Elektroskop 1/8. Bild 1: Schaltung des Elektroskops. Tab. 1: Gewählte Ersatztypen für die Schaltung nach Bild 1 im Vergleich zu den Angaben von [1].

Transkript

1 Elektroskop Im Funkamateur bin ich vor gut zwei Jahren auf eine Schaltung zum Nachweis negativer und positiver Ladungen gestoßen, die mein Interesse geweckt hat [1, 2]. Bild 1 zeigt die modifizierte Schaltung. Gegenüber der Version von R. Weber [1] habe ich folgende Änderungen vorgenommen: a) symmetrischer Aufbau mit gleichartigen Transistoren für den Nachweis negativer und positiver Ladungen; b) zwei Betriebsarten, Schalter S1 offen: beide Schaltungsteile sind getrennt, negative und positive Ladungen werden mit jeweils einer Antenne separat nachgewiesen und auch gleichzeitig angezeigt ("parallel"); Schalter S1 geschlossen: Verriegelungsbetrieb, entweder werden negative oder positive Ladungen angezeigt ("verriegelt"); c) zusätzlicher Masseanschluss um die Schaltung auf ein definiertes Potential legen zu können. Bild 1: Schaltung des Elektroskops. Die in [1] angegebenen Transistoren sind nicht mehr alle erhältlich. Tabelle 1 zeigt die gewählten Ersatztypen. Die Transistoren T8 bis T11 wurden hinsichtlich ihrer Stromverstärkung (Endziffern B und C) analog zu T2 bis T5 gewählt, um die Schaltung symmetrisch zu gestalten. Tab. 1: Gewählte Ersatztypen für die Schaltung nach Bild 1 im Vergleich zu den Angaben von [1]. 1/8

2 Die Schaltung nach [1] hat nur die Antenne Ant1 und entspricht der Betriebsart mit geschlossenem Schalter S1. Die Diode D5 verriegelt in dieser Schaltstellung die beiden Schaltungshälften so, dass entweder die grünen oder die weißen LED leuchten. Statische Aufladungen werden in diesem Fall recht empfindlich angezeigt. Ein geriebener Teflonstab, siehe Bild 2, führt bei Annäherung an die Antenne bereits in einem Abstand von ca. 0,5 m zu einer Anzeige. Bild 2: Für die Experimente verwendete Kunststoffstäbe aus Teflon und Plexiglas, die unterschiedliche triboelektrische Eigenschaften aufweisen. Die Abmessungen sind 10,5 mm x 200 mm. Die Schaltung habe ich zunächst auf einem Steckbrett aufgebaut, siehe Bild 3. Rechts ist die 1,5 V Batterie zu sehen. Der Schalter S1 ist hier durch Drahtbrücken realisiert, die Antennen sind zwei Silberdrähte etwa 10 cm Länge. Mit diesem Aufbau habe ich erste Tests durchgeführt. Bild 3: Aufbau der Schaltung auf einem Steckbrett. Bei geöffnetem Schalter S1 werden die beiden Schaltungshälften getrennt und zwei Antennen, Ant1 und Ant2 verwendet. Bei Annäherung des geriebenen Teflonstabs leuchten zunächst die grünen LED auf (links in Bild 3), beim Wegziehen werden diese schwächer - sie 2/8

3 zeigen ein "Nachleuchten" und die weißen LED leuchten auf. Dies ist aufgrund der influenzierten Ladungen in den Antennen ein sinnfälliges Verhalten. Der negativ geladene Stab drückt bei Annäherung an die Antennen die Elektronen in Richtung Basis von T8 und T2. T8 steuert durch und die Anzeige der grünen LED wird ausgelöst. Beim Wegziehen fließen die Elektronen wieder an das Antennenende zurück. Die positive Spannung an der Basis von T2 führt nun zum Aufleuchten der weißen LED. Zur Messung von Signalen habe ich an den in Bild 1 angegebenen Positionen MP 1 bis MP3 einen Messwiderstand von 4,3 Ω eingebaut. Die über diesem Messwiderstand abfallende Spannung wurde abgegriffen und zum Oszilloskop geführt. Damit ein eingeschwungener Zustand vorliegt wird dazu beim Betrieb "S1 offen", Antenne Ant1 elektrisch mit Ant2 verbunden, dann leuchten sowohl die grünen wie die weißen LED. Bild 4 zeigt die Spannung am Messwiderstand an der Stelle MP1 zwischen den Kathoden der weißen LED und Masse. Das Signal hat eine Frequenz von ca. 400 khz. Der Spitzenstrom beträgt 140 mv/4,3 Ω = 33 ma. Eine Messung mit dem Frequenzzähler am Messwiderstand ergibt 381,8 khz. Die Impulse haben eine Halbwertsbreite von ca. 500 ns. Bild 4: Oszillogramm der Spannung am MP 1. Die Verhältnisse an MP 2 zeigt Bild 5. Die Frequenz beträgt ca. 340 khz. Die Messung mit dem Frequenzzähler ergibt 346,6 khz. Der Spitzenstrom beträgt 225 mv/4,3 Ω = 52 ma. Bild 5: Oszillogramm der Spannung am MP 2. Der Spannungsverlauf am Messwiderstand in Serie zur Induktivität L1, entsprechend MP 3 in Bild 1, ist in Bild 6 gezeigt. 3/8

4 Eine Erhöhung der Kapazität C2 durch Parallelschalten von 100 nf führt an MP 1 zum Signalverlauf von Bild 7. Die Wiederholfrequenz der Pulse verringert sich von 400 khz auf 330 khz. Durch die Erhöhung der Induktivität durch Serienschaltung von L1 mit 68 µh wird die Frequenz deutlich herabgesetzt. Bild 8 zeigt dies im Vergleich zu Bild 6. Die Frequenz beträgt in diesem Fall nur 125 khz. Bild 6: Oszillogramm der Spannung am MP 3. Bild 7: Oszillogramm der Spannung am MP 1 und einer Kapazität von C2 = 47 nf nf = 147 nf. Bild 8: Oszillogramm der Spannung am MP 3 und einer Induktivität von 15 µh (L1) + 68 µh = 83 µh. 4/8

5 Werden die Antennen wieder elektrisch getrennt und die Spitze von Ant1 kurz mit dem Finger berührt, so schwingt der Oszillator an, die weißen LED leuchten auf und verlöschen langsam. An MP 1 ist das Oszillogramm von Bild 9 zu sehen. Die Belichtungszeit beträgt hier einige Sekunden, so dass der auftretende Frequenzchirp deutlich zu sehen ist. Mit abnehmender Amplitude nimmt die Frequenz zu. Bild 9: Oszillogramm der Spannung am MP 1. Mit einem in der Nähe aufgestellten Transistorradio auf Mittelwelle kann die stationäre Oszillation (grüne und weiße LED leuchten dauernd) bei Harmonischen der Grundschwingung deutlich vernommen werden. Leuchten die LEDs nach einem Antippen nur kurz auf - entsprechend dem Fall von Bild 9 - so führt der Frequenzchirp dazu, dass das transiente Signal die fest eingestellte Empfangsfrequenz des Radios passiert und sich als kurzes Knackgeräusch bemerkbar macht. Nach diesen Tests geht s an den Aufbau. Mit dem Programm Lochmaster habe ich die Bestückung und Verdrahtung auf einer Lochrasterplatine geplant [2]. Ludwig hat mich dabei in bewährter Weise unterstützt und das Layout weiter optimiert (Wegfall von Drahtbrücken). Die Bilder 10 und 11 zeigen das Ergebnis. Bild 10: Bestückungseite der Lochrasterplatine. 5/8

6 Bild 11: Lötseite der Lochrasterplatine. Als Gehäuse habe ich ein Klarsichtdeckel-Wandgehäuse "standard" von Kemo Electronic gewählt, Typ G089, Maße 120 x 70 x 30 mm. Bild 12 zeigt die Ansichten. Bild 12: Technische Zeichnung des Gehäuses G089 [4]. Bild 13 zeigt eine Aufnahme des fertig aufgebauten Elektroskops mit den zwei Antennen. Für die Antennen habe ich jeweils ein Messingrohr, Außendurchmesser 2 mm, Länge 200 mm, verwendet und in einen Bananenstecker eingelötet. Auf die Gehäuserückseite habe ich den Schaltplan mit den Bezeichnungen der Anschlüsse und Schaltstellungen in der 6/8

7 Laminiertechnik á la Ludwig geklebt, siehe Bild 14. Bild 15 zeigt eine Nahaufnahme der bestückten und eingebauten Platine. Bild 13: Fertig aufgebautes Nachweisgerät für negative und positive statische Aufladungen mit zwei Betriebsarten. Die grünen Leuchtdioden zeigen eine negative Ladung an. Bild 14: Die Gehäuserückseite mit dem Schaltplan und den Bezeichnungen der Anschlüssen und der Schaltstellungen. Bild 15: Nahaufnahme der bestückten und eingebauten Platine. 7/8

8 Mit dem Gerät können statische Aufladungen mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden. Ein Lineal am Pullover gerieben oder eine kleine Kunststofftüte und schon leuchten die Dioden auf. Im "Verriegelungsbetrieb" kann die Ladung eines Gegenstands aus Abständen von bis zu 1 m angezeigt werden. Den größten Ansprechabstand in meinen Versuchen zeigte bisher ein Kunststoffhandfeger, der über ein Kunststoff-Platzdeckchen auf einer Tischdecke gestrichen wird. Beim Reiben des Teflonstabs an einem Pullover werden auf dem Stab negative Ladungen akkumuliert. Bei Annäherung an das Nachweisgerät leuchten die grünen LEDs. Der Plexiglasstab zeigt ein anderes Verhalten, er wird durch Reibung am Pullover positiv aufgeladen. Beide Werkstoffe unterscheiden sich in ihrer Lage auf der sogenannten triboelektrischen Reihe. Beeindruckend ist auch das Einschalten der LED bei Erzeugung eines Funkens mit einem piezoelektrischen Kerzenanzünder aus ca. 5 cm Entfernung. Nehme ich das Gerät in die Hand und laufe einfach durch die Wohnung über Teppiche, Holzböden etc., so spricht es in der Regel schon auf zahlreiche Aufladungen an. Last not least kann der interessierte Funkamateur prüfen, welche "Ladung" seine YL gerade hat. Das Ergebnis ist in diesem Fall allerdings nicht rein naturwissenschaftlich zu erklären , Reinhard, DF1RN [1] Reinhard Weber, Empfindliches Nachweisgerät für statische Aufladungen, Funkamateur, FA 8/2009, [2] R. Weber, Leipzig, Nachweisgerät für statische Aufladungen, Gebrauchsmusterschrift DE U1, [3] Loch Master, Version 3.0, Abacom Ingenieurgesellschaft, [4] 8/8