Theorie und Konstruktion eines elektrostatischen Motors

Thomas Stegmaier, 19 Jahre, 13. JgStf. Gymn.


Die Idee

In der Schule lernt man im Rahmen der Elektrizitätslehre zuerst, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, erst später - im Zusammenhang mit der Lorentzkraft - wird der Elektromotor behandelt.
Da die Prinzipien der Elektrostatik einfacher sind als die der Elektrodynamik, wollte ich einen Elektromotor bauen, der auf der Abstoßung (und Anziehung) von Ladungen beruht.

Kurzfassung

In der Antike entdeckte man, dass ein bestimmter Stein, wenn man ihn rieb, erstaunliche Eigenschaften zeigte. Funken blitzten, und Haare sträubten sich. Dieser Stein war Bernstein. Nach dem griechischen Namen für Bernstein wurde dann auch der Verursacher dieser mysteriösen Vorgänge benannt: Das Elektron.
Das Elektron besitzt eine Ladung. Normalerweise ist diese negative Ladung durch eine entgegengesetzte positive Ladung gebunden. Durch Reibung an einem Bernstein (oder auch durch Gebrauch eines Hochspannungsgeräts) kann man diese beiden entgegengesetzten Ladungen voneinander trennen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Wenn man z.B. eine Kugel positiv auflädt und eine andere Kugel negativ, so ziehen sie sich an. Kann man diese geheimnisvoll wirkende Kraft für einen Motor verwenden?
Prinzipieller Aufbau des elektrostatischen Motors mit 16 Ankerplatten
(Anzeige des Bildes in Originalgröße)
Dieser Aufgabenstellung wollte ich nachgehen. Für einen derartigen Motor gäbe es verschiedene Konstruktionsansätze.
Man könnte zwei Kugeln nehmen und sie in regelmäßigen Abständen mit gleichnamigen und entgegengesetzten Ladungen versehen. Die Kugeln würden dann wie in einem Kolbenmotor sich hin- und her bewegen. Wie bei diesem Kolbenmotor müsste man dann diese Bewegung in eine kreisförmige Motorbewegung umwandeln. Dieses Motorprinzip hat allerdings den Nachteil, dass die Umwandlung der Pendelbewegung in eine Rotationsbewegung ziemlich aufwendig ist. (Dafür ist im Gegenzug die Berechnung relativ einfach)
Vorteilhaft wäre es, wenn man direkt aus der Kraft eine kreisförmige Bewegung erzeugen könnte. Ein beweglicher Anker im Innern ist zunächst positiv geladen und wird von dem negativ geladenen unbeweglichen Stator angezogen. Sobald er an diesem vorbeigelaufen ist, wird der Stator positiv geladen, der Anker wird dadurch abgestoßen. Jetzt muss man nur noch regelmäßig die Ladung auf dem Stator ändern, um den Motor immer weiter zu beschleunigen. Das war im Prinzip das komplette Funktionsprinzip des elektrostatischen Motors. Aufgrund der einfacheren Konstruktion habe ich mich für letzteren entschieden.
Es gelang mir, einen funktionsfähigen Motor zu konstruieren und zum Laufen zu bringen. Das größte Problem dabei ist, dass die elektrischen Kräfte ziemlich schwach sind und deshalb besondere Sorgfalt auf die Vermeidung jeglicher unnötiger Reibung gelegt werden musste. Da er erheblich schwächer ist als ein herkömmlicher Elektromotor, der auf magnetischen Prinzipien beruht, stellt er zu diesem allerdings keine Konkurrenz dar. Dafür kommt er ohne jegliche Schleifkontakte aus - das Achsenlager stellt das einzige verschleißbare Element dar, und auch dieses könnte noch durch ein verschleißfreies Magnetlager ersetzt werden.