DIE ELEKTRISCHE RAUSCHENERGIE VON nj IST WAHRNEHMBAR

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1 DIE ELEKTRISCHE RAUSCHENERGIE VON nj IST WAHRNEHMBAR Eugen Grycko und Werner Kirsch Fakultät für Mathematik und Informatik FernUniversität Universitätsstrasse 1 D Hagen, GERMANY 1. Einleitung Im Zusammenhang mit Energy Harvesting interessiert man sich für Verbraucher von elektrischer Energie, die mit einer kleinen Leistung arbeiten können, vgl. [3] und [6]. In [1],[4] und [5] beschäftigen wir uns mit der Rauschspannung, die sowohl theoretisch vorhergesagt werden kann als auch empirisch messbar ist. In dem vorliegenden Beitrag berichten wir insbesondere über ein Experiment, in dem die Rauschspannung gleichgerichtet wird, so dass die Rauschenergie in einem bipolaren Kondensator gespeichert werden kann. Es zeigt sich, dass die gespeicherte elektrische Energie ausreicht, um mit Hilfe von handelsüblichen Kopfhörern zur Wahrnehmung gebracht werden zu können. Die für die Wahrnehmung notwendige Energie lässt sich anhand von Spannungsmesswerten quantifizieren. Da wir die Leserschaft animieren möchten, die berichteten Experimente ebenfalls durchzuführen, illustrieren wir ausführlich die Versuchsanordnungen. 2. Kumulation der Rauschspannung Ist ein langer, dünner, isolierter Draht auf einer Spule aufgewickelt, dann lässt sich zwischen seinen Enden eine Rauschspannung nachweisen, vgl. [1],[4] und [5]. 1

2 2.1 Beispiel: Wir betrachten einen Kupferdraht der La nge L = 1500 m und vom Durchmesser Φ = 0.05 mm. Wir verwenden einen Wechselspannungsmesser mit einer Frequenzbandbreite 1 MHz und schließen ihn an den Draht an. Das Messgera t zeigt eine typische Spannung von 0.31 mv an; vgl. Fig. 1. Fig. 1: Rauschspannung an einer kleinen Spule 2

3 2.2 Beispiel: Jetzt betrachten wir einen Kupferdraht der La nge L = m und vom Durchmesser Φ = 0.05 mm, der auf einer Spule aufgewickelt ist. Unserer Wechselspannungsmesser zeigt eine Spannung von 5.2 mv an, vgl. Fig. 2. Fig. 2: Rauschspannung an einer großen Spule 3

4 2.3 Beispiel: Wir betrachten 2 Spulen aus Beispiel 2.2, die in Reihe geschaltet sind. Schließt man diese Reihe an ein Messgera t an, zeigt dieses die Spannung von 8.8 mv an, vgl. Fig. 3. Fig. 3: Rauschspannung an einer Spulenreihe 2.4 Bemerkung: Die in den Beispielen berichteten Messwerte sind in der Regel nur approximativ reproduzierbar. Dies kann als ein empirisches Indiz dafu r gewertet werden, dass die thermische Rauschspannung die vom Elektrosmog induzierte u berlagert und beide zum Spannungsmesswert beitragen. 2.5 Bemerkung: Die berichteten Rauschspannungsmesswerte stu tzen die Vermutung, dass die elektromotorische Kraft des Rauschens mit der Drahtla nge zunimmt, vgl. [1]. 4

5 3. Gleichrichtung der Rauschspannung und Wahrnehmung der gespeicherten Rauschenergie Das Frequenzspektrum des Rauschspannungssignals, das in einem Draht erzeugt wird, ist breit ausgeprägt, was die technische Nutzung der verfügbaren niedrigen elektrischen Leistung schwierig macht. Deshalb ist die Frage vom Interesse, ob man die Rauschspannung gleichrichten kann. Der emprische Vergleich von kommerziell verfügbaren Gleichrichtern ergibt, dass der Typ MYS40 für diese Aufgabe gut geeignet ist und die Speicherung von elekrischer Rauschenergie in einem an ihm angeschlossenen bipolaren Kondensator der Kapazität C ermöglicht. Wir betrachten nun die zwei in Reihe geschalteten Spulen aus Beispiel 2.3 und schließen den Reihenausgang an den Eingang von MYS40. Am Ausgang des Gleichrichters sind ein Kondensator der Kapazität C = µf sowie ein Gleichspannungsmesser angeschlossen. Mit dieser Messanordnung kann man beobachten, wie sich der Kondensator auflädt. Nach ca s beträgt die gemessene Gleichspannung U = 8 mv, was der gespeicherten elektrischen Rauschenergie (3.1) E = 1 2 C U 2 = J entspricht. Kontaktiert man jetzt einen geeigneten Kopfhörer mit dem aufgeladenen Kondensator, dann lässt sich ein kurzes Geräusch wahrnehmen und der Kondensator wird entladen, vgl. Fig. 4. 5

6 Fig. 4: Gleichrichtung, Speicherung und Wahrnehmung der Rauschenergie Wir ko nnen also davon sprechen, dass die Energie E aus (3.1) nicht nur messtechnisch nachweisbar sondern auch wahrnehmbar ist. 3.1 Bemerkung: Der Vorgang der Speicherung der Rauschenergie E entspricht der zeitlich gemittelten verfu gbaren Rauschleistung P Energie = W. Zeit Unseres Wissens bleibt die Frage offen, ob diese elektrische Leistung einer kontinuierlichen menschlichen Wahrnehmung in unserem Wortsinne (vgl. [2]) zugefu hrt werden kann. 6

7 4. Konklusion Das im Abschnitt 3 berichtete Experiment belegt, dass die in einem bipolaren Kondensator gespeichrte elektrische Rauschenergie nicht nur messtechnisch nachweisbar ist, sondern auch zur Wahrnehmung gebracht werden kann. Das entsprechende kurze und leise Geräusch wurde bis jetzt von vier Wissenschaftlern bestätigt. Die erste Frau, die die elektrische Rauschenergie wahrgenommen hat, war Alexandra Zeiß von unserer Fakultät. Die in diesem Beitrag untersuchte Rauschspannung basiert ausschließlich auf herkömmlichem Kupferdraht. Es gibt theoretische Hinweise (vgl. [4]) darauf, dass die verfügbare elektrische Leistung sich steigern ließe, wenn man Drähte aus ausgewählten Metallen verwenden würde. Von daher wäre es perspektivisch denkbar, dass man das Phänomen der Rauschspannung z.b. zur Versorgung von ozeanografischen Unterwassersonden mit elekrischer Energie nutzbar machen könnte, was aber noch weitere Forschungsarbeit erfordert. Danksagung Die Autoren bedanken sich bei Peter Böhme, Wolfgang Köhler und Joachim Warzecha für technische Unterstützung. Unser Dank gilt auch Tobias Mühlenbruch und Siegmund Pelka, die mit ihren wertvollen Kommentaren zur Verbesserung des Textes beigetragen haben. Wir bedanken uns nicht zuletzt bei Frau Andrea Kumbroch und bei Volker Winkler für ihr Engagement im Zusammenhang mit der Präsentation der hier berichteten Experimente. 7

8 Zitierte Literatur [1] H. Asatryan, E. Grycko, W. Kirsch, Selected phenomena of spontaneous electric noise. Erscheint in: J. Adv. Appl. Comp. Math. (2016). [2] H. Asatryan, E. Grycko, W. Kirsch, T. Mühlenbruch, The electric power of 4.8 nw is perceptible. Technische Rekorde, Hagen (2016). [3] K. Dembowski, Energy Harvesting für die Mikroelektronik. VDE Verlag, Berlin, Offenbach, (2011). [4] E. Grycko, W. Kirsch, T. Mühlenbruch, Über Spannungs- und Leistungsindikatoren für thermisches Rauschen in Metallen. Technische Rekorde, Hagen (2014). [5] E. Grycko, W. Kirsch, T. Mühlenbruch, Ein Schaltkreis zur Erzeugung, Gleichrichtung und Kumulation von Rauschspannungen. Technische Rekorde, Hagen (2015). [6] O. Kanoun, J. Wallaschek, Energy Harvesting. expert verlag, Renningen, (2008). 8