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Hall-Stromgenerator Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetogasdynamischen
Generator (nachstehend abgekürzt MGD-Generator bezeichnet) und insbesondere auf
einen Generator der erwähnten Art, bei dem Hall-Ströme zur Leistungserzeugung verwendet
werden.
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Im wesentlichen erzeugen MGD-Generatoren elektrische Leistung durch
die Bewegung eines elektrisch leitenden Mediums relativ zu einem Magnetfeld. Das
verwendete Medium ist gewöhnlich ein elektrisch leitendes Gas, das von einer Hochtemperatur-
und Hochdruckquelle stammt. Aus dieser Quelle strömt das Medium durch den Generator,
so daß es infolge seiner Bewegung relativ zum Magnetfeld eine Spannung zwischen
gegenüberliegenden Elektroden innerhalb des Generators erzeugt. Das Gas kann zu
einer Austrittsstelle, welche einfach die Außenluft sein kann, abgeleitet werden.
In weiter ausgebauten Systemen kann das Gas zu einem Rückgewinnungssystem abgeleitet
werden, das eine Pumpeinrichtung zur Rückführung des Gases zur Quelle aufweist.
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Es können mehrere verschiedene Gase verwendet werden, beispielsweise
kann das Gas einfach Luft sein oder aus inerten Gasen, wie Helium oder Argon, bestehen.
Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit können die Gase auf eine hohe Temperatur
erhitzt und mit einer Substanz versetzt werden, die leicht bei den hohen Betriebstemperaturen
des Generators ionisiert wird. Zum Versetzen kann Natrium-, Kalium-, Caesium- oder
ein Alkalimetalldampf verwendet werden. Unabhängig von dem verwendeten Gas und der
Art der Versetzung bilden die erhaltenen Gase ein Gemisch von Elektronen, positiven
Ionen und neutralen Atomen, das zweckmäßig als »Plasma« bezeichnet wird.
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Bei einem MGD-Generator üblicher Art strömt Plasma durch ein Magnetfeld,
welches senkrecht zur Richtung der Plasmaströmung gerichtet ist. Die Bewegung des
elektrisch leitenden Plasmas relativ zu dem Magnetfeld erzeugt eine EMK, die sowohl
zur Strömungsrichtung des Plasmas als auch zum Magnetfeld senkrecht ist, wobei der
Strom quer zum Feld zwischen gegenüberliegenden Elektroden an den Seiten des Generators
fließt. Bei einem solchen Generator findet eine Trennung von positiven und negativen
elektrischen Ladungen über die Länge des Plasmastroms statt, wodurch ein Spannungsgradient,
der als die »Hall-Spannung« bekannt ist, erzeugt wird, welcher die Längszirkulation
des Stromes innerhalb des Generators fördert. Bei einem MGD-Generator üblicher Art
verursachen solche Längsströme Energieverluste, welche für den Betrieb des Generators
nachteilig sind, so daß verschiedene Anordnungen entwickelt wurden, um ihre Bildung
zu verhindern. Es ist jedoch möglich, einen MGD-Generator zu bauen, bei dem die
Hall-Spannung, wie dies bei der Erfindung der Fall ist, ausgenutzt werden kann.
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Gemäß der Erfindung ist bei einem Hall-Stromgenerator, bei dem ein
Plasmastrom als sich durch ein Magnetfeld bewegender Leiter verwendet wird, eine
erste Elektrodenanordnung vorgesehen, die sich in elektrischem Kontakt mit dem Plasma
zur Aufnahme desjenigen elektrischen Stroms befindet, der quer zum Plasmastrom fließt
und durch die Bewegung des Plasmas relativ zum Magnetfeld erzeugt wird, ferner eine
zweite Elektrodenanordnung in elektrischem Kontakt mit dem Plasma zur Aufnahme desjenigen
zusätzlichen elektrischen Stroms, der in Längsrichtung durch das Plasma fließt und
durch einen Hall-Spannungsgradienten erzeugt wird, der innerhalb des Plasmas infolge
einer durch den erwähnten Querstromfluß verursachten Trennung elektrischer Ladungen
hervorgerufen wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Generators sind
ein Kanal und ein zur Achse dieses Kanals senkrechtes Magnetfeld vorgesehen. Durch
die Bewegung des Plasmas durch den Kanal und das Magnetfeld wird eine EMK zwischen
den gegenüberliegenden Elektroden induziert, die miteinander verbunden sind, um
die Stromzirkulation aufzunehmen, die sowohl quer zum Magnetfeld als
auch
zur Richtung der Plasmaströmung verläuft. Die Endelektroden, d. h. die ersten und
letzten Elektroden über die Länge des Kanals, sind mit einer äußeren Last verbunden,
wodurch eine Zirkulation des Hall-Stroms in Längsrichtung durch das Plasma und den
Lastkreis ermöglicht wird. Die Anordnung der Elemente ist nicht nur ziemlich einfach
und wirksam, sondern setzt auch die Wärmeverluste und die inneren Reibungsverluste
auf ein Mindestmaß herab, wie nachstehend erläutert wird. Ferner vereinfacht die
Geometrie die Erzeugung eines starken Magnetfeldes durch den Kanal des Generators.
Zur Unterscheidung dieser Generatorbauart von einem MGM-Generator üblicher Art wird
sie nachstehend als »Hall-Stromgenerator« bezeichnet.
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Aus dem Vorangehenden ergibt sich, daß ein Hauptziel der Erfindung
in der Schaffung eines verbesserten Hall-Stromgenerators besteht.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Hall-Stromgenerators,
der elektrische Leistung von hoher Spannung mit hohem Wirkungsgrad erzeugen kann.
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Weitere Ziele der Erfindung bestehen in der Schaffung eines Generators,
der gekennzeichnet ist durch a) verringerten Wärmeverlust an die unmittelbare Umgebung;
b) verringerte innere Reibungsverluste; c) ein starkes Magnetfeld über ein beträchtliches
Volumen des Generators.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachfolgend in Verbindung
mit der Zeichnung näher beschrieben, und zwar zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines MGM-Generators üblicher Art und Fig.2 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Hall-Stromgenerators.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden die Hauptgrundsätze
von MGM-Generatoren vorausgeschickt. Wie gezeigt, weist der Generator nach Fig.
1 einen sich verjüngenden, allgemein mit 1 bezeichneten Kanal auf, in den ein elektrisch
leitendes Plasma von hoher Temperatur und hohem Druck, wie durch den Pfeil 2 angegeben,
eingeleitet wird und aus dem es, wie durch den Pfeil 3 angegeben; austritt. Der
Druck am Auslaß des Kanals ist niedriger als an seinem Einlaß, so daß sich das Plasma
mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal bewegt, wie durch den Pfeil 4 angegeben.
Durch eine geeignete Wahl der Druckdifferenz und der Gestalt des Kanals kann erreicht
werden, daß das Plasma sich durch den Kanal mit einer im wesentlichen konstanten
Geschwindigkeit bewegt, was für den Betrieb des Generators wünschenswert, wenn auch
nicht notwendig ist. Der Kanal ist außen von einem kontinuierlichen elektrischen
Leiter in Form einer Wicklung 5 umgeben, der ein in einer Richtung fließender elektrischer
Strom von einer beliebigen Stromquelle oder vom Generator selbst zugeführt werden
kann. Durch das Fließen eines elektrischen Stromes durch die Wicklung wird ein Magnetfluß
durch den Kanal erzeugt, der zur Richtung der Plasmaströmung und zur Ebene des Zeichnungspapiers
senkrecht ist.
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Innerhalb des Kanals sind einander gegenüberliegende Elektroden 6
und 7 vorgesehen. Diese Elektroden können sich längs der Innenseite des Kanals par-
i allel zur Richtung der Plasmabewegung erstrecken und können, einander gegenüberliegend,
auf einer zur Richtung der Plasmabewegung und des Magnetflusses senkrechten Achse
angeordnet sein. Durch die hohe Geschwindigkeit der Bewegung des elektrisch leitenden
Plasmas wird eine in einer Richtung wirkende EMK zwischen den Elektroden induziert,
wie durch die Pfeile 8 angedeutet. Die Elektroden 6 und 7 sind durch Leiter 9 mit
einer Last 10 verbunden, durch welche elektrischer Strom unter dem Einfluß der zwischen
den Elektroden induzierten EMK fließt.
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Da Elektronen leichter sind als Ionen und daher eine höhere Beweglichkeit
haben, führen sie im allgemeinen den größten Teil des Stromes in einem MGM-Generator.
Da die durch das Magnetfeld ausgeübten Kräfte auf die Stromträger ausgeübt werden,
nehmen die Elektronen natürlich die meisten der infolge ihrer Bewegung im Magnetfeld
entstehenden Kräfte auf.
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Wie erwähnt, wird zwischen den Elektroden durch das Querprodukt der
Geschwindigkeit des Plasmas und des Magnetfeldes ein Elektronenstrom induziert.
Das Magnetfeld wirkt auf den Strom und erzeugt eine Kraft, welche das Bestreben
hat, die Bewegung der Elektronen in Längsrichtung des. Kanals mit dem Rest des Plasmas
zu verzögern. Da die Ionen andererseits eine viel größere Masse haben als die Elektronen,
nehmen sie bei ihrer Bewegung im Magnetfeld nur kleine Kräfte auf, und es besteht
bei ihnen die Neigung, daß sie mit dem Plasma unterstromseitig mitgenommen werden.
Es findet daher eine Trennung der Ladungen statt, die zur Erzeugung eines elektrischen
Feldes in Längsrichtung des Kanals führt. Dieses Längsfeld wird häufig als »Hall-Feld«
bezeichnet, da die hierbei auftretenden Erscheinungen ähnlich denjenigen sind, die
zu dem sogenannten »Hall-Effekt« führen, der vor einiger Zeit in festen Leitern
beobachtet wurde. Die mit dem »Hall-Feld« verbundene Spannung kann als »Hall-Spannung«
bezeichnet werden.
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Die auf die Elektronen wirkenden Kräfte werden durch sie auf den Rest
der Plasmateilchen durch Zusammenstöße übertragen. Ferner wird die Bewegung der
Plasmateilchen durch Zusammenstoß mit den Ionen verzögert, welche, obwohl sie mit
dem Rest des Plasmas unterstromseitigmitgenommen werd'en, durch das elektrische
Feld gehalten werden, das zwischen ihnen und den oberstromseitigen Elektronen besteht.
Durch die Überwindung der aus Zusammenstößen mit den Ionen und Elektronen entstehenden
Kräfte leistet das Plama Arbeit. Dies ist ein Verhalten, wie es in einer Vorrichtung
zur Erzeugung elektrischer Leistung zu erwarten ist.
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Der Gedanke der Ausnutzung der Hall-Spannung in einem Generator ist,
generell gesehen, nicht neu: die USA.-Patentschrift 2 210 918 beschreibt eine frühe
Form eines Hall-Generators. Bei der in der genannten Patentschrift beschriebenen
Vorrichtung treten jedoch hohe Verluste sowohl durch innere Reibung als auch thermische
Verluste wegen des hohen Verhältnisses der Oberfläche zum Volumen des ringförmigen
Strömungskanals auf, durch welchen das Arbeitsmedium hindurchtritt. Wenn berücksichtigt
wird, daß die elektrische Leitfähigkeit des Mediums von seiner hohen Temperatur
abhängt, ergibt sich ohne weiteres, daß eine nach der vorerwähnten USA.-Patentschrift
gebaute Vorrichtung durch hohe Wärmeverluste infolge der verhältnismäßig großen
Oberflächen gekennzeichnet ist. Ferner ist eine Ringformgeometrie eine schwierige
Geometrie zur Erzeugung eines starken Magnetfeldes über ein beträchtliches
Volumen,
das von entscheidender Bedeutung für den praktischen Generatorbetrieb ist. Wie nachstehend
erläutert wird, wurde durch die Erfindung eine neuartige Generatorform geschaffen,
bei der die vorerwähnten Nachteile nicht vorliegen.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Hall-Stromgenerator ist ein sich verjüngender
Kanal 11 vorgesehen, in den bei 12 ein elektrisch leitendes Plasma von hoher Temperatur
und mit hohem Druck eingeleitet wird und aus dem das Plasma bei 13 austritt. Wie
bei dem in Fig. 1 dargestellten Generator ist benachbart dem Generator eine kontinuierliche
Wicklung 14 vorgesehen, durch die Strom von einer beliebigen Quelle üblicher Art
oder vom Generator selbst fließen kann, um einen Magnetfluß durch den Kanal senkrecht
zur Richtung der Plasmaströmung und zur Ebene des Zeichenpapiers zu erzeugen. An
der oberen und an der unteren Wand des Kanals ist von diesen elektrisch isoliert
eine Anzahl Elektroden befestigt. Diese können in gegenüberliegenden Paaren längs
Achsen angeordnet sein, die sowohl zur Richtung der Plasmaströmung als auch zum
Magnetfluß senkrecht sind. Die gegenüberliegenden Elektroden sind mit der gleichen
Bezugsziffer bezeichnet, wobei sich die einzelnen Elektroden durch den Zusatz eines
Buchstabens zur Zahl voneinander unterscheiden. Beispielsweise sind die Elektroden
15 a und 15 b auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals ähnlich wie
die Elektroden 16a, 16b bis 23a, 23b angeordnet. Die einander jeweils
gegenüberliegenden zwei Elektroden können durch elektrische Leiter 24 bis 32 miteinander
verbunden sein. Die Endpaare der Elektroden 15 a,
15b und 23a, 23b
können als »Endelektroden« bezeichnet werden und sind über Leitungen 33 mit einer
Last bzw. mit einem Verbraucher 34 verbunden.
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Wie erwähnt, tritt eine Ladungstrennung und ein Spannungsgradient
in Längsrichtung der Plasmaströmung auf. Das Vorhandensein des Gradienten ist durch
das Pluszeichen 35 unterstromseitig und das Minuszeichen 36 oberstromseitig des
Plasmas angezeigt. Die Spannungsdifferenz zwischen dem unterstromseitigen und dem
oberstromseitigen Bereich der Plasmaströmung kann mehrere tausend Volt in einem
offenen Stromkreis (Leitung 33 von der Last 34 getrent) betragen.
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Der Stromfluß j" parallel zur Plasmaströmung, der durch die strichpunktierten
Linien 40 in Fig. 2 angedeutet ist, kann aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:
wobei = skalare Leitfähigkeit des Plasmas, S2 = arr, <o = Zyklotronfrequenz
der Elektronen in Radian je Sekunde, = mittlere Laufzeit der Elektronen zwischen
Zusammenstößen mit Plasmateilchen in Sekunden, B = Stärke des Magnetfeldes, E, =
Spannungsgradient zwischen Elektroden quer zur Plasmaströmung, E, = Hall-Spannungsgradient
in Längsrichtung durch die Plasmaströmung, u = makroskopische Geschwindigkeit der
Plasmaströmung (die Werte für oi und z für ein gegebenes Plasma werden durch die
Verwendung der Richtlinien berechnet, die in »Physics of Fully Ionized Gases« von
Lyman Spitzer, jr., Interscience Publishers, Inc., 1956, und in anderen einschlägigen
Standardwerken gegeben sind).
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Hierbei ist zu erwähnen, daß, wenn der Querelektronenstrom nicht fließen
kann (d. h. wenn sich die gegenüberliegenden Elektroden in einem offenen Stromkreis
befinden), die Elektronen nicht verzögert werden und das Hall-Feld nicht in Erscheinung
tritt. Durch die in dem Gas fließenden Ströme ausgedrückt, ist das Hall-Feld
wobei j". der Längs- oder »Hall«-Strom und j,, der Quer- oder »Leitungs«-Strom ist.
Es kann nun verhindert werden, daß jz nach an anderer Stelle beschriebenen Verfahren
fließt und Leistung über den Strom j,, entnimmt, in welchem Falle das Hall-Feld
Ex lediglich dazu dient, die Übertragung @,xB-Kräfte von den Elektronen auf die
Ionen (und damit auf die neutralen Plasmateilchen) zu unterstützen. Andererseits
kann zugelassen werden, daß j, frei fließt (Lastwiderstand Null quer zur »y«-Richtung),
so daß das maximale Hall-Feld erhalten wird, und dann Leistung dadurch entnommen
werden, daß man den Hall-Strom gegen das Hall-Feld fließen läßt, wobei dieser Strom
über eine unterstromseitige Elektrode entnommen, durch die Last geleitet und zur
oberstromseitigen Elektrode zurückgeführt wird.
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Wegen der Jouleschen Erwärmung, die zu dem Produkt aus dem Quadrat
des Stromflusses und dem Kehrwert der Leitfähigkeit des Plasmas proportional ist,
ist es zweckmäßig, den Generator mit einer verhältnismäßig hohen Hall-Spannung und
einem verhältnismäßig geringen Stromfluß zu betreiben. Für einen hohen Wirkungsgrad
müssen die Bedingungen zu einem großen Hall-Effekt führen, d. h., (o" müssen groß,
vorzugsweise größer als 3 sein.
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Durch die Anordnung der Elektroden an den entgegengesetzten Seiten
eines im wesentlichen zylindrischen Kanals und die Verbindung der Last mit den Endelektroden
kann eine Grundform erzielt werden, die einen hohen Wirkungsgrad ergibt, was in
der Hauptsache dadurch erreicht wird, daß der Wärmeverlust durch die Außenwände
des Kanals auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist. Dies ist die Folge der idealen Gestaltung
eines Generators der beschriebenen Art, bei welchem sich die Strömungsquerschnittfläche
durch den Kanal einem Kreis annähert und das Länge-Durchmesser-Verhältnis kleiner
als 20:1, vorzugsweise kleiner als 10: 1 gemacht werden kann. Auf diese Weise
ist der Oberflächenbereich des Generatorkanals für eine gegebene Massenströmung
des Plasmas auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Die Bedeutung der Herabsetzung des
Wärmeübergangs durch die Wände auf ein Mindestmaß wird sofort erkennbar, wenn berücksichtigt
wird, daß das Plasma dem Generator mit einer Temperatur von vorzugsweise über 3100°
C zugeführt wird.
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Zur Aufnahme ebener Elektroden ist es zweckmäßig, einen Kanal von
rechteckiger Gestalt zu verwenden,
was im Rahmen der Erfindung ohne
weiteres möglich ist.
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Die im wesentlichen rohrförmige Gestalt des Kanals vereinfacht die
Erzeugung eines starken Magnetfeldes quer zur Richtung der Plasmaströmung. Im Gegensatz
zu einer Ringform können die Magnetfeldwicklungen leicht parallel zu und längs der
gesamten Länge des Kanals angeordnet werden, um ein starkes Feld über das volle
Innenvolumen des Kanals zu erzeugen. Wie in Verbindung mit der Beschreibung des
MGD-Generators üblicher Art erläutert, wird durch die Bewegung des elektrisch leitenden
Plasmas relativ zum Magnetfeld eine EMK zwischen den gegenüberliegenden Elektroden
erzeugt. Die diese Elektroden verbindenden Leiter bilden geschlossene Stromkreise,
so daß Strom quer zum Kanal zwischen den Elektroden fließen kann. Dieser Strom verursacht
eine Elektronenbewegung und eine Hall-Spannung in der bereits beschriebenen Weise.
Die Relativbewegung von Elektronen entgegengesetzt zur Bewegung der Plasmaströmung
und gegen das verzögernde elektrische Feld infolge des Lastwiderstandes ergibt die
gewünschte Generatorwirkung.
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Wegen des Spannungsabfalls an den Elektroden ist der Siromfluß quer
zum Generator nicht völlig unbehindert. Wenn jedoch die in der Plasmaströmung zwischen
den gegenüberliegenden Elektroden entwickelte EMK im Vergleich zum Elektrodenspannungsabfall
groß ist, wird der Widerstand geringfügig. Es kann dies dadurch erreicht werden,
daß die Plasmageschwindigkeit u und das Magnetfeld B groß gemacht
werden, da die erzeugte EMK quer zur Gasströmung eine Funktion dieser Größen ist.
Die EMK zwischen den Elektroden ist ebenfalls eine Funktion des Abstandes zwischen
den Elektroden, der verhältnismäßig groß gehalten werden soll. Auf diese Weise kann
eine EMK in der Größenordnung von 1000 Volt erzielt werden, und da der Gesamtspannungsabfall
für beide Elektroden klein gemacht, beispielsweise in der Größenordnung von 10 bis
20 Volt gehalten werden kann, können die Elektrodenverlus-te vernachläsigbar gemacht
werden.
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Infolge des Umstandes, daß die Leistung aus dem Generator durch die
Endelektroden entnommen wird und daß der Strom in Längsrichtung durch den gesamten
Querschnitt der Plasmaströmung fließt, ist es möglich, die Endelektroden in Form
von Ringen auszubilden, wie schematisch durch die gestrichelten Linien 37 und 38
angedeutet. Wenn ringförmige Elektroden verwendet werden, können die Leitungen 24
und 32 weggelassen werden, da der Strom aus der Plasmaströmung zu allen Teilen der
Ringelektroden und damit zur Leitung 33 fließen kann.
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Obwohl der Einfachheit halber in Fig. 2 ein linearer Generator gezeigt
ist, d. h. ein Generator, bei welchem der Kanal durch lineare Elemente begrenzt
ist, ist es für den Fachmann ohne weiteres möglich, dem Kanal innerhalb des Rahmens
der Erfindung eine gekrümmte Gestalt zu geben. Selbst bei einem gekrümmten Kanal
ist es möglich, ein optimales Verhältnis der Länge zum Durchmesser zu erzielen.
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Obwohl Hall-Ströme bei einem MGD-Generator üblicher Art als nachteilig
betrachtet werden können, ist es durch die Anwendung der durch die Erfindung gegebenen
Lehren möglich, einen brauchbaren Generator zu bauen, bei welchem die Hall-Ströme
eine nutzbare Leistung erzeugen.