NEXT STEP IN EFFICIENCY
NEXT STEP IN EFFICIENCY

Erklärung der Arbeitsweise

 

Ein jeder kennt ein Radio und was noch besser ist, ein Funktelefon. Bei diesen Geräten weiß ein jeder, Senden und Empfangen wird durch elektrische Energie erreicht. Gut, diese Geräte haben entweder einen Netzteil oder eine Batterie. Der Empfang der Radiowellen ist nur durch Verstärkung der relativ schwachen Ströme erreichbar. Sendung und Empfang werden über Antenne gesteuert. Aber es ist ein Sender für die zu empfangenen Energien notwendig, der diese abstrahlt.

 

Bei den kleinen Strips / Folienkondensatoren, geschieht genau das gleiche wie bei
Radio und Telefon. Nun man sollte wissen, dass Bewegungen in Materialien Energie abstrahlen, ähnlich wie bei einem Sender. Diese Energie jedoch ist normal verloren und bei bestimmter Belastung kann dieser Verlust zu Ermüdungserscheinungen führen, das heißt, es kann zu Materialbruch führen.

 

Abstrahlenergie bei Bewegung:

Diese Energie, die jedoch sehr schwach ist, wird von diesem kleinen Strips aufgefangen und bei Bedarf ganz schnell wieder abgegeben. Dieser schnelle Wechsel von Energie beruht auf dem gleichen Prinzip wie bei Radio und Telefon, dem sogenannten Dipolmoment. Die zurückgeführt Energie sorgt nun seinerseits für eine bessere Stabilität innerhalb des Gefüges von Materialien. So kann man diese Verbesserungen an vielen Beispielen zuerst feststellen. Man kann eindeutige Verbesserungen bei Zugprüfungen nachweisen.

 

Das heißt: Die Materialien wie Stahl u.a.m. werden belastet und gemessen, jedoch um nach bekleben mit den Strips die gleichen Messwerte zu erreichen, muss die Belastung erhöht werden. Wenn die Prüfstäbe in Schwingung gesetzt werden, kann man feststellen, dass diese sich in ihrem Schwingungsverhalten ändern, die Schwingzeit wird kürzer und die Amplituden kleiner. Wenn man diese Erkenntnisse auf Autos übertragt, ist die Folge ein:

- verbessertes Fahrverhalten,
- weniger pendeln in Spurrillen,
- stabileres Verhalten bei Seitenwind,
- ruhiges Laufverhalten,
- besserer Geradeauslauf,
- bessere Verhalten bei Vollbremsung

 

So könnte man noch eine Vielzahl von Dingen aufzählen, die alle auf die Verhaltensweise von Materialien bei Bewegung zurück zu führen sind und die letztlich als Verschleiß angesehen werden. In einer Gesellschaft, die von morgens bis abends von Umweltschutz und sparsamen Umgang mit den zur Verfügung stehenden Rohmaterialien redet, sei es angebracht, angebotene Möglichkeiten zu nutzen.

 

 

Die Wirkungsweise des Strips ist mit einem kleinen Besen, der mit seinen Borsten in den Borsten eines großen Besens verhakt ist, vergleichbar. Dabei entsprechen die Borsten den elektrischen und magnetischen Feldern, die sich aufgrund der zwischen den    Materialien    ausbildenden    Kontaktpotentialdifferenz aufbauen. Die Ausgangspunkte der Borstenbündel entsprechen jeweils den Atomen im Strip und im Material. Fährt man nun mit dem Finger an dem großen Besen vorbei, so erkennt man, dass die Borstenbündel im Bereich des kleinen Besens nicht mehr so leicht bewegt werden können. Dies entspricht der Steigerung des Elastizitätsmoduls im Material. Das heißt, um die einzelnen Atome (Borsten) genauso weit aus zu lenken, ist nun eine größere Kraft nötig als zuvor. Außerdem wird durch den kleinen Besen (Strips) nun eine kürzere Länge des großen Besens (Material) für Schwingungen frei beweglich, was neben der Änderung des Elastizitätsmoduls zu einer anderen Eigenfrequenz des Materials führt, d.h. die Auslenkung des Gesamtmaterials wird geringer.

 

Aus der Praxis: 
Im Dezember 1999 wurde in Zusammenarbeit mit einer Werft eine Bugstrahlruderanlage mit der Strips-Technik ausgerüstet. Die Pfahlzugmessung ergab eine Differenz von 2200 Kg (nachher) zu 1800 Kg (vorher), so dass unter Berücksichtigung aller möglichen Toleranzen eine Verbesserung um mindestens 12 % erreicht wurde. Wir werden nicht immer 12 % erreichen, aber stellen Sie sich ein Schiff oder Flugzeug vor, dass 5 % weniger Strömungswiderstand hat. Die gleiche Geschwindigkeit lässt sich mit einem weitaus geringeren Kraftstoffverbrauch erzielen. In einem Versuch bei einer Schiffbau Versuchsanstalt, wurde der Trend Reduzierung des Strömungswiderstands durch Folienkondensatoren bestätigt.

Bindekräfte basieruen auf der Coulombwechselwirkung

 

Größere Coulombwechselwirkung => höheres E-Modul

1.1. Potentialmodell
Die Richtungsabhängigkeit gibt uns jedoch einen ersten Hinweis auf die Bindekräfte. Sie sind elektrischer Natur und basieren auf der Coulombwechselwirkung zwischen den positiv geladenen Atomkernen und den negativ geladenen Elektronen. Dies kann man in dem altbewährten Potentialmodell darstellen (Abb. 1). Auf der x-Achse (Abszisse) ist der Ort in 1/10 nm = 1 Angström angegeben und auf der y-Achse (Ordinate) ist die Bindeenergie in eV = 1,602 * 10-19 VAs angegeben. Das ist die Energie, die notwendig ist ein einfach geladenes Elementarteilchen, sei es Elektron oder Proton oder einfach geladenes Ion aus dem Material verband herauszulösen. Bei den Atomrümpfen ist dies in der Regel mit der Energie zu vergleichen die benötigt wird, um einen Atomrumpf um einen Platz im Gittersystem zu verschieben. Diese Bindeenergie entspricht der relativ leicht messbaren und zugänglichen Elektronenaustrittsarbeit zum Vakuumniveau, was zu 0 eV definiert ist. Wenn nun von außen ein elektrisches Feld angelegt wird, werden die Potentiale in folgender Form verbogen (Abb.2). Es ergibt sich zu einer Seite hin eine lineare Absenkung der Potentiale. Dies bedeutet gleichzeitig, dass mehr Energie aufgewandt werden muss, um auf mechanischem Weg das Material zu dehnen. Dies entspricht einer Steigerung des Elastizitätsmoduls.

 

1.2.Kontaktpotential
Denselben Effekt kann man erreichen, wenn man zwei Materialien mit unterschiedlichen Elektronenaustrittsarbeiten, welche den Fermi-Niveaus der Materialien entsprechen, in Kontakt bringt, denn dann müssen sich wegen der Kontinuums-Bedingung die Potentiale ohne Sprung ausgleichen. Sie sind zunächst so wie in Abb. 3 angeordnet. Sie sehen dort auf der Seite des zu behandelnden Materials ein Metall mit seinem mit Elektronen halb besetztem Leitungsband, in dessen Mitte sich damit auch das Fermi-Niveau befindet. Darunter sehen sie das Valenzband, das an die Atomrümpfe gebundene Elektronen enthält. In der Mitte des Leitungsbandes des metallischen Materials befindet sich das Fermi-Niveau. Bei dem anderen Material, dem Strips, handelt es sich um ein Material mit erheblich niedrigerem Fermi-Niveau, sei es nun ein Isolator mit unbesetztem Leitungsband, und damit mit einem zwischen Valenz und Leitungsband liegendem Fermi-Niveau oder ein Metall mit erheblich höherer Austrittsarbeit. Die Differenz dieser beiden Fermi-Niveaus wird auch Kontaktpotential genannt.

Kontaktpotential ist die Differenz zweier Fermi-Niveaus in Kontakt gebrachter Materialien in e.V.

1.3. Kontaktpotentialdifferenz

Wir nehmen hier zunächst einmal ohne Beschränkung der Allgemeinheit einen Isolator an. Bringt man ihn mit dem zu behandelnden metallischen Material in Kontakt so bildet sich eine Kontaktpotentialdifferenz aus. Sie bewirkt, dass die Elektronen von der Seite mit der geringeren Austrittsarbeit, auf die Seite mit der höheren Austrittsarbeit, aber dem erheblich niedriger liegenden Fermi-Niveau, übergehen, bis sich die beiden Fermi-Niveaus ausgleichen (Abb.4). Dadurch wird die Seite mit der höheren Austrittsarbeit negativ geladen und die mit der niederen Austrittsarbeit positiv, wodurch sich die Kontaktpotentialdifferenz ausbildet die eine weitere Verbiegung der normalen ungestörten Potentialstruktur erzeugt. Dadurch wird der
Potentialverlauf in ähnlicher Weise verändert, wie wenn äußerlich ein elektrisches Feld angelegt wird. Denn durch die Dichteverteilung der  lektronen wird ein elektrisches Feld erzeugt, dass wie im Fall des aktiven Anlegens wirkt. Aus Laborversuchen ist bekannt, dass durch den Strips, bzw. die Ausnutzung der Kontaktpotentialdifferenz zwischen dem Strips und dem Trägerwerkstoff Stahl zu einer Erhöhung des E-Moduls um 7,5 – 10 % führt. Damit haben wir die Möglichkeit im Nachhinein ein Material zu verändern und eine Verschiebung der Eigenfrequenz zu erreichen.  In der Praxis bedeutet das, dass wir ein mechanisches System verstimmen können und dadurch eine Reduzierung hinsichtlich der Übertragung von Körperschall und Schwingungen erreichen.

Druckversion Druckversion | Sitemap
Die Verlinkung dieser Webseite, sowie das teilweise oder vollständige Nutzen der darauf enthaltenen Inhalte ist nur mit ausdrücklichen Zustimmung der MOTORS4YOU Deutschland LTD. Co. KG, Dotzheimer Str. 36, 65185 Wiesbaden, HRA9970, erlaubt.