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Allgemeine Hinweise

Für manche technische Untersuchungsverfahren werden elektrische Stromquellen benötigt, die höhere Spannungen liefern als die Kleinspannung von Batterien und Akkus oder die Mittelspannung der öffentlichen Stromversorgung für Privathaushalte. Nach deutschen Normen zur elektrischen Sicherheit [2] gelten als ungefährlich bei Berührung niederfrequente Wechselspannung bis 25 oder 33 V und Gleichspannung bis 60 oder 70 V. Höhere Spannungen gelten dann als ungefährlich, wenn sie weniger als 0,5 mA Wechselstrom oder 2 mA Gleichstrom bewirken. Diese Werte orientieren sich an durchschnittlich empfindlichen Menschen. Bei außergewöhnlicher körperlicher Verfassung können auch niedrigere Spannungen und Ströme gefährlich sein. Zu Informationen über physikalische Grundlagen der Erzeugung von Hochspannung wird auf andere Veröffentlichungen verwiesen [1].

Praxis - nahe Darstellungen von Hochspannungsvorrichtungen können Interessierte zu deren Realisierung anregen verbunden mit der Gefahr, damit Andere und sich selbst versehentlich oder vorsätzlich zu schädigen. Das gilt jedoch für technische Vorrichtungen generell, auch solche, die gemeinhin als harmlos gelten. Jede/r muss selbst entscheiden, welche Risiken sie/er zur Erreichung eines Zieles in Kauf nehmen will. Gutwillige Anwender/innen sollten jedoch strikt darauf achten, Andere bei Experimenten nicht zu gefährden! Wer mit technischen Mitteln kriminelle Absichten verfolgt, kann praktische Hilfen hierzu in sehr vielen gedruckten und elektronischen Veröffentlichungen finden, so dass die vorliegende Site zwar mengenmäßig, nicht aber inhaltlich zur Ausweitung dieses Informationsangebotes beiträgt. Auch wem seine Mitmenschen nicht mehr respektierens- und schützenswert erscheinen, sollte sich vor einem Einsatz zerstörerischer Mittel für private oder ideologische Ziele klarmachen, dass dieser die Welt noch feindlicher für Menschen und damit auch für sie/ihn selbst machen würde.

Auch Hochspannungstechnik hat der Menschheit das Leben erleichternden Nutzen gebracht und Informationen darüber sollten als Teil der Wissenschaftskultur erhalten bleiben. Im Rahmen der vorliegenden Site kann Hochspannung zum Beispiel dazu dienen, Materialproben zur Emission von Licht für chemische Spektralanalysen anzuregen.

 

Personen mit beeinträchtigter Wahrnehmungs- und Selbstschutzfähigkeit sollten Experimenten mit Hochspannung fernbleiben. Auch der Zugang zu ausgeschalteten Vorrichtungen sollte ihnen verwehrt bleiben. An Kinder und Jugendliche: Die in Ihrer Altersgruppe oft erhöhte Risiko - Bereitschaft kann in Verbindung mit potentiell gefährlichen Experimenten zu Schäden führen, an denen Sie Ihr Leben lang zu tragen haben! Unterstützung erfahrener Erwachsener zu suchen ist weder uncool noch Zeichen von Schwäche, sondern Selbstschutz. Personen mit Herz - Störungen oder implantierten metallischen Teilen oder elektrischen Geräten sollten von Experimenten mit Hochspannung grundsätzlich Abstand nehmen! Wegen der Gefahr Hochspannung - induzierter Explosionen sollte bei Versuchen damit eine Schutzbrille getragen werden. Vor Arbeiten an Hochspannungsgeräten sollten nicht nur Aus - Schalter betätigt sondern auch die Strom - Quellen selbst abgetrennt werden (Ziehen von Netz - Steckern, Entfernen von Batterien) sowie Kondensatoren durch Kurzschließen mit hochspannungsfesten isolierten Leitungen entladen werden. Während des Betriebs solcher Vorrichtungen sollten isolierende Handschuhe getragen werden, jedoch keine luftdicht anliegenden Gummi - Artikel, die von Hochspannungsfunken durchschlagen werden können und den Haut - Widerstand durch Schweiß - Anregung senken, sondern nicht zu dünne Textil - oder Kunstleder - Modelle. Um Stromfluss zwischen beiden Händen durch das Herz zu verhindern, sollte bei Annäherung an Hochspannung führende Teile eine Hand in eine Hosentasche gesteckt oder wenigstens auf dem Rücken gehalten werden. Für Notfälle sollten Feuerlöscher und Telephon in unmittelbarer Nähe bereitstehen.

 

Liefert der Ausgang eines Generators Hochspannung in Form von Impulsen, kann ein Schwingkreis dazu benutzt werden, aus jedem dieser Impulse eine kurzdauernde Schwingung mit einer Frequenz höher als die des Generators zu erzeugen.

Piezoelektrische Spannungsquellen

Wird ein Festkörper aus geeignetem (piezoelektrischem) Material mechanisch beansprucht, verschieben sich in diesem auf atomarer Ebene elektrische Ladungen, und zwar die positiven und die negativen in entgegengesetzte Richtungen (piezoelektrischer Effekt). In an der Oberfläche eines solchen Körpers anliegenden Elektroden induziert diese Ladungsverschiebung eine Spannung, die bei ausreichender Größe des Körpers einige 1000 V erreichen kann. Die ableitbaren Ströme sind wegen des hohen elektrischen Widerstandes piezoelektrischer Materialien relativ klein, reichen aber zur Erzeugung von Zündfunken in Gasanzündern oder Taschenfeuerzeugen aus.

Im Elektronik - Handel werden piezoelektrische Module angeboten, die durch Druck auf eine Taste Hochspannung an ihren elektrischen Anschlüssen erzeugen. Der Einbau eines solchen Moduls in eine Halterung ist nachfolgend beschrieben [3]:

Wird die rote Taste des Moduls tief heruntergedrückt bis über einen Widerstandspunkt hinaus, entsteht zwischen der zentralen Elektrode, auf die im Bild links die mit dem Modul gelieferte Leitung aufgesteckt ist, und der randlichen Elektrode, die im Bild rechts auf der Unterseite des Frontkragens erkennbar ist, eine Spannung, die nach Katalog - Angaben bis 15000 V (15 kV) betragen kann. Wird das Modul als solches in der Hand gehalten und betätigt, können Funken von den Elektroden zur Hand überspringen. Zum Einen sollte dies dem Körper erspart werden, zum Anderen mangelt es einer so erzeugten Spannung an Reproduzierbarkeit. Daher sollte für Experimente das Modul in ein Gehäuse eingebaut werden.

Zur Befestigung auf einem Träger hat das Modul 2 seitliche Schnappklammern (snap in - Montage). Um es damit wackelfrei einzubauen ist jedoch ein sehr genaues Ausschneiden der notwendigen Aussparungen aus einer 1,5 mm dicken Platte erforderlich. Alternativ kann das Modul auch zwischen zwei aneinander geschraubte Platten eingeklemmt werden:

		Das Schema links zeigt das zwischen 2 Platten eingeklemmte Modul. 3 Schrauben genügen zum Aneinanderschrauben der Platten. Das Modul liegt mit seinem Kragenring der Unterseite einer isolierenden Frontplatte an unter einem je nach Plattendicke 12 bis 20 mm großen Bohrloch, durch das der Schaltknopf hindurchragt. Dieser muss zur Auslösung eines Spannungspulses bis fast auf den Kragen heruntergedrückt werden. Letzterer sollte deshalb entweder nicht zu tief unterhalb der Frontplattenoberfläche liegen oder diese etwas überragen. Die zweite, ebenfalls isolierende Platte hält mit einem 10 bis 12 mm großen Bohrloch das Modul an einer Stufe in seinem Gehäuse fest.
		Die randliche Modul - Elektrode kann durch eine gegen sie drückende, auf der unteren Halteplatte befestigte Spulen- oder Blattfeder aus Metall kontaktiert werden oder durch einen an die Elektrode gelöteten Draht, dessen anderes Ende zur Verhinderung einer mechanischen Belastung der Lötstelle zum Beispiel an einem Kontaktstützpunkt (Mini - Telephonbuchse wie im Schema links, aufgeschraubte oder aufgeklebte Lötöse, liegend aufgeklebte Mini - Bananenkupplung, aufgeklebte oder aufgeschraubte Schraubklemme) auf der unteren Halteplatte befestigt ist. Da das Lötzinn vom Kunststoff um die randliche Modul - Elektrode herum schon bei geringer mechanischer Beanspruchung leicht abplatzt, sollte der Verbindungsdraht zunächst an den Stützpunkt angeschlossen und erst danach an die Modul - Elektrode gelötet werden.

Das Bild rechts zeigt eine stand alone - Ausführung einer Modul - Befestigung. Die Verwendung von Lochraster - Platinen, ohne Kupfer - Beschichtung zur Vermeidung parasitärer Funken - Überschläge, macht die Einhaltung gleicher Abstände zwischen den Bohrlöchern auf beiden Platten leicht möglich durch Abzählen der Raster - Löcher und deren Nutzung als Führung für die Bohrerspitze. Die 1,5 mm dicken Platinen biegen sich beim Festdrehen der Schraubenmuttern etwas durch, was weniger schön aussieht, aber die Funktion nicht stört. In den Platinen aus Hartpapier erzeugte ein Holzbohrer ausgerissene und zersplitterte Lochränder; ein Metallbohrer brachte deutlich sauberere Ergebnisse. Wegen geringer Haltbarkeit einer getesteten Lötverbindung wurde die im Winkel des Kragens des Piezo - Moduls befindliche Elektrode mittels eines angeklebten Kunststoff - isolierten Drahtes kontaktiert. Als Kleber wurde ein nach dem Aushärten elektrisch leitfähiges, Kohlenstoff als Leitmittel enthaltendes Produkt verwendet [8]. Um die Klebestelle vor mechanischem Stress bei Bewegungen des Anschluss - Drahts zu schützen wurde Dieser durch ein Bohrloch in der unteren Plattform der Vorrichtung zu einer Schlaufe festgezogen und an dieser Stelle mit leicht wieder ablösbarem Photokleber fixiert.

 

Um Funkenüberschläge zwischen den beiden Strängen einer elektrischen Leitung vom Modul zu einem mit Spannung zu versorgendem Gerät, aber auch zwischen den Leitungssträngen und den Befestigungsschrauben zu vermeiden, müssen die Stränge entlang des Leitungsweges auf ausreichende Distanz zueinander und zu den Schrauben gehalten werden. Das vom Verfasser getestete Modul - Exemplar erzeugte Funken, die bis etwa 13 mm Luft - Strecke überbrückten. Auch beim Halten der Funkenelektroden mit den Händen an ihren elektrischen Isolierungen können Funken in die Hände überspringen, was beim Verfasser wirkt wie die Berührung eines unter Hochspannung stehenden Weide - Zaunes. Vor direktem Berühren der blanken Elektroden - Teile, das noch wesentlich unangenehmere Empfindungen bewirken könnte, sei hier dringend gewarnt.

Da das Lötzinn auf dem Elektrodenstummel am Kragenring nur sehr schlecht haftet, ist wegen der Erschütterung des Moduls beim Drücken der Taste das Absprengen des an diese Elektrode gelöteten Drahtes nur eine Frage der Gebrauchszeit der Vorrichtung. Anlöten eines Drahtes ist daher die schlechteste Lösung zur Kontaktierung dieser Elektrode. Zu Alternativen siehe oben.

Nach Ferigstellung der oben beschriebenen Vorrichtung erfuhr der Verfasser von im Restposten - Handel angebotenen sehr billigen Piezo - Hochspannungsmodulen, die zwar kleiner waren als das oben genannte Modul, aber leichter kontaktierbare elektrische Anschlüsse hatten und gut sichtbare Funken von etwa 1 cm Länge erzeugten [7]. Wurden jedoch bei diesen Exemplaren die Elektroden einer äußeren Funkenstrecke bis zum Aufhören der Überschläge auseinander gezogen, waren beim Drücken des Modul - Tasters Funken im Gehäuse - Inneren zu sehen.

Im Lehrmittel - Handel sind auch experimentierfertig in Gehäuse eingebaute piezoelektrische Hochspannungsmodule erhältlich [4].

Induktive Spannungsquellen

Wird ein eine Spule enthaltender, von Gleichstrom durchflossener elektrischer Strom - Kreis abrupt geöffnet, entsteht aus dem nach Strom - Abschaltung schnell abnehmenden Magnetfeld der Spule durch Selbstinduktion eine Spannung, die mit der Induktivität der Spule und mit der Stärke des vor der Unterbrechung geflossenen Stroms zunimmt und weit höher sein kann als die Spannung der abgeschalteten Strom - Quelle.

Transformatoren (Trafos) zur Erzeugung von Hochspannung sind zum Beispiel als Ersatz - Teile für technische Geräte kommerziell erhältlich (Ölbrenner - Trafos für Öl - Heizungen, Zeilentrafos für TV - Geräte mit Röhrenbildschirmen, Zündtrafos für Verbrennungsmotoren).

Auch mit Blitzröhren arbeitende Schaltungen von Photo - Blitzgeräten erzeugen Hochspannung nach dem Induktionsprinzip.

Eine spezielle Variante eines Hochspannungstrafos ist der nach dem Elektrotechnik - Spezialisten N. Tesla benannte Trafo, der mit Hochfrequenz - Wechselstrom arbeitet [5].

Spannungsvervielfacher - Schaltungen

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung hoher Spannungen basiert auf dem Prinzip, eine Anzahl von Kondensatoren aufzuladen und diese danach in Reihe zu schalten, so dass deren Spannungen sich addieren. Liefert die versorgende Strom - Quelle eine Wechselspannung, kann unter Zuhilfenahme von Gleichrichterdioden eine fortlaufende Folge selbsttätiger Aufladung und in Reihe - Schaltung der Kondensatoren erreicht werden. Konkrete Schaltungsbeispiele hierzu sind in vielen Grundlagen - Veröffentlichungen zur Elektronik zu finden.

Elektrostatische Generatoren

Geräte wie Bandgeneratoren oder Influenzmaschinen, die mittels Phänomenen der Elektrostatik Hochspannung erzeugen, sind im Lehrmittel - Handel erhältlich. Eine sehr preisgünstige Variante ist ein als Lehrspielzeug angebotener Mini - Bandgenerator [6]. Alle diese Vorrichtungen erzeugen zwar Spannungen von mehreren 1000 V, aber nur sehr schwache Ströme. Falls Letztere zu gering sind für bestimmte Anwendungen, können Kondensatoren als Ladungssammler zur Erzeugung einzelner stromstärkerer Hochspannungsimpulse eingesetzt werden.

Quellen und Anmerkungen