Kelvin-Generator

Der Kelvin-Generator oder Kelvinsche Wassertropfengenerator ist eine Influenzmaschine, die die Energie zum Aufbau der elektrischen Spannung aus der kinetischen Energie von fallenden Wassertropfen gewinnt, die im elektrostatischen Feld abgebremst werden. Der Kelvin-Generator wurde im Jahre 1867 von William Thomson, der sich ab dem Jahre 1892 Lord Kelvin of Largs nannte, beschrieben.

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Die elektrostatische Influenz durch die elektrischen Ladungen der oberen, kleineren Zylinder bewirkt, dass an den Enden der noch geschlossenen Wassersäule die zu den Ladungen der Zylinder ungleichnamigen Ladungen angezogen werden, die dann mit den fallenden Tropfen nach unten transportiert werden. Diese geladenen Tropfen fallen von den oberen, kleineren, ungleichnamig geladenen Zylindern in die unteren, größeren, gleichnamig geladenen Zylinder, die in ihrem Inneren kegelförmige Trichter enthalten, wobei die Tropfen durch das elektrostatische Feld abgebremst werden. In den Trichtern der unteren Zylinder geben die Tropfen ihre Ladung ab, weil sich die gegenseitig abstoßenden Ladungen auf der Aussenseite der metallisch leitfähigen Zylinder verteilen.

Auf welcher Seite des Kelvin-Generators sich die positive und die negative Spannung aufbaut, hängt entweder vom Zufall ab, oder von einer schon zuvor aufgegebenen elektrischen Spannung. So lange man den Kelvin-Generator nicht völlig entlädt, erhöht er seine Spannung durch die positive Rückkopplung der über Kreuz verbundenen oberen und unteren Zylinder so lange, bis ein Funkenüberschlag eintritt, oder bis die Wassertropfen durch das elektrostatische Feld von den unteren Zylindern abgestoßen werden, und in alle Richtungen versprühen.

Mit kleineren Geräten, mit zum Beispiel 60 mm hohen und durchmessenden unteren Zylindern, wie sie in den Bildern dargestellt werden, kann man ungefähr 3000 Volt Spannung erreichen, was einer Funkenstrecke von etwa 3 mm entspricht. Um die Entladungen besser sehen zu können, kann man vor der Funkenstrecke in Reihenschaltung noch eine 220-Volt-Glimmlampe einbauen.

Durch das Flatterblatt-Elektroskop wird gezeigt, dass man die mechanische Energie der Wassertropfen auch wieder teilweise zurück gewinnen kann. Das Flatterblatt-Elektroskop ist eine Variante des Zamboni-Pendels und gehört wie dieses zu den elektrostatischen Pendeln. Beim Flatterblatt-Elektroskop handelt es sich um einen mit Luft isolierten senkrecht stehenden Kondensator, zwischen dessen Platten ein rechteckiges Metallplättchen elektrisch isoliert auf seiner unteren Kante steht. Wenn das Plättchen zu einer der Kondensatorplatten kippt, dann nimmt es deren Ladung an, und wird deshalb vom elektrostatischen Feld zur anderen Platte hin gekippt, wo sich seine Ladung und seine Bewegungsrichtung wieder umkehren.

Noch einfacher aufgebaut ist das diskontinuierliche Gerät, das aber den Nachteil hat, dass man seine Becher von Zeit zu Zeit entleeren muss. Auf Glas als Isolator sollte man bei elektrostatischen Maschinen generell verzichten, weil es durch die Ausbildung einer dünnen Wasserhaut eine nennenswerte Oberflächenleitfähigkeit besitzt. Als Isolatoren sind deshalb wasserabstoßende Kunststoffe viel besser geeignet.