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Elektromagnetisches Relais.
Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Relais zur Verstärkung elektrischer Ströme, u. zw. auf ein Ionenrelais, d. h. ein solches, bei dem der Strom mittels flüssiger oder gasförmiger Ionen transportiert wird, im Gegensatz zu den bekannten Elektronenrelais. Es kann sieh hiebei um negative oder positive Ionen oder um kolloidale Teilchen handeln. Das Relais kennzeichnet sich dadurch, dass die Ionen sich mindestens in einer zum steuernden magnetischen Feld senkrechten Ebene frei bewegen können, in welcher Ebene auch die Elektroden liegen, sowie dadurch, dass von der Ablenkung der Stromlinien unter dem Einfluss des magnetischen Feldes Gebrauch gemacht wird. Zufolge der Ablenkung und der Form- änderung der Stromlinien ergeben sich zwischen den Elektroden Widerstandsänderungen, die die Relaiswirkung hervorrufen.
Zufolge der Widerstandsänderung zwischen den Elektroden bildet der Elektrodenstromkreis den Sekundärkreis des Relais, dessen Primärkreis aus der Feldwicklung besteht, welche das magnetische Feld erzeugt.
In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, u. zw. zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung des elektrochemischen Relais und Fig. 2 eine teilweise Draufsicht auf dasselbe. Fig. 3 stellt die Form der Ionenbahnen dar, Fig. 4 zeigt eine Einrichtung der gleichen Art wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, bei welcher es sich jedoch um Gasionen handelt. Fig. 5 ist eine Draufsicht auf einen Teil dieser Anordnung, Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des Relais.
Fig. 7 zeigt eine verbesserte Ausführungsform des Relais. In Fig. 8 wird der obere zentrale, in Fig. 7 dargestellte Pol gesondert, und deutlicher dargestellt. Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Elektroden.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten elektrochemischen Relais enthält der Behälter 1 eine Flüssigkeit, die aus einem Elektrolyten oder einem Kolloid bestehen kann und in welche die Elektroden 2 und 3 tauchen. Die Elektrode 2 liegt innerhalb des magnetischen Feldes des Elektromagneten 4, wobei das vom magnetischen Stromkreis 5 herrührende Feld z. B. vertikal steht, während die Ebene, in der die Ionenverschiebung zwischen den Elektroden 2 und 3 stattfindet, horizontal liegt. Mit den Ziffern 6 und 7 sind isolierende Einführungsrohrstücke bezeichnet.
Der primäre Stromkreis des Relais enthält die Sekundärwicklung 8 des Transformators 9, an dessen Primärwicklung die zu verstärkende Spannung angeschlossen ist, sowie die Erregerbatterie 11 und die Wicklung 12 des Elektromagenten 4. Der sekundäre Stromkreis des Relais enthält die Batterie 13, die zwischen den Elektroden 2 und 3 befindliche Übergangsstrecke und die Klemmen 14 und 15, an denen die verstärkte Spannung abgenommen wird.
Infolgedessen bewirken die zwischen 2 und 3 auftretenden Spannungen Änderungen in der Stromabgabe der Batterie H, deren Leistung zum Teil in Wechselstrom umgeformt und zwischen 14 und 15 abgenommen wird. Umgekehrt erhält man zwischen 2 und 3 eine Gleichspannung, wenn man bei 14, 15 und in 10 Energie in Form von Wechselstrom zuführt.
Die Änderungen der Feldstärke im primären Stromkreis beeinflussen nun die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Ionen in der Übergangsstrecke zwischen den Elektroden 2 und 3 derart, dass Widerstandsänderungen im Sekundärkreis auftreten, die ihrerseits dort Stromänderungen bewirken, die bei geeignet gewählten Abmessungen der Wicklung und der Strömungslängen und-querschnitte die Strom-bzw. Spannungsänderungen im Primärkreise verstärkt wiedergeben.
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Bei der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsform ist die Einrichtung von der gleichen Art, jedoch handelt es sich hier um Gasionen und nicht um Flüssigkeitsionen. 16 bezeichnet eine Vakuumröhre mit mehr oder minder hohem Vakuum von abgeflacht zylindrischer Form, die jedoch ebenfalls als Rotatitionskörper mit vertikaler Achse ausgebildet ist. Das magnetische Feld ist vertikal gerichtet und folgt der Achse der Vakuumröhre.
Die Fig. 6 zeigt eine andere Form der Röhre, bei welcher die Elektrode 3 aus einem Solenoid besteht, das nur mit einem seiner Enden angeschlossen ist. Das magnetische Feld wird durch ein anderes msseres Solenoid 17 erzeugt, das von einem'Gleichstrom sowie von dem zu verstärkenden Wechselstrom durchflossen wird. Der verstärkte Strom wird über die Kondensatoren 18 an den Klemmen der Selbstinduktionsspule 19 abgenommen.
Um eine regelmässige lonenproduktion. zu erhalten, ist es möglich, die Elektrode 2 oder die Elektrode 3 zu heizen, u. zw. erfolgt dies vorteilhaft, indem man als Elektrodenmaterial Wolfram verwendet md die Heizung mittels elektrischen Stromes bewirkt. Es genügt z. B., die Elektrode 3 in Fig. 6 in einen Kurzschluss zu schalten, um sie durch die erzeugten Hochfrequenzströme zu erhitzen. Man kann die Vakuumröhre in diesem Fall mit einem Edelgas, z. B. Argon, füllen und man erhält auf diese Weise 3ine Einrichtung, mittels der elektrische Schwingungen von geringer Spannung erzeugt werden können.
Aus der Fig. 4 ersieht man, dass als Relais eine Vakuumröhre verwendet wird, die eine zentrale Elektrode S und eine ringförmige Elektrode 3 enthält, zwischen denen mit Hilfe der Batterie 13 eine Spannungsdifferenz erhalten wird. Ein vom Elektromagneten 4 erzeugtes steuerndes, magnetisches Feld verläuft in der Richtung der Achse der Vakuumröhre. Es wird auf diese Weise eine Anordnung nach Art des sogenannten Barlowschen Rades gebildet, bei welcher jedoch das metallische Rad durch einen Gas-oder Flüssigkeitskörper ersetzt ist. Zufolge der zwischen den Ionen und den nicht elektrisierten Molekülen bestehenden Reibung beginnt die Flüssigkeitsmasse zu rotieren und man kann die Entstehung
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wird und die bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit die Tendenz haben wird, der elektromotorischen Kraft der Batterie 13 das Gleichgewicht zu halten.
Bei sehr schnellen Änderungen des steuernden magnetischen Feldes, ändert sich die Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit nur wenig, und es erfährt hauptsächlich diese gegenelektromotorische Kraft grössere Änderungen, wodurch die Relaiswirkung im sekundären Kreis 2, 3, 13, 2, hervorgerufen wird.
In jedem Falle ist die Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten, die mit grosser Geschwindigkeit 1m eine Achse herum zirkulieren, ein wichtiges charakteristisches Kennzeichen der Erfindung, denn man kann überaus grosse Geschwindigkeiten bei sehr geringen Einwirkungen der Zentrifugalkraft erzielen, woraus sich die Möglichkeit. ergibt, elektrische Maschinen mit überaus geringen Dimensionen herzustellen.
Es ist dadurch möglich, flüssige oder gasförmige leitende Rotoren zu bilden, welche trotz ihrer Leichtigkeit die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom hoher oder niedriger Frequenzen und umgekehrt gestatten.
Man kann dann nicht nur eine R3laiswirkung erzielen, sondern auch erreichen, dass die Anordnung als asynchroner Generator arbeitet, in dem man den Wert der auf die Flüssigkeit oder das. Gas einwirkenden Gleichspannung so wählt, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Flüssigkeit oder des Gases grösser ist, als die Geschwindigkeit bei Synchronismus.
Es erscheint vorteilhaft, von der oben beschriebenen Anordnung eine andere Anordnung abzuleiten in gleicher Weise, wie die modernen elektrischen Maschinen von den Maschinen mit Scheibenanker abgeleitet sind. Die Ionen wandern dabei parallel zu einer Zylinderfläche statt parallel zu einer Ebene.
Fig. 7 zeigt die erwähnte Anordnung. Der Apparat stellt einen Rotationskörper mit der Rotationsachse X Y dar. Er besitzt eine Vakuumröhre in Form eines abgeflachten Torus 16, der mit ringförmigen Elektroden 2, 3 versehen ist. Die Vakuumröhre ist im Felde eines radial lamellierten Elektromagneten 5 geordnet, dessen Spule 12 um die Achse X Y herumgewickelt wird. Der Primärkreis des Relais wird durch den Transformator 9, die Batterie 11 und die Wicklung 12 gebildet, der Sekundärkreis, durch den die verstärkten Ströme fliessen, besteht aus den Teilen 15, 3, 2, 13 und 14, wobei 13 eine Batterie, 14 und 15 die Klemmen sind, an denen der verstärkte Strom abgenommen wird.
Die Fig. 8 zeigt die gegebenenfalls verwendete Anordnung einer Wellenwicklung 26 auf dem zentralen Pol, wodurch der Apparat als asynchroner Generator zu arbeiten imstande ist. Die Enden der Wicklung sind mit 23, 24 bezeichnet, 25 ist ein Kondensator, welcher die Selbsterregung des asyn- , fronen Generators ermöglicht, dem er wattlosen Strom liefert.
Die eben beschriebene Anordnung ist einer grossen Anzahl von Anwendungen fähig. Es entsteht tuf diese Weise eine elektrische Maschine, die folgenden Zwecken dienen kann. 1. Als Relais für Telephon- rvechselströme von hoher oder niedriger Frequenz. 2. Als Umformer von Wechselstrom in Gleichstrom ) der umgekehrt. 3. Als negativer Widerstand (induktionsloser oder induktiver) sowie namentlich als Generator für hochfrequente Ströme. 4. Als Phasentransformator, 5. als elektrisches Ventil usw.
Relaiswirkung. Bei der bereits beschriebenen Anwendung als Relais werden die zu ver- stärkenden Ströme an die Primärwicklung 10 des Transformators 9 angeschlossen ; die verstärkten Ströme werden bei 14,, 15 abgenommen.
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Statt die zu verstärkenden Ströme die Wicklung 12 durchlaufen zu lassen, können sie natürlich auch durch eine besondere Wicklung fliessen, wodurch bloss der vom Wechselfeld durchsetzt Teil lamelliert hergestellt sein muss.
Wirkungsweise als asynchroner Generator oder als negativer Widerstand.
Zufolge der grossen Geschwindigkeit des Rotors ist der Generator ohneweiters imstande, hochfrequente Ströme für drahtlose Telegraphie zu erzeugen, wobei die Frequenz unvergleichlich höher ist als die mittels einer Wechselstrommasehine mit umlaufendem Eisenanker erzeugten Ströme. In diesem Falle wird der Transformator 9 weggelassen und die zu verstärkenden Wechselströme werden bei 23, 24 zugeführt. Zufolge der Drehung des flüssigen Rotors, und des Umstandes, dass die Stromkurven des Stromes der Batterie 13 senkrecht zu dem radialen Feld des Elektromagneten sind, steht die Flüssigkeit unter der Einwirkung einer Kraft, welche sie um die Achse X Y zu rotieren zwingt.
Dieser Rotor wirkt wie ein rotierender Käfiganker, wodurch in dem Stator 23, 24 eine wechselnde elektromotorische Kraft erzeugt wird, deren Richtung von der Geschwindigkeit des Rotors, d. h. somit auch von der elektromotorischen Kraft der Batterie 13 abhängt. Die Wellenwicklung erzeugt eine bestimmte Anzahl von Polen, wodurch auch die Geschwindigkeit der Drehfelder des Stators bestimmt ist. Man kann daher leicht die Spannung der Batterie ermitteln, welche das Funktionieren als asynchroner Generator oder negativer Widerstand bedingt. Da der Kondensator 25 dem Generator den nötigen wattlosen Strom liefert, ist der Kreis 25,26 auf die Frequenz der zu erzeugenden Ströme abgestimmt.
Selbstverständlich kann man die Wicklung 26 durch eine andere Wellenwicklung auf dem andern Pol ersetzen, der sodann dem Stator einer Hochfrequenzmaschine gleicht, oder man kann die beiden Wicklungen kombinieren. Es versteht sich von selbst, dass diese Wicklungen zwischen lamellierten Blechen oder magnetischen Drähten verlegt werden müssen, die derart angeordnet sind, dass die Verluste durch Foucaultsche Ströme auf ein Minium reduziert werden. Es ist sodann nicht notwendig, den magnetischen Kreis des Elektromagneten 5 zu lamellieren, man braucht bloss um den zentralen Pol kreisförmige Blechkränze oder Kranzteile anzuordnen.
Es ist klar, dass man sämtliche, in der Technik gebräuchliche Arten von Wicklungen verwenden kann und dass auch Mehrphasenströme erzeugt werden können. Nur nebenbei sei bemerkt, dess nach den gleichen Prinzipien auch Phasenumformer mit gasförmigem oder flüssigem Rotor erhalten werden können. Unter den zur Verwendung geeigneten Flüssigkeiten und Gasen sind für niedrige Frequenzen Flüssigkeiten irgendwelcher Art, für hohe Frequenzen Quecksilber-, Argon-, Neondampf und andere besonders geeignet.
Es sei noch bemerkt, dass der asynchrone Generator mit Gas-oder Flüssigkeitsrotor nicht auf die Verwendung von Ionen beschränkt ist, sondern auch eine Verbesserung beim Arbeiten mit reinen Elektronenströmen oder mit gemischten Ionen-und Elektronenströmungen darstellt. In diesem Falle Fig. 9) ist die Elektrode 2 so angeordnet, dass sie mittels eines elektrischen Stromes geheizt wird, indem de mit zwei Klemmen versehen ist, welche ausserhalb der Röhre an die beiden Pole einer Batterie 27 angeschlossen sind oder indem sie durch die Induktion einer Wicklung geheizt werden, die um die Achse X Y gelegt ist, und von Wechselstrom höherer oder niedrigerer Frequenz durchflossen ist.
Man ersieht ohne- weiters, dass, im Falle die Elektronen um die Achse X Y kreisen, eine gegenelektromotorische Kraft zwischen 2 und. 3 erzeugt wird, welche die Relaiswicklung zur Folge hat und dass bei der Funktion als asynehroner Generator sehr günstige Wirkungen gezeitigt werden.
An Stelle der Batterien können in allen beschriebenen Anordnungen natürlich beliebige andere gebräuchliche Generatoren verwendet werden.
Die beschriebenen Apparate können schliesslich noch zur Modulierung der Hochfrequenzen verwendet werden, namentlich bei der Wirkungsweise als negativer Widerstand, indem man in den Primär- oder Sekundärkreis die zur Modulierung dienende Spannung einschaltet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektromagnetisches Relais, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anordnung einer als Rotationskörper ausgebildeten Kammer, die mit einer Flüssigkeit oder einem gasförmigen Medium gefüllt ist, und zweier Elektroden, die in der Kammer konzentrisch zu deren Achse angeordnet sind, ! owie eines Elektromagneten, der ein magnetisches Feld erzeugt, das in allen Punkten zur Richtung ler Stromlinien senkrecht steht.