bügel einfach mit auf der Scheibenachse befestigen.
Auf dem Foto kann man den Aufbau recht gut erkennen. Als Pinsel dient hier dünne Kupferlitze aus einer Messleitung. Die Litze ist mit einer M2 Schraube an einer schwachen Spiralfeder befestigt. Die Feder wiederum ist über eine weitere Schraube mit dem Alubügel verbunden.
Der Druck auf die Metallsegmente ist somit sehr gering und gut justierbar. Mit der Stellung der Neutralisatoren ist es möglich die Maschine auf maximale Spannung, bzw. maximalen Strom einzustellen.
Die Drehrichtung der Scheiben entscheidet über die Stellung der Neutralisatoren. Bei der Maschine im Bild (ganz oben) dreht sich die vordere Scheibe nach links, also entgegen dem Uhrzeigersinn. Mit dieser Position ist eine maximale Spannung erreichbar.

Die Abnehmer

haben die Aufgabe die Ladungen welche sich auf den Metallplättchen ansammeln abzuleiten und den Kondensatoren zuzuführen. Die Realisierung erfolgt mit Kupferdraht, welcher an den Enden etwas abgequetscht wurde. So entsteht eine art scharfkantige Spitze (je scharfkantiger und spitzer um so besser), wobei der Abstand zu den Scheiben etwa 3 mm beträgt. Die Abnehmer berühren die Scheiben also nicht direkt.

Weil an den Abnehmern während des Betriebes die volle Hochspannung anliegt, ist eine gute Isolation Pflicht. Ich habe die Haltesäulen deshalb ebenfalls aus Plexi angefertigt.
Überhaupt ist Plexiglas ein für solche Projekte wunderbar geeignetes Material. Reststücke kann man bei den meisten Händlern für wenig Geld oder sogar umsonst bekommen. Einziger Nachteil sind die im wahrsten Sinne des Wortes fliegenden Späne - auf dem rechten Foto gut zu sehen.

Die Kondensatoren

Normalerweise werden in Influenzmaschinen als Kondensatoren sogenannte Leidener Flaschen verwendet. Man kann solche aus Glas oder Plexiglas selbst herstellen, im Internet sind reichlich Bauanleitungen zu finden.
Die Kondensatoren besitzen zwar nur geringe Kapazitäten, Werte zwischen 100 pF und 500 pF sind gebräuchlich, dafür jedoch eine enorme Spannungsfestigkeit.
Die wird auch benötigt, denn immerhin ist bei 25 cm Scheibendurchmesser mit Spannungsspitzen bis zu 100 KV zu rechnen. Für die hier gezeigte Maschine habe ich RFT-Hochspannungskondensatoren aus Restbeständen verbaut. Diese sind mit 470 pF bei 10 KV Spannungsfestigkeit angegeben, wobei aber noch ein gewisser Sicherheitsfaktor hinzu kommt. Man kann also getrost mit Nennspannung + Mehrwertsteuer rechnen. Die Kondensatoren sind in zwei Reihen zu je 3x3 Stück verschaltet, das ergibt eine Gesamtkapazität von 235 pF. Geerdet wird an der Scheibenachse.
Selbstverständlich ist es auch möglich nur einen Kondensator (Spannungsfestigkeit beachten !!) zu benutzen. Diesen schaltet man erdfrei einfach zwischen die beiden Abnehmer.

Die Elektroden

Die eigentlich wahrnehmbaren Effekte spielen sich natürlich an den Elektroden ab. Hier erfolgen die imposanten Überschläge und von hier aus wird die Spannung an andere Expertimentierobjekte geleitet.
Die Form der Elektroden entscheidet ganz wesentlich über die Funkenlänge. Es lohnt durchaus mit verschiedenen Formen zu experimentieren. Die klassische Doppelkugel dürfte vermutlich die am häufigsten eingesetzte Elektrodenform sein, wenn es um maximale Funkenlänge geht.

Beim Hantieren mit hohen Spannungen sind unbedingt gewisse Sicherheitsregeln zu beachten. Überschläge in den menschlichen Körper sind, gelinde ausgedrückt, höchst unangenehm. Deshalb habe ich für die Elektrodenhalter extra hochisolierende Griffe angefertigt. Mit diesen ist es gefahrlos möglich die Elektroden während des Betriebes zu drehen, zu schwenken bzw. in der Höhe zu verstellen.
Bei den Elektrodenhaltern und Elektroden muss man, wie bei allen anderen Metallteilen, unbedingt auf glatte Oberflächen und abgerundete Kanten achten. Gewindestangen eignen sich deshalb - aufgrund der dann auftretenden Sprühentladungen - nicht.

Hier zwei Fotos von Entladungen bei 8 cm Elektrodenabstand. Leider ist es aufgrund der extremen Helligkeit nicht ganz einfach solche Dinge im Bild festzuhalten. Ich habe versucht mit einem Graufilter etwas abzudämpfen, dennoch können die Fotos nur unvollkommen die besondere Ästhetik solcher Erscheinungen vermitteln.
Der Plasmakanal entsteht ja in immer neuen bizarren Formen, und je weiter die Elektroden voneinander entfernt werden, desto mehr ähnelt der anfängliche Funke einem richtigen Blitz.

Zum Schluß noch ein gut gemeinter Rat: Nach dem Stillstand der Maschine sollte man sich angewöhnen die Kondensatoren durch zusammenführen der Elektroden zu entladen. Man glaubt gar nicht wie lange die gute Isolierung eine elektrische Ladung halten kann...

einige technische Daten...

• Scheibendurchmesser 220 mm, Abstand 2,5mm, Plexiglas 2mm dick
• 24 Segmente pro Seite, Messingblech 0,15 mm
• Antrieb mit Elektromotoren, Untersetzungsverhältnis 1:3,5
• Motorbetriebsspannung 3 bis 6 V, Scheibendrehzahl 100 bis 500 U/min
• Polystyrolkondensatoren 470 pF/10.000 V als Ladungsspeicher
• Gesamtkapazität 235 pF
• maximaler Elektrodenabstand (Schlagweite) ca. 80 mm
• Ladezeit bei max. Funkenlänge und mittlerer Drehzahl ca. 2 s
• Grundplatte 200x300 mm, 20 mm dick, Plexiglas

Zusammenfassung und Ausblick

Zunächst muß ich sagen, daß mich das Ergebnis dieser Bastelei doch etwas überrascht hat. Überrascht im positiven Sinne, denn mit solch hohen Spannungen hatte ich eigentlich nicht gerechnet.
Ich konnte während der Bauphase viele neue Erfahrungen sammeln und habe inzwischen ein Menge Versuche mit dieser Maschine durchgeührt. Sie läuft ganz ausgezeichnet, allerdings muss die Schlagweite aufgrund der verwendeten Kondensatoren immer ein wenig begrenzt werden.
Das nächste Exemplar - ein wenig grösser - befindet sich jedenfalls bereits in Planung, dort sind dann Leidener Flaschen angesagt. Ich werde zu gegebener Zeit darüber berichten.