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Vorrichtung zur Ausnutzung der Anziehungskraft auf Grund des Johnsen-Rahbeck-Effektes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausnutzung der Anziehungskraft, die
sich auf Grund des johnsen-Rahbeck-Effektes bei Durchgang eines elektrischen Stromes
zwischen der Fläche eines Leiters oder Halbleiters und einem ihnen gegenüber bewegbar
angeordneten Halbleiter ergibt, der zwecks Anlegung der elektrischen Spannung mit
einer Leiterschicht untrennbar verbunden ist.
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Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art besteht der Halbleiter
im allgemeinen aus Marmor, Achat, stets feucht gehaltener Gelatine oder ähnlichen
Stoffen und hatte die Form einer Platte oder eines rotierenden Zylinders.
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Besonderer Wert wurde auf die Verwendung von Halbleitern großer Härte
und Polierfähigkeit gelegt, wobei man glaubte, daß die Dicke des Halbleiters keinerlei
Einfluß besitze. Auch tierische Häute, Gelatine, Celloidin, Nitrocellulose und gewisse
Papiersorten sind für die Halbleiter bereits vorgeschlagen worden. Für die untrennbare
Verbindung des Halbleiters mit der Leiterschicht wurde bei den bekannten Vorrichtungen
als elektrisch leitender Klebstoff Wasserglas benutzt.
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Allen bekannten Vorrichtungen dieser Art ist das Merkmal gemeinsam,
daß die Haftflächen durch Gewicht oder Federdruck in innige Berührung gebracht werden
müssen. Nur auf diese Weise war es möglich, bei Anlegung der Spannung die gewünschte
Anziehungskraft mit einer ausreichend festen Haftung der Berührungsflächen zu erreichen.
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Durch dieses ständige Gegene@nanderdriicken der Haftflächen bei Nullspannung
ergaben sich beträchtliche Beanspruchungen und insbesondere ein großer Abrieb der
gegeneinander reibenden Flächen, der dann wieder zu zusätzlichen Schwierigkeiten
führte. Die Anziehungskraft selbst war zwar vorhanden,
war aber
in ihrer Größe derart wenig konstant und steuerbar, daß trotz anfänglich großer,
mit Johnsen-Rahbeck-Effekt verknüpfter Hoffnungen die praktischen Erfolge nur gering
waren. Es wurde zwar versucht, dem Übelstand, daß die Eigenschaften der Haftflächen
sich in nicht lenkbarer Weise änderten, durch besondere Oberflächen, durch Reinigungsmittel
teils mechanischer; teils chemischer Art abzuhelfen. Aber auch diesen Bestrebungen
war der praktische Erfolg. versagt.
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Erfindungsgemäß wird zur Behebung dieser Nachteile vorgeschlagen,
die aus Leiterschicht und Halbleiterschicht zusammengesetzte Doppelschicht, die
Leiterfläche oder beide Haftflächen nach Art einer in der Fläche nachgiebigen Feinfolie
mit einer Stärke von höchstens 0,5 mm und vorzugsweise nicht mehr als o,oi
bis 0,i mm auszubilden, wobei die Stärke um so größer gewählt werden kann, je größer
die Berührungsfläche ist, und daß sich die durch mindestens eine Feinfolie gebildete
Haftfläche bei abgeschalteter Spannung (im nachfolgenden auch als Nullspannung bezeichnet)
nur unter dem Einfluß ihres eigenen Gewichtes und ihrer Flächennachgiebigkeit sich
gegen die ihr gegenüber bewegbar vorgesehene Gegenfläche legt. Auf diese Weise wird
erreicht, daß bei Nullspannung die Flächen nur lose in einigen wenigen Berührungsflecken
aufeinanderliegen, die jedoch ausreichen, um bei Anlegen einer Spannung die Doppelschicht
oder die Leiterfläche gegen ihre Gegenfläche zu ziehen und nun die volle Betriebsanziehungskraft
und Haftung zu erreichen. Diese Kraft bleibt auch über lange Betriebszeiträume konstant,
da die Reibung, die zwischen den Berührungsflächen bei Nullspannung auftritt, praktisch
so klein ist, daß sie vernachlässigt werden kann. Außerdem wird dadurch, daß auf
die erfindungsgemäße Weise die Doppelschicht bzw. die Leiterfläche als Feinfolie
ausgebildet ist, erreicht; daß sich eine äußerst innige Berührung in den Haftflächen
ergibt, was eine wesentliche Voraussetzung für eine möglichst große-Anziehungskraft
ist.
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Die Stärke der Feinfolie richtet sich nach der Größe der Fläche, wobei
als Maßstab die Nachgiebigkeit in der Fläche benutzt werden kann, die so groß sein
muß, daß sich bei Nullspannung eine Berührung in wenigen Punkten ergibt, ohne daß
die ganze Fläche schon anliegt.
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Bei den Relais üblicher Größe, und diese stellen ein wesentliches
Anwendungsgebiet der Erfindung dar, sind aber Folienstärken erforderlich, die nicht
höher als o, i mm sind.
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Vorzugsweise besteht die Halbleiterschicht aus einer Folie aus einer
plastischen Kunstmasse oder aus einer Kombinationsmasse aus plastischen Kunststoffen,
wobei diese als gemischter oder ungemischter Kunststoff Verwendung finden kann.
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Es hat sich dazu gezeigt, daß es sich für viele Anwendungsgebiete
empfiehlt, die Folie aus einer vol'lsyntheti-schen Kunstmasse, beispielsweise aus
einem Kondensations- oder Polymerisationskunstharz oder aus einer Kombinationsmasse
aus derartigen- Kunstharzen, herzustellen. So eignen sich hierzu die unter der Bezeichnung
Supronyl im Handel befindliche Folie auf Superpolyamid'basis, Polymerisate aus Acrylnitril,
[email protected] und ähnliche Kunststoffe.
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Wichtig ist vor allem, daß die Folie in elektrischer Hinsicht Halbleitereigenschaften
besitzt und außerdem über eine genügende mechanische Festigkeit verfügt. Grobe Folien,
deren Stärke zwischen o,5 und 2 mm liegt, sind selbst bei größeren Flächen für die
Ausführung der Erfindung ungeeignet, da sie nicht mehr senkrecht zu ihren Flächen
genügend Nachgiebigkeit besitzen.
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Von besonderer Wichtigkeit ist .die Art, wie die Halbleiterschicht
mit der Leiterschicht untrennbar verbunden wird. Die auf diese Weise geschaffene
Doppelschicht muß eine Feinfolie sein, um eine genügende Flächennachgiebigkeit zu
besitzen. Außerdem aber muß die Verbindung so innig und gleichmäßig wie möglich
sein, da hiervon wesentlich die Größe der Anziehungskraft für eine bestimmte angelegte
Spannung abhängt.
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Bei einer .bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist .die Halbleiterschicht
als in sich geschlossene Folie hergestellt, während der Leiter auf ihrer einen Flächenseite
in Form eines dünnen Überzuges, in flüssiger, dampf- oder staubförmiger Form oder
auf nassem Wege aufgebracht ist. Das Aufbringen in Dampfform unter Hochvakuum ergibt
auch besonders gute, gleichmäßige und dünne Auflagen des Leiters. Ebenso ist auch
die Aufbringung,der Leiterschicht durch Verspicgelung der Halbleiterschicht auf
nassem Wege möglich. In einem Bade wird eine Metallsalzlösung und ein Reduziermittef
zusammengebracht, wobei dann die eine Fläche der Halbleiterfolie durch Eintauchen
eine gleichmäßige dünne Metalloberfläche erhält. Es ist statt .des Eintauchens auch
möglich, zwei Spritzpistolen zu verwenden, .die .die Metallsalzlösung und das Reduziermittel
gleichmäßig aufbringen, wobei sich der .dünne Metallfilm an der Oberfläche der Halbleiterfolie
abscheidet. Statt dessen ist es auch möglich, die Leiterschicht ebenfalls als in
sich geschlossene Folie herzustellen und diese mit der Halbleiterschicht durch heißklebende
Kunstleime zu verbinden, wobei die elektrische Leitfähigkeit des Kunststoffleims
mindestens in der Größenordnung derjenigen der Halbleiterschlicht liegen soll. Eine
normale Leirnung oder Klebung reicht nicht aus, da hier die Gefahr der Lunkerbildung
und eine nur stellenweise Verbindung der Leiterschicht mit der Halbleiterschicht
zu groß ist. Bei heißklebenden Kunststoffleimen dagegen ist die Gefahr vermieden,
.da kein Lösungsmittel verdunstet.
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Es ist auch möglich, die eine Fläche de-s als Feinfolie ausgebildeten
Halbleiters mit einem feinen Metallpulver oder Graphitpulver einzureiben, was unter
Umständen schon zu einer ausreichend feinen ünd.gleichmäßig verteilten Leiterschicht
führt. Diese Auflage kann zusätzlich auch noch galvanisch verstärkt werden.
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Auf der anderen Seite ist es auch grundsätzlich möglich, auf umgekehrte
Art von einer Metallfolie auszugehen, auf die der Halbleiter in dampfförmiger,
flüssiger
oder pulverartiger Form aufgebracht ist. Normalerweise ist es jedoch günstiger,
von einer in sich geschlossenen Halbleiterfolie auszugehen, da diese in Haftberührung
mit dem selbständigen Leiter kommt. Die mechanische Festigkeit der in sich geschlossenen
Folie ist naturgemäß in der Regel höher als die nachträglich aufgebrachte Schicht.
Unter Umständen kann es jedoch, insbesondere dann, wenn die Wirkflächen senkrecht
gegeneinander bewegt werden, von Vorteil sein, auch von einer in sich geschlossenen
Leiterfolie auszugehen. Hierbei ergibt sich die weitere Möglichkeit, die Halbleiterschicht
durch chemische oder elektrochemische Veränderung der Oberfläche derjenigen Feinfolie
zu erzeugen, aus der der Leiter hergestellt ist. Als ein Beispiel sei eine Aluminiumfeirnfolie
genannt, die oberflächlich eloxiert wird, wobei gegebenenfalls nachträglich die
Poren ausgefüllt oder auf andere Weise behandelt werden.
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Die Erfindung eignet sich für zahlreiche Verwendungszwecke. An Hand
der Zeichnungen sind einige Verwendungszwecke schematisch dargestellt, wobei jedoch
betont wird, daß es sich hier nur um wenige Beispiele handelt und daß die Erfindung
nicht auf .diese Verwendungszweckebeschränkt ist. Es zeigt Fig. i eine schematische
Darstellung einer erfindungsgemäß vorgesehenen Anordnung, Fig. 2 eine schematische
Darstellung einer anderen erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 3 die Darstellung einer
noch weiteren Ausführung, Fig. q. das Schema einer weiteren Ausführungsform, Fig.
5 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Mehrfachsteuerung,
Fig. 6 die schematische Darstellung der Fig. 5 in Draufsicht, Fig. 7 eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Relais unter Ausnutzung der Bewegung
der Folien senkrecht zu ihrer Fläche, Fig. 8 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Schwingungsgebildes, Fig.9 das Schema eines Schwingungsgebildes
mit anderer Stromführung, Fig. io eine schaubildliche Darstellung der spiralförmigen
Anordnung der Haftflächen, Fig. i i die Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 12 die Schemazeichnung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Berührungsschalters,
Fig. 13 die Schemazeichnung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zeitschalters.
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In den Figuren ist mit einer Wellenlinie eine erfindungsgemäß ausgebildete
Doppelschicht ,bezeichnet, die also eine Feinfolie darstellt, die aus einer Halbleiterschicht
mit der aufgebrachten Leiterschicht besteht. Die geraden Linien ihr gegenüber schematisieren
die Leiterfläche, die verstärkten Punkte deuten den jeweiligen Stromanschluß an.
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Gemäß Fig. i ist der eine Pool i der Spannungsquelle an einen selbständigen
Leiter 2 gelegt, wobei diese Fläche insbesondere eben oder einfach gekrümmt ausgebildet
ist. Der andere Pol der Spannungsquelle 3 ist an eine erfindungsgemäß ausgebflidete
Doppelschicht4 gelegt, die in loser Berührung mit der Leiterfläche 2 derart liegt,
daß ihre Halbleiterschichtnach der Leiterfläche 2 hinweist.
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Gemäß Fig.2 sind zwei Doppelschichten 5, 6
gegeneinandergelegt.
Nach Fig. 3 liegen gegen eine selbständige Leiterfläche 2 nebeneinander zwei Doppelschichten
7, 8, an die die beiden: Pole i und 3 der Spannungsquelle gelegt sind. In entsprechender
Weise ist gemäß Fig. q. eine durchgehende Doppelschicht 9 vorgesehen, der gegenüber
zwei selbständige Leiterflächen io -und i i liegen, an die die Pole i und 3 einer
Spannungsquelle geführt sind.
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Nach Fig.5 besteht ein Mehrfachschalter, beispielsweise für die Steuerung
der Fachbildung beim Wobstuhl, aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten
Leiterflächen i2, zwischen denen kammartig erfindungsgemäß ausgebildete Doppelschichten
13 vorgesehen sind. Der eine Pol der Spannungsque'llle ist auf nicht näher dargestellte
Weise an die selbständig geschaltete Flächen 12 und der andere Pol 3 der Spannungsquelle
an die parallel geschalteten Doppelschichten: 13 gelegt. Ebenso kann sich natürlich
auch eine Doppelschicht 14 beweglich zwischen zwei Leiterflächen 15 befinden oder
die Anordnung als verstärkter Einzelschalter 16 ausgebildet sein.
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Zur besseren Übersicht wurde die Doppelschicht jeweils nur einfach
gezeichnet. Da diese aber nur einseitig wirksam ist, wird man sie vorzugsweise in
doppelter Lage verwenden oder von vornherein nach den geschilderten. Verfahren doppelseitig
wirksam herstellen, so durch doppelseitiges Behandeln, einer Metallfolie, indem
man diese beispielsweise auf beiden Seiten beklebt.
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In der Ausführung werden hier wie bei anderen Anwendungen vorzugsweise
die gemeinsam feststehenden Haftflächen durch seitliche Zwischenlagen verbunden
und so auf einen bestimmten Abstand gehalten, .damit sich in den Zwischenräumen
die eingeführten Haftflächen frei bewegen können und die Forderung nach Berührung
in nur wenigen Flächenpunkten erfüllt ist.
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Fig. 6 soll die Darstellung der Fig. 5 in Drauf-Sicht zeigen und gleichzeitig
die Möglichkeit verdeutlichen, zwischen zwei Haftflächen 17 mehrere Haftflächen
18 nebeneinander anzuordnen.
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Gemäß Fig. 7 ist der eine Pol i der Spannungsquelle an eine Metallplatte
i9 gelegt, während der andere Pol 3 der Spannungsquelle an die oberste Doppelschicht
2o geführt ist. Die summierte Bewegung in Richtung desTfeiles 21 wird hierbei für
eine relaisartige Betätigung ausgenutzt.
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In Fig.8 ist das Schema eines Schwingungsgebildes dargestellt, indem
die Doppelschichten 22, wie bei 23 und 24 gezeigt ist, eingespannt sind. In Fig.9
ist dieses Schwingungsgebilde mit parallel und hintereinander (:gemischt) geschalteter
Stromführung dargestellt.
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Nach Fig. io sind zwei Bänder aus einer Doppelschichtfolie 25 spiralfömig
um eine Achse 26 gewunden, wobei entweder die Bewegung in Richtung
des
Doppelpfeiles 27 oder in Richtung des Doppelpfeilkreisbogens 28 ausgenutzt wird.
Bei Stromschluß an i und 3 wird diese Bewegungsfähigkeit gehemmt. Das Ganze haftet
in sich. Statt der angedeuteten zwei Haftflächen können beliebig viele verwendet
werden.
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Gemäß Fig. i i ist die Erfindung für einen Uhrenantrieb ausgenutzt,
indem die Haftflächen 29 und 3o, an die der eine Pol i der Spannungsquelle gelegt
ist, mit einer Haftfläche 31 zusammenarbeiten, an die der andere Pol 3 der
Spannungsquelle geführt ist und die in diesem Falle an einen Pendel einen Impuls
weitergibt. In ähnlicher Weise können auch Drehschwingungen unterhalten werden.
Bei dieser Ausführungsform brauchten nicht unbedingt Feinfolien verwendet zu werden.
Es wäre hier auch möglich, :die beiderseitigen Backen, durch die der Pendel einen
Impuls erhält, z. B. aus Achat herzustellen.
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Die im Haftstromkreis fließende Strommenge ist so gering, daß man
sich ohne Bedenken selbst in den Stromkreis schalten kann, um durch einfaches Berühren
von Kontakten ein Haftrelais zum Ansprechen zu bringen. In* Fig. 12 ist das Schema
eines Berührungsschalters dargestellt, dessen beide Klemmen, die mit den beiden
Polen. der Spannungsquelle verbunden: sind, mit i und 3 bezeichnet sind. Die beiden
Leiter 32 und 33 sind durch erfindungsgemäß ausgebildete Haftflächen 34 miteinander
verbunden. In dem Leiter 32 liegt ein handbetätigter Schalter 35, während parallel
zu den Haftflächen 34. ein Handschalter 36 gelegt ist. Durch Schließen des Schalters
35 wird der Haftstromkreis geschlossen, während er durch Schließen des Schalters
36 kurzgeschlossen wird. Beide Betätigungen führen zur Auslösung eines entsprechenden
Schaltvorganges.
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Gemäß Fig. 13 ist parallel zu den Doppelschichten 3.4 ein Kondensator
37 geschaltet. Nach Öffnen des Schalters 38 speist für eine begrenzte Dauer der
Kondensator 37 da-s Haftrelais 34.. Eine derartige Anordnung, bei der auch der Kondensator
durch einen elektrischen Sammler ersetzt werden kann, kann als zeitabhängiger Schalter
benutzt werden. Einen ähnlichen Effekt erreicht man, wenn der Elektrizitätsspeicher
nicht parallel, sondern in Reihe geschaltet -wird.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Haftsystem kann auch zur wahlweisen
Feststellung und Freigabe von Fenster-, Tür- und anderen Öffnungen sowie zu deren
Abdichtung dienen, ebenso als sogenannter elektrischer Türöffner oder als Sicherungsselbstschalter
(Automatensicherung).
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Die Haftwirkung des Johnsen-Rahbeck-Effektes wird allgemein unterstützt
und unter Umständen wesentlich verstärkt, wenn zwischen den sich berührenden Haftkörpern
eine elektrisch isolierende Flüssigkeit gebracht wird, die entsprechend ihren dielektrischenWerten
die elektrostatischeAnziehung erhöht.
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Läßt man eine der beiden Haftflächen zu einem staub- oder pulverförmigen
Körper verkümmern, so findet bei Stromdurchgang eine beträchtliche Haftung dieser
Teilchen auf der einen Haftfläche statt. Die Stromzuführung geht dabei einmal an
die eine Haftfläche, dann beispielsweise durch einen Streifer an das Pulver. Jeder
mehr oder weniger gut leitende Stoff ist als Pulver :geeignet. Vorzugsweise verwendet
man Metallstaub und erhält damit eine äußerst empfindliche Anordnung zum Nachweis,
zur Aufzeichnung und zur Messung von Gleich- und Wechselstrom. Man kann so jede
Art von elektrischen Schwingungen und Impulsen und indirekt von akustischen Schwingungen
aufzeichnen und festhalten, gegebenenfalls unter gleichzeitiger oder nachträglicher
Verwendung von Befestigungsmitteln, wie Lacken oder Leimen.