Zamboni-Pendel
Streng genommen ist es nicht mein Projekt sondern eine Gemeinschaftsarbeit. Die Idee stammt von einem Kollegen, auch die Organisation und Halbzeug-Beschaffung hat er erledigt. Mein Part war z.B. der "handwerkliche" Teil und das Ätzen der Beschriftungsschilder. Die Endmontage haben wir gemeinsam gemacht. Leider gibt es so gut wie keine Bilder von der Entstehungsphase: wir hatten einfach nicht daran gedacht, während des Bastelns zu fotografieren.
Worum geht es nun? Ein "Zamboni-Pendel" ist ein elektrostatisches Pendel, das im Jahre 1820 von dem Italiener Giuseppe Zamboni erfunden wurde. Er war Priester und Physiker und erfand die nach ihm benannte Zamboni-Säule: eine Hochspannungs-Trockenbatterie. Diese Batterie lieferte bis zu 4000 Volt und bestand aus Papierscheiben mit Zinkfolien- und Manganoxid-Beschichtung, als Elektrolyt diente die
Restfeuchte des Papiers.
Sein Pendel - es hatte ja keinen sichtbaren Antrieb, weswegen es von manchen als Perpetuum Mobile gedeutet wurde - nutzte eine solche Spannungssqelle als Antrieb - in unserer Nachbildung hingegen kommen Lithium-Mangandioxid-Knopfzellen CR2032 zum Einsatz, wie sie heutzutage auf fast jedem PC-Mainboard zu finden ist. Eine Knopfzelle hat eine Nennspannung von 3V, wir benutzten 400 Stück davon. Als Nennspannung ergeben sich 1200V, eine spätere Messung ergab 1336V Leerlaufspannung.
Alle Pendel, gleich welcher Bauart, haben ohne Energiezufuhr von außen ein gemeinsames Problem: die Schwingung ist mehr oder weniger gedämpft, so daß sie irgendwann keine mehr ist; mit anderen Worten: nicht mehr schwingt. Diese Dämpfung gilt es, durch Energiezufuhr zu kompensieren - beispielsweise elektromagnetisch oder durch (ent)spannen einer Feder.
Im unserem Fall dient ein elektrostatisches Feld als Energielieferant: an die Platten eines Kondensators werden über Schutzwiderstände (2x 20 MΩ) die o.g. Lithiumzellen angeschlossen. In diesem Feld befindet sich der Pendelkörper, eine Edelstahlkugel. Nachdem das Pendel einmalig angestoßen wurde, also die Kugel eine der Kondensatorplatten berührte, finden selbstständig periodisch Umladevorgänge zwischen Kugel und jeweiliger Platte statt. Als Folge treten elektrostatische Kräfte auf, die die Dämpfung der Schwingung verhindern und ihr entgegen wirken: das Pendel pendelt.
Hier sieht man eine schematische Darstellung des Aufbaus (links) und das Schaltbild (rechts). Der Sockel, in dem sich die Widerstände und ein paar mechanische Komponenten (Halterungen, Schrauben) befinden, besteht aus Mahagoni-Holz. Die Batterieaufnahmen, der "Pendelraum" und die Bodenabdeckung des Mahagonisockels sind aus Plexiglas gefertigt, sämtliche Metallteile (bis auf die Schrauben im Inneren und die Nivellierfüße: Messing, lackiert) bestehen aus V4A-Edelstahl. Natürlich gibt es auch noch einige Kupferlackdrähte für die elektrischen Verbindungen.
Da es keinen im klassischen Sinn geschlossenen Stromkreis gibt, ist lediglich zu den Zeitpunkten des Kugelanschlags an den Platten ein sehr kurzzeitiger und kleiner Stromfluß festzustellen; während dieser Zeit gibt es einen Ladungstransport. In völlig dunkler Umgebung sind bei genauem Hinsehen diese Umladevorgänge auch direkt sichtbar. Die hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten bewirken weiterhin elektromagnetische Pulse, die z.B. mit einem gewöhnlichen Radioempfänger hörbar gemacht werden können.
Mit einem in Reihe zum Aufbau geschalteten alten Analog-Oszilloskop
(Ri = 1 MΩ, 2V/div, 100µs/div) und einer handelsüblichen Digitalkamera
ließ sich der links dargestellte Strom-Zeit-Verlauf aufnehmen.
Leider spiegelt sich der Bediener der Kamera im Oszilloskopschirm...
Integriert man nun den Strom-Zeit-Verlauf, der sich bei Auf- bzw. Entladung eines Kondensators (Platten) über einen Widerstand (o.g. Schutzwiderstände) ergibt, erhält man eine Ladungsmenge von ca. 6•10-10 As. Dies ergibt bei einer Nennkapazität der Batterien von 210 mAh (was einer anfänglichen Energiemenge von 0,252 kWh entspricht) einer rechnerisch-idealen Gangreserve von 60.000 Jahren.
Es gibt auch ein kleines Video vom Pendel in Aktion (knapp 1 MByte) und ein paar weitere Bilder.