Gesundes Licht - wichtig für unser Wohlbefinden

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Das Sommerhalbjahr ist die einzige Zeit im Jahr, wo ausreichend natürliches Tageslicht zur Verfügung steht. Und das ist für unsere Gesundheit und Wohlbefinden unerlässlich. Wohl dem, der dann einen Arbeitsplatz draußen, in der freien Natur hat, auch wenn das Wetter bei uns selbst im Sommer überwiegend ungemütlich ist. Viele Menschen aber müssen drinnen im Büro, oder im Einzelhandel bei künstlicher Beleuchtung arbeiten. Denen bleibt dann nur die kurze Zeit des Urlaubs, oder ein bis zwei Tage am Wochenende, um ausreichend Sonnenlicht aufzunehmen. Besonders prekär wird die Situation im Winter, wenn auch noch wenig natürliches Tageslicht zur Verfügung steht. Denn die normale künstliche Beleuchtung kann das natürliche Tageslicht in keiner Weise ersetzen.

Aber schon in den 1970er Jahren entwickelte die US- Weltraumbehörde NASA speziell für Langzeitaufenthalte im Weltraum im damaligen US- Weltraumlabor Skylab Leuchtmittel, die annähernd das volle Spektrum des natürlichen Sonnenlichtes künstlich erzeugen. Denn im Weltraumlabor waren die Astronauten monatelang vom natürlichen Tageslicht auf der Erde abgeschnitten. Das wäre so, als würde man für drei bis sechs Monate nicht ins Freie gehen - mit dramatischen Folgen allein schon für die Psyche. Das äußert sich in erster Linie durch Depressionen, wie sie häufig auch im Winter auftreten. Wie vieles, was die Raumfahrttechnologie entwickelt hat, gelangten auch die von der NASA entwickelten Vollspektrumlampen bald auch auf den freien Markt, da Mediziner, vor allem Heilpraktiker die Wichtigkeit des natürlichen Tageslichtes für die Gesundheit erkannten. In Skandinavien, wo die Tage im Winter noch kürzer sind, als bei uns, wird dieses Licht schon lange zur sogenannten Lichttherapie eingesetzt, es gibt dort regelrechte "Lichtstuben", wo man sich in der Freizeit aufhalten und das Vollspektrum-Tageslicht "tanken" kann. Bei uns setzt sich das allerdings nur langsam durch, obwohl es diese Leuchtmittel schon seit ca. 20 Jahren auf dem Markt gibt. Ursache dafür sind wahrscheinlich die relativ hohen Anschaffungskosten. Dabei wäre es ein leichtes, die herkömmliche Beleuchtung gegen Vollspektrum Lampen auszutauschen. Bei denen handelt es sich nämlich um Leuchtstoffröhren oder Kompakt- Energiesparlampen, die man in ganz normale Fassungen unserer gängigen Lampen einsetzen kann. Leuchten für Leuchtstoffröhren mit T8-Sockel, die bisher mit Drosselspule und Starter ausgestattet waren, sollten auf moderne elektronische Vorschaltgeräte umgerüstet werden, da es hier nicht, wie bei den alten Vorschaltgeräten mit Starter, zu einem Stroboskopeffekt aufgrund der 50 Hz Netzfrequenz kommt. Elektronische Vorschaltgeräte wandeln die Netzfrequenz in eine Betriebsfrequenz von 10 bis 40 KHz um. Das bedeutet: Flimmerfreier durchgängiger Lichtstrom, 25% mehr Lichtausbeute, röhrenschonender Warmstart, Stromersparnis um bis zu 25%. Die Lebensdauer der Röhren verlängert sich um das Doppelte bis Dreifache. Das Spektrum normaler Leuchtstofflampen ist erheblich schmalbandiger, als das des natürlichen Tageslichts. Es enthält nur drei relativ schmale Linien im roten, grünen und blauen Bereich. Alle drei zusammen ergeben zwar weißes Licht, aber der größte Teil im Bereich zwischen den drei Hauptlinien, der fehlt, genau wie der wichtige UV A Anteil, da die Glaskolben normaler Leuchtstofflampen den nicht durchlassen. Ganz anders die Vollspektrum Leuchtstoffröhren. Sie geben das natürliche Tageslichtspektrum mit bis zu 98% Genauigkeit wieder. Der wichtige UV A Anteil ist vorhanden, da der Röhrenkolben aus speziellem Quarzglas gefertigt ist, welches den UV A Anteil passieren lässt. Von dem Licht, das wir über die Augen aufnehmen, verwenden wir nur 25% für die Orientierung, die anderen 75% dienen zur Steuerung des Hormonhaushaltes und des Stoffwechsels, auch der natürliche Tagesrhythmus wird über das natürliche Tageslicht, das unsere Augen trifft, gesteuert. Da braucht man sich wirklich nicht zu wundern, wenn es bei Mangel an natürlichem Tageslicht zu Leistungsabfall und Depressionen kommt. Mal ganz davon abgesehen, dass bei Vollspektrumlicht die natürliche Farbwiedergabe erheblich besser ist, als bei herkömmlichen Kunstlicht, was natürlich die Augen weitaus weniger anstrengt. Eigentlich sollten Vollspektrum Lampen an allen Arbeitsplätzen innerhalb von Gebäuden und in Schulen Standard werden. Um trotzdem möglichst viel Energie zu sparen, sollte, wo immer möglich, so gebaut werden, dass so viel natürliches Tageslicht wie möglich von außen herein gelangt. Einer der größten Hersteller für Vollspektrum Tageslichtlampen ist das Unternehmen True-Light. Der Name ist geschützt. Wenn Sie in die Suchleiste im Kopf dieser Seite die entsprechenden Suchbegriffe eingeben, werden Sie sicher fündig, viele Händler schicken Ihre Bestellung zu Ihnen nach Hause, sie brauchen sich also nicht selber auf den Weg zu machen, um sich das gesunde Licht anzuschaffen.

                                   Eine Vollspektrum Kompakt Energiesparlampe

                                                                 Dieselbe in Betrieb

                                     Eine violette Orchideenblüte bei normalem Tageslicht

                             Dieselbe unter dem Licht einer Vollspektrum Lampe...

                      ... und unter dem Licht einer normalen Energiesparlampe


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glausen

Die Erfindung des Radios

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Die drahtlose Übertragung von Nachrichten ist auf die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen durch Heinrich Hertz im Jahre 1886 zurückzuführen. 1895 konnte Alexander Popow die telegrafische Übertragung der Wörter "Heinrich Hertz" mit Funkwellen auf eine Distanz von 250 Metern übertragen. Im Jahre 1897 schaffte der Italiener Guglielmo Marconi erstmals die drahtlose Übertragung telegrafischer Nachrichten mittels elektromagnetischer Wellen auf eine Entfernung von 5 km. Im Jahre 1901 gelang ihm erfolgreich die Funkübertragung über den Atlantik. Das waren die Pioniere des heutigen Rundfunks.

Die technischen Grundlagen des Rundfunks wurden im ausgehenden 19. Jahrhundert durch Nikola Tesla geschaffen und auch patentiert. Dabei ging es ihm eigentlich darum, elektrische Energie drahtlos zu übertragen um so die teuren Kupferleitungen einzusparen. Das klappte zwar nicht, aber die von ihm erfundene Teslaspule ermöglicht interessante Experimente zu Phänomenen des Elektromagnetismus, der Plasmaphysik, der Hochspannungs- und Hochfrequenztechnik. Siehe dazu in diesem Blog meine Seite "Experimente mit professionellem Gerät" mit interessanten Fotos von Plasmaentladungen  in verdünntem Gas und bei normalen Luftdruck.
Ende 1906 wurde in einem Experiment die erste drahtlose Radiosendung übertragen. Nachdem die Sendeanlagen mittels Röhrentechnik verbessert wurden, so dass man eine bestimmte Frequenz einstellen konnte, war es möglich, Sprache und Musik zu übertragen. Die ersten Sender ohne Röhrentechnik, wie etwa die Teslaanlagen, die elektromagnetische Wellen mittels Funken erzeugten, daher auch der Name "Funk",  brauchten dagegen immens viel Energie und produzierten ein sehr breites Frequenzband im Langwellenbereich, also regelrecht einen "Wellensalat". Je schmalbandiger die Funkwellen, um so besser die Übertragungsqualität. Am 6. November 1919 sendete ein niederländischer Fabrikant das erste bekannte regelmäßige Radioprogramm, mußte das Projekt aber wegen Geldmangels bald einstellen. Aber das war im Grunde der erste Privatsender, heute werden die Privatsender durch Werbung finanziert, aber das gab es damals noch nicht. Der erste komerzielle Sender wurde 1920 in den USA gegründet, am 22. Dezember erfolgte in Deutschland die erste Rundfunkübertragung. Das Monopol oblag der deutschen Reichspost. Heute hat die Deutsche Telekom das Monopol für das Fernmeldewesen, nachdem die Deutsche Post privatisiert wurde. 1923 wurde die Rundfunkgebühr eingeführt, am 23. Oktober desselben Jahres die erste Unterhaltungssendung ausgestrahlt. Das gilt heute noch als die Geburtsstunde des deutschen Rundfunks. Die Nationalsozialisten mißbrauchten den Rundfunk für ihre Propagandazwecke und vermarkteten deswegen ganz massiv den sogenannten "Volksempfänger". Außerdem gab es 1936 zur Olympiade in Deutschland erste Versuche der drahtlosen Bildübertragung, das Fernsehen. Aber das setzte sich erst in den 1950er Jahren mehr und mehr durch. Heute ist auch die Rundfunk-,  Fernseh- und Funktechnik  fast durchgehend digitalisiert.

Hinweis:

Rundfunk- und Fernsehempfang ist nicht kostenlos, sondern bereits seit 1923 gebührenpflichtig (GEZ). Wer unangemeldet Empfangsgeräte betreibt, macht sich strafbar. Für den Amateurfunk ist eine besondere Lizenz erforderlich. Für die drahtlose Telefonie dürfen nur die dafür zugelassenen Geräte benutzt werden, die im Handel erhältlichen Geräte erfüllen diese Bedingung. Mikrowellenherde sind hingegen nicht mehr genehmigungspflichtig, da sie ausreichend abgeschirmt sind. Ansonsten erfordert jede Sendeanlage eine Genehmigung beim Fernmeldeamt. Das Monopol hat hier die deutsche Post, bzw. die Deutsche Telekom.
Hochfrequenzanlagen wie Teslaspulen, etc. sollte man, um Funkstörungen zu vermeiden, nur in einem Hochfrequenzkäfig betreiben.

Wie funktioniert eigentlich elektrischer Strom?

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Elektrischer Strom ist aus unserer heutigen modernen Gesellschaft nicht mehr wegzudenken. Man unterscheidet zwei Arten: Gleichstrom und Wechselstrom. Der sogenannte Drehstrom, wie er auch von den Kraftwerken produziert wird, besteht aus drei Phasen Wechselstrom zu je 50 Hz, d.h. 50 Phasenwechsel pro Sekunde. Dabei sind alle drei Phasen um 1/150 sec bzw. 120° gegeneinander verschoben.

 Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts kannte man Elektrizität nur in Form von elektrostatischer Aufladung, eine Eigenheit, die man am Bernstein bemerkt hatte. Auf Griechisch heißt Bernstein Elektron, danach ist auch jenes Elementarteilchen benannt worden, aus dem der elektrische Strom besteht, und daher hat er auch seinen Namen. Atome bestehen aus Protonen, welche eine positive Ladung tragen, elektrisch neutralen Neutronen und den um den Atomkern kreisenden negativ geladenen Elektronen. Normalerweise sind im Atom immer gleich viele Protonen wie Elektronen vorhanden, so dass sich die gegensätzlichen Ladungen gegenseitig aufheben. Erst, wenn mehr oder weniger Elektronen als Protonen vorhanden sind, werden die elektrischen Kräfte wirksam. Im ersten Fall spricht man von negativer, im zweiten Fall von positiver Ladung. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich gegenseitig an, gleichnamige stoßen sich ab. Bestimmte Stoffe, z.b. Bernstein können durch Reibung Elektronen verlieren oder hinzu bekommen, das ist dann die elektrostatische Aufladung, die älteste bekannte Form der Elektrizität, die auch für das Gewitter verantwortlich ist. Andere Stoffe wiederum können die Elektronen ableiten, das gilt für alle Metalle. Der elektrische Strom ist nichts anderes, als durch einen Metalldraht fließende Elektronen. Aber das wusste man damals noch nicht. Im späten 18. Jahrhundert entdeckte man, dass chemische Reaktionen ebenfalls Elektrizität erzeugen können (Galvani). Darauf beruht heute noch das Prinzip der elektrischen Batterie und des Akkus. Hierbei handelt es sich um Gleichstrom.
Der Siegeszug der Elektrizität begann im späten 19. Jahrhundert. Die Pioniere hier waren u. A. Edison, Westinghouse, Tesla, Faraday. Man entdeckte, dass man mit Magneten und einer zu einer Spule gewickelten Draht elektrischen Strom erzeugen konnte, das Prinzip des Dynamos. Umgekehrt konnte ein elektrischer Strom einen Magneten in Bewegung versetzen, dieses Prinzip nutzt man im Elektromotor. Überhaupt merkte man schnell, das Elektrizität und Magnetismus etwas miteinander zu tun haben, ein durch eine Spule fließender Strom erzeugte Magnetismus. Anfangs setzte man auf Gleichstrom (Edison), aber je länger die Leitungen waren, desto größer auch die Verluste, bedingt durch den elektrischen Widerstand. Westinghouse dagegen setzte auf Wechselstrom, wodurch sich die Energieverluste drastisch redurzieren ließen, da sich die Spannung bei Wechselstrom mittels Transformatoren beliebig verändern ließ. Fließt nämlich ein Wechselstrom durch eine Spule, so kehrt sich im Rhytmus des Stromes auch das Magnetfeld ständig um, was dazu führt, dass in einer zweiten Spule, die sich im magnetischen Wechselfeld befindet, ebenfalls ein Wechselstrom fließt. Hier war vor allem Nikola Tesla der Pionier. Die Ausgangsspannung eines Transformators steuert man mit dem Verhältnis der Windungszahlen beider Spule zueinander.
Primärspule, viele Windungen, dünner Draht, Sekundärspule wenig Windungen, dicker Draht: Ausgangsspannung niedriger als Eingangsspannung, hohe Stromstärke.
Primärspule, wenig Windungen, dicker Draht, Sekundärspule, viele Windungen, dünner Draht: Ausgangsspannung höher als Eingangsspannung, niedrige Stromstärke.
Heute wird in den Kraftwerken ein Dreiphasen- Wechselstrom von 50 Hz erzeugt. Dabei sind alle drei Phasen um 1/150 sec., bzw. 120° gegeneinander verschoben (Dreiphasen- Drehstrom). Die Versorgungsspannung der Haushalte beträgt heute 230V, der Drehstrom für Großverbraucher liegt bei 400V.
Heute wird auch in steigendem Maße Elektrischer Strom aus Sonnenlicht gewonnen (Photovoltaikanlagen). Siliziumkristalle haben nämlich die Eigenschaft, dass in ihnen eine elektrische Spannung entsteht, wenn sie dem Licht ausgesetzt sind. Wie bei Batterien und Akkus handelt es sich dabei um eine Gleichspannung.
Windkraftanlagen hingegen erzeugen Dreiphasen- Drehstrom, da sie einen Generator nach dem Dynamoprinzip enthalten, wie er auch in jedem anderen Kraftwerk vorhanden ist.

Vorsicht Lebensgefahr!

Ohne fundierte Fachkenntnisse niemals Reparaturen oder Manipulationen am Stromnetz oder elektrischen Geräten vornehmen. Niemals schadhafte Elektrogeräte benutzen, Betriebsanleitung vor Inbetriebnahme lesen und unbedingt beachten.

Kinder und Jugendliche: Freileitungen, Umspann- und Kraftwerke, sowie Bahnanlagen sind kein Abenteuerspielplatz. Nie in der Nähe von Freileitungen spielen (Modellflug, Drachen steigen).

Experimente mit professionellen Apparaten, Dokumentation

Auf dieser Seite dokumentiere ich die verschiedenen Experimente zum Thema Elektromagnetismus/Plasmaphysik. Es sind dies: Stoßentladungen bei normalem Luftdruck unter Gleichspannung, Koronaentladungen an Metallspitzen unter Gleichspannung, Koronaentladungen an einer Metallscheibe under 40 KHz Wechselspannung, Koronaentladungen an einer Drahtspitze und -schleife unter 4 MHz Hochfrequenz. Entladungen unter Niederdruck in Neon und Luft, Versuchsaufbau meiner selbstgebauten Marmeladenglas-Plasmalampe.

Zunächst die Phänomene in einem Elektrostatischen Hochspannungsfeld. Für die Stoßentladung wurde die Elektrische Hochspannung aus der Influenzmaschine in zwei Leidener Flaschen gespeichert.

Stoßentladung an einer Influenzmaschine

Korona- oder Sprühentladungen treten hauptsächlich an spitzen Metallgegenständen auf, da an der Spitze die Feldlinien zusammentreffen und daher die Feldstärke dort sehr hoch ist, so dass es zu einer Ionisation der Luft unmittelbar an der Spitze kommt. Da ionisierte, also elektrisch geladene Gase leitfähig sind, fließt die Ladung langsam ab, noch bevor sich eine noch höhere Spannung aufbauen kann. Das ist das Prinzip des Blitzableiters. Nach demselben Prinzip funktionier auch das sogenannte St. Elmsfeuer, das bei gewittrigem Wetter im Dunkeln oft an Mastspitzen etc. zu sehen ist und früher abergläubigen Matrosen das Ende ihres Schiffes anzuzeigen schien.

Koronaentladung an einer Drahtspitze in einem elektrostatischen Gleichspannungsfeld, ein künstliches St. Elmsfeuer

Nachfolgend eine Falschfarbendarstellung des Bildes oben. Hier werden die Unterschiedlichen Helligkeitsstufen in verschiedene Farben umgewandelt. Dadurch wird der Verlauf der elektrischen Feldlinien sichtbar.

Falschfarbenbild einer Koronaentladung an einer Drahtspitze. Unmittelbar an der Spitze liegen die Feldlinien am engsten beieinander.

Bei Wechselspannung, vor allem bei hohen Frequenzen treten Koronaentladungen auch dann auf, wenn sich zwischen den beiden Elektroden ein Isolator, etwa eine Glasplatte befindet. Bei folgender Abbildung wurde eine Alufolie unter 40 KHz / 15KV Hochspannung gesetzt und mit einer Glasscheibe abgedeckt. Auf der Glasscheibe lag die geerdete Metallscheibe. An ihrem Rand kam es zu einer massiven Koronaentladung.

Koronaentladung an einer Metallscheibe, die durch eine dünne Glasscheibe von der wechselspannungsführenden Alufolie (40KHz/15KV) getrennt war.

Dieselbe noch einmal in Falschfarben

Bei noch höheren Frequenzen, im Megahertzbereich ändern sich Form und Länge der Koronaentladungen an spitzen Gegenständen. Grund dafür ist wahrscheinlich der sogenannte "Skin-Effekt", der dazu führt, dass sich die einzelnen feinen Entladungskanäle einander abstoßen, so dass wunderschöne Funkenbüschel entstehen, wie auf folgendem Bild zu sehen ist.

Funkenbüschel einer 4 MHz Hochfrequenzentladung, links an einer Drahtspitze, rechts an einer Drahtschleife. Besonders links sind die einzelnen Entladungskanälchen deutlich zu sehen


Nun zu den Entladungen unter Niederdruck. Hier ist die Erscheinungsform sehr viel diffuser, weil der Gasdruck nur wenige Millibar beträgt, und die Elektronen daher weit mehr "Freie Bahn" haben, als bei Atmosphärendruck. Jedes Gas leuchtet dabei in seiner charakteristischen Farbe, bzw. Spektrallinien. Das Leuchten kommt dadurch zustande, das Elektronen beim Durchgang durch das Gas während der Entladung mit den Gasatomen und -molekülen zusammenstoßen, wobei die in den Atomen und Molekülen enthaltenen Elektronen von einer Elektronenschale auf die nächste angehoben werden und wieder zurückfallen, kurz gesagt, in Schwingung versetzt werden und dabei sehr kurze elektromagnetische Wellen, hier in Form von sichbarem Licht, abgeben. Die Wellenlängen, und damit auch die Farbe, ist je nach Gas verschieden. Neon z.B. leuchtet orangerot, Argon blauviolett, ebenso Stickstoff und Sauerstoff, Hauptbestandteile unserer Luft, daher erscheinen elektrische Funken und auch die Entladung in verdünnter Luft bäulichviolett. Ausserdem ist ein hoher Anteil an unsichtbarem Ultraviolett bei Entladung in Luft enthalten.

Eine mit Neongas gefüllte Plasmalampe in einem 40 KHz Hochspannungswechselfeld. Das Gas leuchtet orangerot.

Nachfolgend eine Entladung in verdünnter Luft. Zumächst habe ich am Metallschraubdeckel ein Glasröhrchen oder eine innen verspiegelte Minichristbaumkugel angebracht, das Glasröhrchen, bzw. Kügelchen an der Innenwand mit Stanniolpapier versehen und dieses leitend mit dem Deckel verbunden. Dann in den Deckel ein feines Loch gebohrt und ein Stück Tesafilm lose aufgelegt. Dann mit der Vakuumpumpe die Luft abgesaugt. Nach dem Entfernen der Saugglocke drückt die Aussenluft den Tesastreifen auf das Loch, das nun hermetisch abgedichtet ist. Der Tesafilm wirkt hier quasi als Ventil. Das Ganze hält bei guter Ausführung tatsächlich dauerhaft dicht. Man kann auch den Leiter ohne Trennung durch einen Isolator wie Glas am Deckel befestigen, aber dann ist die Entladung so stark, dass derart hohe Temperaturen im Entladungskanal auftreten, dass das Entladungsgefäß platzen kann.

Plasmaentladung in verdünnter Luft (40 KHz / 15KV)

Dieselbe in Falschfarben. Hier tritt die Struktur der Entladungszonen besonders deutlich hervor.

Nachfolgend noch einmal eine graphische Darstellung vom Versuchsaufbau meiner Marmeladenglas-Plasmalampe.

Der Versuchsaufbau einer Marmeladenglas- Plasmalampe. Funktioniert am besten mit dem High Voltage Generator v2.2. Für den Class E mit Flachspule ein Glas mit Kunststoffdeckel nehmen, nur einen sehr feinen in zwei Richtungen gebogenen Draht hineinlegen und auf die Flachspule an die Hochfrequenzelektrode stellen.

Zwei Abbildungen einer 40 KHz / 15KV Entladung im Marmeladenglas. Links stehen die geerdeten Stanniolstreifen aussen am Glas weiter ab, als rechts, deshalb ist dort die Leucterscheinung weniger stark, als rechts.

Hier noch einmal, links in Echt-, rechts in Falschfarben

Hier ein Entladungsgefäß mit feinem Draht als Elektrode, auf dem 4 MHz Hochspannungsgenerator Class E mit Flachspule
                                            
Von den für diese Dokumentation verwendeten Geräte und den entsprechenden Ergebnissen hätte ich noch vor ca. 30 Jahren nur träumen können. Das diese Dokumentation nun in dieser Form überhaupt möglich wurde, ist in erster Linie dem High Voltage Shop in Graz/Österreich zu verdanken, da dieses meines Wissens der einzige am Markt ist, der derartige Geräte anbietet. Gefunden hatte ich ihn übrigens über E-Bay. Herzlichen Dank dem High Voltage Shop. Hier die Webadresse des High Voltage Shops: http://highvoltageshop.com/

Zum Schluß noch ein paar Sicherheitshinweise, falls jemand die Versuche selber machen möchte, um die Phänomene live zu erleben:
1. Unbedingt die Betriebsanleitung vor Versuchsbeginn genau lesen und auch beachten.
2. Bei Anschluß an das Stromnetz mittels Steckernetzteil und Erdung am Stromnetz eine Steckdosenleiste mit Netzfilter verwenden, um ein Eindringen der Hochfrequenz ins Stromnetz zu verhindern, sonst könnten andere Geräte wie PC, Fernseher etc. irreparabel beschädigt werden, ausserdem kann es zu Funkstörungen kommen, besonders beim 4 MHz Generator. HF-Generatoren möglichst im geerdeten HF-Käfig betreiben, um Funkstörungen zu vermeiden.
Geräte nie unbeaufsichtigt laufen lassen und von Kindern fernhalten. Nicht in der Nähe von brennbaren Materialien in Betrieb nehmen, Brandgefahr durch heißen Plasmalichtbogen. Nie zu nahe an die spannungsführende Elektrode kommen, Verbrennungsgefahr durch Lichtbogen.
Nie in zu kleinen Räumen betreiben, da bei längerem Betrieb durch die Plasma- und Koronaentladungen Ozon und giftige Stickoxide entstehen. Betriebraum stets gut durchlüften.

Viel Erfolg bei den Versuchen zu den faszinierenden Phänomenen des Elektromagnetismus und der Plasmaphysik.



Hier noch einmal eine Dokumentation von Plasmaentladungen als Video.

Experimente mit professionellen Apparaten / die Gerätschaften

Als ich als junger Erwachsener eigenes Geld verdiente, konnte ich mir professionellere Geräte für meine Experimente, Beobachtungen und Fotodokumentationen zum Thema Elektromagnetismus und Plasmaphysik beschaffen. Denn gerade die Plasmaphysik, also die ionisiereung von und Entladung in Gasen ist es, die eine ganze Reihe von elektromagnetischen Phänomenen sichtbar werden lässt, die normalereise verborgen bleiben, obwohl wir mit elektrischen Geräten heute geradezu "zugepflastert" sind.

Es war um 1990 herum, als es endlich gelang, mir eine ausreichend starke Vakuumpumpe zu beschaffen. Die erste war eine sogenannte Wasserstrahl-Vakuumpumpe, die normalerweise im Haushalt zur Frischhaltung von Lebensmitteln verwendet wird. Aber die reicht bereits aus, um die Luft in einem Glasgefäß, z.B. einem Marmeladenglas bis auf 10mb und weniger zu verdünnen.

Eine Wasserstrahl- Vakuumpumpe

Später gelangte ich dann auch an eine elektrische Vakuumpumpe, die im Fotolabor eines zeitungsverlages ausgedient hatte, wo sie für die Fotopapier-Ansaugplatte benutzt worden war.

Meine elektrische Vakuumpumpe mit Saugglocke zum Verdünnen der Luft in Entladungsgefäßen

In einem Geschäft für Lehrmittel in Kiel beschaffte ich mir eine Influenzmaschine zur Erzeugung von statischer Elektrizität in größeren Mengen.

Meine Influenzmaschine zur Erzeugung von statischer Elektrizität mit zwei Leidener Flaschen

Mit diesen Geräten konnte ich schon eine ganze Menge machen und erstmals gelangen auch erfolgreich Entladungen in verdünnter Luft, wobei bläulich-violette Leuchterscheinungen auftraten.
Auch gelang es mir, eine sogenannte Plasmakugel zu beschaffen. Sie enthält eine Mischung von Gasen, meist bestehend aus Stickstoff, Argon und Neon, ebenfalls unter niedrigem Druck stehend. Ein Teslatransformator erzeugt eine hochfrequente Spannung von ca. 3KV und leitet sie über eine in der Mitte der Kugel befindliche glasüberzogene Elektrode in die Gasmischung, wobei farbenprächtig leuchtende von unten nach oben aufsteigende Entladungskanäle auftreten. Berührt man die Kugel, werden alle Leuchtstränge in Richtung der Hand gezogen, weil der menschliche Körper mit 70% Wassergehalt ein hervorragender leiter für hochfrequente Ströme ist. Gefährlich ist das nicht, da die Stromstärke extrem niedrig ist.

                                                       Entladungsfäden in einer Plasmakugel

                                     Bei Berührung der Kugel werden sie in die Hand gezogen

Vor einem halben Jahr kam dann der endgültige Durchbruch, ich entdeckte im Internet einen Onlineshop, über den man Experimentiergeräte für die Erzeugung hochfrequenter Hochspannung beziehen kann, dazu alle möglichen Zubehörteile für Hochspannungsexperimente wie Hochspannungskaskaden, -gleichrichter und Kondensatoren für die Erzeugung elektrostatischer Felder, teslaspulen, Erdungskabel, Netzteile und und und... Eine wahre Fundgrube für jemanden wie mich, der sich mit Elektromagnetismus und vor allem der Plasmaphysik befasst. Jetzt habe ich einen High Power High Voltage Generator v2.2 Mini Tesla 40 KHz und einen Class E mit Flachspule 4 MHz. Die Stromstärke am Hochspannungsausgang beider Geräte ist so weit reduziert, dass trotzt der hohen Spannung keine gefährliche Durchströmung des Körpers stattfinden kann, zudem kommt es durch die hohen Frequenzen zum sogenannten "Skin-Effekt", der Strom fließt nur aussen über die Haut ab, weil bei hohen Frequenzen die Elektronen nur noch hin- und herschwingen und sich dabei gegenseitig abstoßen, da sie ja bekanntlich gleichnamig geladen sind. Dennoch ist beim Gebrauch der Geräte Vorsicht geboten, man darf der Hochspannungselektrode auf keinen Fall zu nahe kommen, da ein extrem heißer Plasmalichtbogen entsteht (mehrere hundert bis 1000 Grad), der zu schweren Verbrennungen führen kann.
Hier die Seite des High Voltage Shops: http://www.highvoltageshop.com/

Der High Power High Voltage Generator v 2.2 Mini Tesla 40 KHz

Der High Power High Voltage Generator Class E mit Flachspule, 4 MHz

Hier eine Dokumentation von Plasmaentladungen als Video.
Auf der nächsten Seite, dem 2. Teil, dokumentiere ich die einzelnen Experimente.

Meine Beweggründe, mich mit Elektromagnetismus zu befassen/erste Versuche

Seit meiner Kindheit, als 1969 die ersten Menschen auf dem Mond landeten, befasse ich mit Astronomie. Und dabei kommt man an der Thematik Elektromagnetismus zwngsläufig nicht vorbei. Hinzu kommt, dass man als Kind generell von allen möglichen Leuchterscheinungen fasziniert ist, und die gibt es ja im Universum und auf der Erde ja zuhauf, wobei es sich stets und Phänomene handelt die mit Elektromagnetismus zu tun haben.So kam es denn, dass ich mich auch mit dieser Thematik schon sehr früh intensiv befasst habe. Physik und Chemie, überhaupt Naturwissenschaften waren meine Lieblingsfächer in der Schule. Für meinen Mittelschulabschluß wählte ich die Berufsfachschule Elektrotechnik.

Am meisten interessierten mich jedoch die durch Elektromagnetismus ausgelösten Leuchterscheinungen wie Polarlichter, die Sonnenphysik, Gewitter, kurz, generell die Plasmaphysik. Für Versuche in dieser Thematik, etwa der künstlichen Erzeugung von Polarlichtern, benötigt man jedoch sehr hohe Spannungen. In meiner Jugendzeit wäre es schlicht unmöglich und auch zu gefährlich gewesen, zuhause mit Hochspannung zu exlerimentieren. Der Zufall kam hier zuhilfe. Kernstück hierbei war ein Pullover aus Kunstfasern (Dralon). In den Wintermonaten, wenn die Luft im Haus ohnehin sehr trocken ist, knisterte er, wenn man ihn auszog und bewegte. Und nicht nur das. Im Dunkeln waren bläuliche Funken zu sehen, es knackte sogar im Radio. "Faszinierend", würde Mr. Spock in Startreck sagen, ein funkensprühender Pullover. Irgendwann gelangte ich an eine ausgediente Leuchtstoffröhre aus einer Straßenlaterne. Die leuchtete auf, wenn ich den Pullover neben der Röhre bewegte. Diese versuche weitete ich sehr bald aus. Kunststoffgegenstände wie Plastiktüten und Schüsseln hatten nämlich die selbe Eigenschaft, und die elektrostatische Aufladung konnte ich durch Reibung noch enorm verstärken. Näherte ich einen Metallgegenstand, etwa einen Löffel, oder eine Gabel im Dunkeln dem aufgeladenen Objekt, so sprang regelrecht ein Funke mit feinen Verästelungen über, eine Art Miniblitz. Entladungen in Leuchtstoffröhren und Glimmlampen führten immer zum Aufleuchten derselben. Das ist übrigens dieselbe Art von Elektrizität, mit der man schon im frühen 18. Jahrhundert experimentiert hat. Der Vorteil: Trotzt der extrem hohen Spannungen ist sie ungefährlich, weil nur ein äusserst geringer Strom fließen kann und das Spannungsfeld im Moment der Entladung sofort zusammenbricht, was bei Hochspannungsfreileitungen nicht der Fall ist. Denn nicht nur die Spannung alleine macht die Gefährlichkeit des elektrischen Stroms aus, sondern auch die zur Verfügung stehende Stromstärke, kurz die Gesamtleistung und die ergibt sich auch Spannung mal Stromstärke (U*I=L). Dabei ist U die Spannung in Volt, I die Stromstärke in Ampere, L die Leistung in Watt. Ab etwa 25 Milliampere ist der elektrische Strom tödlich. Gerne hätte ich auch die Entladungen in verdünnter Luft untersucht, kurz, ein künstliches Polarlicht erzeugt. Doch dafür hätte ich eine ausreichend starke Vakuumpumpe gebraucht, um die Luft in einem Glasgefäß bis auf mindestens 10mb verdünnen zu können, aber so etwas hatte ich damals noch nicht. Das kam erst sehr viel später. Darüber mehr im nächsten Post "Experimente mit professionellem Gerät".

Die verschiedenen elektromagnetischen Phänomene

Die elektromagnetischen Phänomene kann man relativ leicht verstehen, wenn man den Aufbau der Atome kennt. Sie bestehen aus einem Kern von, je nach Element, mehr oder wenigen Protonen und Neutronen und Elektronen, die den Kern in sogenannten festliegenden Elektronenschalen umwirbeln. Die Protonen im Kern sind positiv geladen, die Elektronen, die den Kern umwirbeln dagegen negativ geladen. Es sind im Normalfall immer gleich viele Protonen und Elektronen vorhanden und da sich positive und negative Ladungen aufheben, treten im Regelfall keine elektrischen Kräfte nach aussen hin auf. Erst wenn mehr oder weniger Elektronen als Protonen vorhanden sind, wird eine elektrische Kraft nach aussen wirksam, im ersten Fall spricht man von negativer, im zweiten Fall von positiver Ladung.

Das ist auch das erste elektromagnetische Phänomen, das man kannte, die elektrostatische Anziehung, bzw: Abstoßung. Zei ungleich geladene Objekte ziehen sich gegeseitig an, zwei gleichgeladene stoßen sich ab. Der elektrische Strom: Fließt die elektrische Ladung von negativ zum positiv geladenen Objekt ab, so fließt ein elektrischer Strom. Die geschieht abe nicht durch jedes Material, sondern nur durch sogenannte elektrische Leiter. Hierzu gehören alle Metalle, diese leiten schon bei ehr niedrigen Spannungen, etwa bei galvanischen Elementen, Wasser, aber auch Gase leiten den elektrischen Strom, sofern die Spannung hoch genug ist. Glas und Kunststoffe dagegen leiten auch hohe Spannungen nicht ab, sogenannte Isolatoren, haben aber die Eigenschaft, sich an der Objektoberfläche elektrostatisch aufzuladen. Fließt ein elektrischer Strom, so tritt ein weiteres Phänomen auf, der Magnetismus. Die magnetischen Feldlinien verlaufen dabei immer im 90° Winkel zur Flussrichtung des elektrischen Stromes, bzw. der Elektronen im Leiter. Magnetismus kann auch als Dauerform in eisenhaltigen Objekten auftreten, das hängt mit der besonderen Struktur des Eisens zusammen und der geordneten Drehrichtung der in den Eisenatomen enthaltenen Elektronen, dem sogenannten "Spin" zusammen. Man spricht dann von sogenannten Elementarmagneten. Magnete haben einen Nord- und einen Südpol. Die wirken genau so, wie die elektrostatischen Kräfte, ungleichenamige Magnetpole ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Bewegen sich ein Magnetfeld und ein elektrischer Leiter zueinander, so fließt im Leiter ein elektrischer Strom. Dies macht man sich bei der Stromerzeugung, z.B dem Dynamo und dem Generator zunutze. Umgekehrt kann ein elektrischer Strom einen Magneten in Form eines Dauermagneten oder in Form einer stromdurchflossenen Spule in Bewegung versetzen, das ist das Prinzip des Elektromotors. Das viete Phänomen sind elektromagnetische Wellen, sie treten dann auf, wenn Elektronen beschleunigt oder abgebremst werden. Ein gleichmäßiger Elektronenfluss erzeugt ja bekanntlich ein Magnetfeld, Schwankungen im Stromfluss führen demzufolge zu Schwankungen im Magnetfeld, den elektromagnetischen Wellen. Sie breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, ja Licht besteht auch aus nichts anderem, als elektromagnetischen Wellen. Ob eine elektromagnetische Welle als unsichtbare Funkwelle oder in Form von Licht daherkommt, hängt allein von der Frequenz, d.h. der Schwankungen pro Zeiteinheit (sec.) ab. Funkwellen entstehen bei mehr oder weniger hochfrequentem Wechselstrom (elektrischer Strom, der fortlaufend seine Flussrichtung ändert, im Gegensatz zum Gleichstrom, der stets nur in eine Richtung fließt. Beim Licht sind die Frequenzen dagegen erheblich höher, als bei den Funkwellen, die Ladungsträger werden hier lediglich im atomaren Bereich bewegt (von einer Elektronenschale zur nächsten und zurück. Noch höhere Frequenzen haben und sind damit auch kurzwelliger, die unsichtbaren Röntgen- und Gammastrahlen. Das gesamte elektromagnetische Wellenspektrum beginnt genaugenommen schon beim Wechselstrom, wie er in unserem Stromnetz für den Hausgebrauch verwendet wird (50Hz, d.h. 50 mal pro Sekunde fließt er erst in die eine, dann in die entgegengesetzte Richtung, eine komplette Hin- und Zurückbewegung dauert genau 1/50 sec.). Seine Wellenlänge liegt bei ca. 50 km. Dann kommen die Radiowellen (Lang- Mittel- und Kurzwellen, im Kilo- bis Megahertzbereich, Wellenlängen von einigen Kilometern bis ca. 10m) dann die Mikrowellen im Gigahertzbereich mit Wellenlängen bis herunter in den Millimeterbereich, sie werden in der Radartechnik, der Satelliten-Fernsehübertragung und im Mikrowellenherd verwendet. Weiter geht es zum Infrarot, das zwar noch unsichtbar ist, aber als Wärmestrahlung wahrgenommen wird. Dann kommt der sichtbare Bereich, beginnend beim Rot über gelb, grün, blau und violett. Jenseits des violetten Lichts liegen: Ultraviolett, u.A. für den Sonnenbrand verantwortlich, dann folgen Röntgen- und schließlich die Gammastrahlung. Je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher ist die Strahlung, das ist der Grund, warum Ultraviolettstrahlung Hautverbrennungen auslöst und Röntgen- und Gammastrahlung so gefährlich ist, sie dringt in den Körper ein und kann Körperzellen irreparabel schädigen, vor allem bei hoher Dosis. Röntgenstrahlung entsteht, wenn durch Hochspannung stark beschleunigte Elektronen durch ein Hindernis schlagartig gebremst werden, gammastrahlung entsteht beim Zerfall radioaktiver Elemente, bei der Kernspaltung und Kernfusion, auch in der Sonne. Überhaupt basieren alle Phänomene auf der Sonne, ja im ganzen Universum auf Elektromagnetismus, und das macht ihn für mich als Hobbyastronom und viele andere Wissenschaftler so interessant.

Historie

Die auffälligste elektrische Erscheinung, mit der die Menschen der vergangenen Jahrhunderte konfrontiert wurden, war das Gewitter. Über die Zusammenhänge, wie das entsteht, und was das ist, wusste man rein gar nichts. Man hielt das für göttliche Erscheinungen. Die alten Germanen glaubten, Donar, der Donnergott würde seinen Hammer schwingen. Daher hat übrigens der Donnerstag seinen Namen.

Im 17. und 18. Jahrhundert entdeckte man, dass gewisse Stoffe geradezu magische Eingenschaften zu haben schienen. Sie zogen leichte Partikel wie Sandkörner, Getreidespreu, etc. an, nachdem man sie mit bestimmten Fellen, hauptsächlich Katzenfell, gerieben hatte. Am stärksten war diese Eigenschaft beim Bernstein, gr. "Elektron". Daher hat dieses heute bekannte Elementarteilchen auch seinen Namen. Mitte des 18. Jahrhunderts, in der Zeit der Aufklärung und der Entdeckungen machte man sich verstärkt daran, diese seltsamen Phänomene zu untersuchen. Einer der Pioniere, der sich sehr für Elektrizität interessierte, war Benjamin Franklin, einer der Gründerväter der Vereinigten Staaten. Um 1750 machte er während eine Gewitters Experimente mit einem Drachen und erfand so den Blitzableiter. (Hinweis: Vor ähnlichen Experimenten muß dringend gewarnt werden! Niemals bei Gewitter Drachen steigen lassen! LEBENSGEFAHR!) Auch experimentierte man mit den verschiedensten elektrostatischen Maschinen, u.A. einer Glaskugel, in der die Luft stark verdünnt worden war. Darin traten Leuchterscheinungen auf, wenn sie durch Drehung und damit Reibung elektrsiert wurde, ein Phänomen, das heute in abgewandelter Form z.B. bei der Leuchtstofflampe genutzt wird. Das Leuchtprinzip ist aber dasselbe. Denn eine (auch defekte,aber noch mit intaktem Vakuum)Leuchtstoffröhre hat die Eigenschaft, aufzuleuchten, wenn sie elektrostatischer Ladung ausgesetzt wird. Dazu in einem späteren Post noch mehr. Eine andere merkwürdige Eigenschaft hatte mitunter eisenhaltiges Gestein. Es zog andere Gegenstände aus Eisen an und diese Eigenschaft konnte man auch auf andere Gegenstände übertragen, sofern sie aus Eisen bestanden. Auch entdeckte man, dass ein Stab aus Eisen, der diese Eigenschaft hatte, immer in Nord-Süd Richtung zeigte, wenn man ihn frei aufhängte oder auf eine schwimmende Unterlage legte. Diese Eigenheit nutzten schon die frühen Seefahrer als Kompass zur Navigation. Doch erst im 19 Jahrhundert entdeckte man, das die Eigenschaft des Eisen, der sogenannte Magnetismus und die elektrostatischen Phänomene etwas miteinander zu tun haben. Ab der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts verstand man dann allmählich, was Elektrizität eigendlich ist und auf welch verschiedene Art und Weise sie in großer Stärke erzeugt werden kann, u.A. durch galvanische Elemente, aber auch durch - Magnetismus. Der Siegeszug des elektrischen Stromes begann.

Einleitung

Noch bis weit ins 19. Jahrhundert galten elektromagnetische Erscheinungen als esotherisch. heute wissen wir, dass der Elektromagnetismus, neben der Schwerkraft, eine fundamentale Kraft im Universum ist, die unsere Welt zusammenhält. Ohne die elektrische kraft gäbe es keine Atome und Moleküle, keine komplexen Verbindungen und damit auch kein Leben - auch uns Menschen nicht. Es gäbe kein Licht, keine Wärme - eben einfach - nichts.

In unserer modernen Welt funktioniert ohne die Kraft des Elektromagnetismus gar nichts, wir würden quasi wieder in die Steinzeit zurückgeworfen. Es gäbe keine Maschinen und Motoren, keine Radios und Fernseher, keine Computer, keine Telefone und keine Handys, wir müßten wieder mit offenem Feuer Licht und Wärme erzeugen und könnten uns nur mit Muskelkraft fortbewegen, denn Autos gäbe es ohne Elektrizität auch nicht. Wahrscheinlich wären wir in unseren Breiten gar nicht mehr überlebensfähig, sollte sämtliche Elektrizität über Monate oder gar Jahre komplett ausfallen, da wir darauf gar nicht vorbereitet wären, anders als unsere Vorfahren von über 150 Jahren, als es noch keinen elektrischen Strom gab. Die einzige Klimazone, in der wir überhaupt eine Chance hätten, ohne Elektrizität zu überleben, wären die Tropen, denn dort stammt der Mensch entwicklungsgeschichtlich ja her. Und doch, es gibt noch ganz wenige Naturvölker, die isoliert und gänzlich ohne die Einflüsse der modernen Zivilisation - und auch ohne Elektrizität - leben, in den Regenwäldern Brasiliens. Und man tut alles daran, diese Völker auch vor den Einflüssen unserer modernen Zivilisation zu schützen, denn ihr Wissen könnte uns im Notfall einmal retten und darf deshalb nicht verloren gehen, was in unserer modernen Welt leider schon passiert ist, vor allem deshalb, weil wir die Elektrizität schon als so selbstverständlich ansehen, dass wir uns ein Leben ohne sie gar nicht mehr vorstellen können. In Schleswig-Holstein bekamen das einige Regionen im Katastrophenwinter 1978/79 zu spüren, als gleich zweimal innerhalb von nur sechs Wochen ein dreitägiger Blizzard Überlandleitungen zerstörte und zu tagelangem Stromausfall führte. Heute wären die Auswirkungen wahrscheinlich noch fataler, als sie damals schon waren.