Versuchsanleitungen Physik

und die

Physik

Versuchsanleitungen Physik

(letzte Änderung 10.02.07)

In dieser Abteilung werden Versuche gesammelt, die sich mit mehr oder weniger großem Aufwand durchführen lassen.

Sicherheitsaspekte beim Betrieb eines Bandgenerators (06.01.09)
Bei der Internetrecherche während des Baus eines eigenen Bandgenerators mit einer 30cm-Kugel bin ich über einige Dinge gestolpert, die ich bei der Planung des Gerätes nicht bedacht habe.
http://www.practicalphysics.org/go/Guidance_164.html
http://www.sserc.org.uk/public/Safety_Messages/safety2.htm
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Kapazität, Spannung und Energie
Einfache Reibungselektrisiermaschinen erzeugen hohe Spannungen, indem sie durch Reibung bzw. Berührung auf einer Scheibe oder Kugel aus sehr gut isolierendem Material Ladung generieren, die auf einer ebenfalls isoliert angebrachten Metallkugel gesammelt wird. Diese Geräte kommen im Betrieb schnell an ihre Grenzen, da es immer schwieriger wird, noch mehr Ladung auf die Metallkugel aufzubringen, je höher die bereits erzeugte Spannung ist.
Im Prinzip funktioniert ein selbsterregter Bandgenerator nach der gleichen Methode. Der geniale Trick ist, dass die Ladung nicht von außen zugeführt wird, sondern vom Inneren der Kugel. Wie schon Michael Faraday herausgefunden hat, ist das Innere der Kugel praktisch immer feldfrei, da dort aufgebrachte Ladungen sofort nach außen abfließen, wo sie zur Erhöhung der Spannung beitragen.
Theoretisch kann auf diese Weise immer mehr Ladung zugeführt werden und die Spannung auf der Außenseite kann ins Unermessliche steigen.
Praktisch treten allerdings schon ein paar Grenzen auf, die letztlich mit der Durchschlagsfestigkeit der Luft, dem Kugelradius und dem Abstand der Kugel zur Erde bzw. dem nächsten leitenden Gegenstand zusammen hängen.
Eine Kugel mit einem Durchmeser von 20cm kann z.B. nicht höher als etwa 300kV geladen werden, spätestens dann kommt es zu Koronaentladungen oder sogar zu einem Funken, wodurch die Ladung wieder reduziert wird. In der Praxis liegt dieser Wert deutlich niedriger, aber bei extrem trockener Luft kommt man ihm schon sehr nahe.
Die 20cm-Kugel hat eine Kapazität von etwa 11pF, was bei Höchstspannung einer gespeicherten Energie von ca. 500mJ entspricht.
Ein elektrischer Schlag mit dieser Energie ist für einen gesunden Menschen zwar nicht gefährlich, aber doch ziemlich schmerzhaft.
Da aus verständlichen Gründen keine Messreihen durchgeführt werden, ab welcher Energie ein Funke körperlichen Schaden anrichtet, hat man nach Berichten über Fälle von Bewusstlosigkeit und Lähmungen, die bei Überschlägen mit ca. 10J aufgetreten sind, eine Grenze von 1J gesetzt. Eine elektrische Entladung mit dieser Energie gilt für einen gesunden Menschen als sicher noch nicht gesundheitsgefährdend.

Eine Kugel mit einem Durchmesser von 30cm kann man bei idealen Bedingungen auf eine Maximalspannung von 450kV aufladen. Bei einer Kapazität von ca. 16pF entspricht das einer Energie von etwa 1,7J. Dieser Wert liegt schon deutlich über der als sicher anerkannten Grenze von 1J.

Aus diesen theoretischen Überlegungen leiten sich einige ganz praktische Sicherheitsregeln ab, die im Umgang mit einem Bandgenerator dieser Größe gelten sollten:

- Blitzentladungen sollten nicht direkt in den Körper erfolgen
- Kugel bei ausgeschaltetem Motor entladen, bevor sie berührt wird
- Geladene Personen (Haarexperiment) über einen sehr hochohmigen Gegenstand entladen.
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Radioaktiver Luftballon (05.02.07)
Die Zerfallsprodukte des überall in der Luft vorhandenen Radons werden üblicherweise mit einem elektrisch geladenen Draht eingesammelt, den man nach einiger Zeit mit Papier abstreift. Sehr eindrucksvoll gelingt dieser Nachweis der natürlichen Radioaktivität auch mit einem einfachen Luftballon!
Der Ballon wird so prall wie möglich aufgeblasen (große Oberfläche), an einem Bindfaden befestigt, mit geeignetem Reibzeug möglichst stark elektrisch geladen und schließlich so aufgehängt, dass er sich nicht zu schnell wieder entladen kann. Nach ein paar Minuten kann man die Luft aus dem Ballon ablassen und mit einem Geigerzähler die erhöhte Radioaktivität der Hülle nachweisen. Im Vergleich mit einem unbehandelten Ballon konnten bis zu achtfach höhere Zählraten gemessen werden. Lange 'Sammelzeiten' waren dabei nicht so effektiv wie starke Aufladung des Ballons.
'Rundfunk' wie bei Marconi (10.02.07)
Den meisten Menschen ist die eigentliche Bedeutung des Wortes 'Rundfunk' nicht mehr gegenwärtig. Handys, Radio und Fernsehen gehören heute wie selbstverständlich zum täglichen Leben. Dabei ist es gerade mal etwas mehr als 100 Jahre her, dass Guglielmo Marconi die 'Hertzschen Wellen', die durch einen elektrischen Funken erzeugt wurden, über mehr als 1km Entfernung zum drahtlosen Transport von Morsezeichen benutzen konnte. Zum Empfang benutzte Marconi seinerzeit einen Fritter oder Kohärer, ein Glasröhrchen, das mit Feilspänen aus Silber oder Nickel gefüllt war. Wurde dieses Röhrchen starken elektromagnetischen Wellen ausgesetzt, verringerte sich der Widerstand zwischen den beiden ins Glas eingeschmolzenen Kontakten. Nach kurzer Erschütterung war der Fritter wieder einsatzbereit.
Mit unglaublich einfachen Mitteln lassen sich diese faszinierenden Experimente Marconis im Klassenraum wiederholen. Mit einem Selbstbau-Fritter lassen sich die von einem Funken oder Hochspannungslichtbogen erzeugten elektromagnetischen Wellen leicht in mehreren Metern Entfernung nachweisen.

Fritter-I
Ein Reststück Plexiglas (12x12x40mm³) wurde längs durchbohrt und an den beiden Enden mit einem M6-Gewinde versehen. In die beiden Gewinde wurden zwei Schrauben gedreht, im Zwischenraum zwischen den beiden Schrauben liegen etwa 20mm³ frisch gefeilte Eisenspäne.
Das war's auch schon! Die Idee stammt von Homemade Coherer, wo Sie noch weitere selbstgebaute Fritter finden.

Fritter-II
Auf ein Stück Restholz wurden zwei Aluminiumröhrchen im Abstand von einigen Zentimetern parallel mit ein paar Nägeln fixiert. Auf die beiden Röhrchen wurde ein drittes Röhrchen gelegt.
Fertig! Fundstelle

Mit dem Eisenpulver-Fritter konnte ich Funkwellen über 3-4 Meter nachweisen, mit der Aluminiumröhrenkonstruktion gelang dies wesentlich eindrucksvoller über Entfernungen von bis zu 20 Metern (durch eine Betonwand). Nach 20 Metern mussten wir aufhören, weil der fahrbare Wagen mit dem Empfänger nicht weiter konnte. Irgendwann im Sommer werden wir die Experimente wiederholen und dann eine Reichweitenbestimmung machen.

Ganz entscheidend waren bei allen Versuchen zwei Dinge:
1. Sowohl Sender als auch Empfänger müssen eine Antenne (z.B. Dipol) haben.
2. Die Betriebsspannung des Fritters darf 1V nicht (wesentlich) übersteigen. Versuche mit 6V und einem Glühlämpchen als Anzeige funktionierten selbst dann nicht, wenn der Funkensender den Fritter fast berührte.
Als Funkensender diente ein PHYWE Transformator mit 600 Wdg. primär und 12.000 Wdg. auf der Sekundärseite. Als 'Unterbrecherkontakt' für den Primärstrom (10-12V=) wurde ein Taster missbraucht. Die Funkenstrecke, zwei aus Edelstahl gedrückte Halbkugeln vom Schrott, wurde mit Krokodilklemmen an der Sekundärspule befestigt. Die Funkenlänge betrug 3-4mm. Einfache Laborkabel (1m) bildeten die Dipole für Sender und Empfänger.
Einen (wahrscheinlich) besseren Funkensender findet man auf http://www.infogr.ch/roehren/zuendspule/default.htm.
Als Anzeige lässt sich im Empfänger entweder ein Messgerät (1mA) mit Vorwiderstand oder eine kleine Schaltung mit zwei npn-Transistoren, ein paar Widerständen und einer Leuchtdiode verwenden. Einen entsprechenden Schaltplan und ein Platinenlayout finden Sie hier:
als PDF-Datei (ca. 30 KByte)

Noch größere Reichweiten ergaben sich, wenn die Primärspule mit Netzspannung betrieben wurde und anstelle des Funkens ein Hochspannungslichtbogen entstand. Hier sprach der Empfänger in einem Abstand von fast 20m selbst dann noch sicher an, wenn die Funkwellen durch eine Schülerkette und eine Betonwand gedämpft wurde.
Große Vorsicht ist hierbei allerdings geboten, denn an der gesamten Sendeantenne liegt mit 5000-10000 Volt eine lebensgefährliche Spannung an.

Ebenfalls recht beeindruckend fanden die Schüler den Funkensender, der nur aus dem Innenleben eines Aldi-Feuerzeugs und einem Stück Klingeldraht (50cm) bestand. Jedesmal wenn aus dem Piezokristall ein Funken an das Ende des Drahtes sprang, sprach der Aluminium-Fritter sicher an. Die Reichweite des Feuerzeug-Senders betrug erstaunliche 6 Meter.

Auch mit dem Elektrophor (s.u.) ließ sich der Fritterempfänger auslösen. Obwohl der Kuchen nicht besonders stark aufgeladen wurde und die Funken kaum länger als etwa 1 cm waren, ging die Leuchtdiode des Aluröhrenempfängers jedesmal an. Auch hier steht eine genaue Reichweitenbestimmung noch aus.
Elektrophor als Mini-Influenzmaschine (28.12.06)
Aus zwei Metallplatten und einem Stück Plastik lässt sich sehr leicht ein Elektrophor herstellen:
Auf die erste, geerdete Metallplatte wird die Plastikscheibe (der Kuchen) gelegt und heftig mit einem geeigneten Material gerieben. Die zweite Metallplatte wird mittels eines daran befestigten isolierender Griff auf die Plastikscheibe gelegt und während des Auflegens mit dem Finger berührt.
Nimmt man nun den Finger weg und hebt die obere Metallplatte am isolierenden Griff schnell senkrecht hoch, ist sie plötzlich sehr stark elektrisch geladen.
Das Auflegen (mit Berühren) und anschließende Wegnehmen lässt sich nahezu beliebig oft wiederholen. Alessandro Volta nannte es daher elettroforo perpetuo. Es lassen sich leicht Funken von mehreren Zentimetern Länge ziehen.
Punkte, die beachtet werden sollten:
- Der Elektrophor erzeugt nur dann beeindruckende Funken, wenn das Plastik stark elektrisch aufgeladen wurde. Man kann die Ladung direkt nach dem Reiben deutlich spüren, wenn man sich mit dem Gesicht der Plastikscheibe langsam nähert. Es muss nicht nur an der Nase 'kribbeln'.
- Man kann die obere Platte auch nach dem Auflegen berühren, erhält dann aber jedesmal einen mehr oder weniger starken elektrischen Schlag.
- Der 'isolierende Griff' kann z.B. aus drei Nylonfäden bestehen, die am Rand der oberen Platte befestigt werden. Besser ist allerdings ein PVC-Stab oder -rohr, das in einer mit einem Loch versehenen Scheibe steckt, die auf der Platte angeklebt wurde.
- Die obere Platte sollte keine scharfen Kanten oder Ecken haben, da an solchen Stellen leicht Koronaverluste auftreten können.
- Handys, MP3-Player etc. können bei Experimenten mit dem Elektrophor leicht ihr Leben aushauchen und sollten daher nicht auf dem Tisch liegen.

Wie funktioniert's?
Beim Auflegen der oberen Metallplatte auf das geladene Plastik erfolgt in der Metallplatte durch Influenz eine vertikale Ladungstrennung. Insgesamt bleibt die Metallplatte noch ungeladen. Erst wenn man durch Berühren (=Erden) eine der beiden Teilladungen entfernt, wird die Platte elektrisch geladen. Nach außen erscheint sie aber ungeladen, da die übrig bleibende Teilladung durch das elektrische Feld der Plastikscheibe kompensiert wird.
Beim Abheben der oberen Platte wird die Kapazität des durch die beiden Platten gebildeten Kondensators verringert, was bei gleich bleibender Ladung auf der oberen Platte automatisch zu einer Vergrößerung der Spannung zwischen beiden Platten führt.

Automatischer Elektrophor
Das Ableiten einer der beiden durch Influenz getrennten Teilladungen kann automatisch erfolgen, wenn man in die Plastikscheibe ein Loch bohrt und dieses mit einem genau passenden Metallstift wieder verschließt. Beim Aufsetzen der oberen Scheiben wird diese durch den Stift leitend mit der unteren Scheibe verbunden, was automatisch den gewünschten Effekt hervorruft.
Noch leichter lässt sich dieser Automatismus erreichen, wenn mann einfach einen Streifen Alufolie so 'um die Kante' der Plastikscheibe klebt, dass er oben und unten jeweils etwa 2 cm in die Platte hineinreicht.
Elektrische Felder auf'spüren' (01.11.06)
Distelsamen eignen sich ganz hervorragend dazu, elektrische Felder von Schülern 'erfühlen' zu lassen. Befeuchtet man einen Distelsamen ganz leicht, indem man ihn mehrfach anhaucht, wird er von einem geladenem Gegenstand erst angezogen und dann nach wenigen Sekunden wieder abgestoßen. Besonders gut eignen sich für dieses einfache Experiment Kupa-Rohre, die sonst bei der Elektroinstallation Verwendung finden. Auch Rohre und Stäbe aus Plexiglas und Polypropylen eignen sich sehr gut.
Da der Samen sich wegen seines geringen Gewichts und des großen Luftwiderstands in der Luft nur sehr langsam bewegt, gelingt es auch dem Ungeübten, ihn lange Zeit mit dem elektrischen Feld des geladenen Rohres zu balancieren. Gute Bedingungen vorausgesetzt schwebt der Distelsamen in einer Höhe von mehr als 70 cm über dem Rohr.
Punkte, die beachtet werden sollten:
- maximale Ladung des Rohres wird erreicht, indem man es erst einige Sekunden intensiv an einem Ende reibt und es dann mit einem Ruck aus dem fest angepressten Reibzeug herauszieht.
- der Distelsamen sollte nach dem Anziehen auf der geladenen Öffnung (Rand) des Rohres sitzen.
- je länger der Distelsamen am Rohr klebt, bevor er abgestoßen wird, desto stärker kann er geladen werden und desto weiter wird er anschließend abgestoßen
- nicht immer fliegt der Distelsamen 'freiwillig'. Manchmal muss man ein wenig nachhelfen und ihn mit einem Ruck vom Rohr abschütteln.
- der Distelsamen sollte von dem eigentlichen Kern befreit werden, das macht ihn leichter und gleichzeitig langsamer
- wenn der geladene Distelsamen zu nahe an eine Wand, die Decke oder eine andere Person kommt, wird er stark von dieser angezogen und landet dort
- Lassen Sie mal zwei Schüler versuchen, ihre Distelsamen in der Luft zur Kollision zu bringen.
- Geben Sie einigen wenigen Schülern Plexiglasrohre (laden sich positiv auf) und dem großen Rest PVC-Rohre (negativ).
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Klassenraum (14.10.06)
Ein normaler PC, ein Bandmaß und ein Billigkopfhörer reichen aus, um die Schallgeschwindigkeit in der Luft mit einer Fehlerquote von unter 5% zu bestimmen. Die benötigte Software gibt es für Schulen kostenlos.
als gezippte PDF-Datei (ca. 290 KByte)
Bestimmung der Schallgeschwindigkeit im Freien (14.10.06)
Methode I:
Mithilfe zweier Stoppuhren und eines Bandmaßes kann man die Schallgeschwindigkeit im Freien auch leicht direkt bestimmen. Man misst eine Strecke von ca. 150-200m ab und misst die Zeit mit zwei Stoppuhren. Beide Uhren werden gleichzeitig gestartet. Die erste Uhr wird gestoppt, wenn man die Auslösung des Schallereignisses sieht, die andere Uhr, wenn man es hört. Dazu stellt sich ein Schüler mit dem Rücken zum Schallereignis.
Als Schallereignis eignen sich eine alte Starterklappe, eine Startpistole, ein Luftballon oder einfach zwei Bretter, die fest gegeneinander geknallt werden.
Nicht jeder Versuch wird auf Anhieb klappen, vor allem der Hörer muss sich stark konzentrieren, damit er den aus größerer Entfernung nicht mehr so lauten Knall überhaupt mitbekommt. Von den unbeteiligten Zuschauern wird daher größte Disziplin verlangt, sonst klappt es nicht.
Methode II (hier gefunden http://www.martin-wagenschein.de/K-Kohl/Galilei.htm)
Vierergruppen werden gebildet, je zwei 'Klatscher' und zwei 'Zähler'. Zunächst stehen die Klatscher Rücken an Rücken nah beieinander, ohne sich zu berühren. Einer der Zähler startet eine Stoppuhr und gibt das Startkommando.
Daraufhin klatscht der erste 'Klatscher' in die Hände, wenn der andere es hört, klatscht er, der erste antwortet wieder und so fort. Die Zähler beobachten sie eine Minute lang und zählen: Wie oft klatscht der erste Klatscher in die Hände? Die Zahl der Takte wird notiert.
Nun entfernen sich die beiden Klatscher ca. 50m voneinander. Das Klatschen wird wiederholt, die neue Takt-Anzahl wird ebenfalls notiert.
Auswertung:
Durch einfache Schlussrechnung ermittelt man die Zeit für einen Takt (Zeit zwischen zwei Klatschern des ersten Klatschers). Auf die gleiche Weise ermittelt man die Zeit für einen Takt mit der größeren Entfernung, einfach wieder 60s durch die Zahl der Takte dividieren.
Die Differenz der beiden Taktzeiten ist die Schall-Laufzeit hin und zurück, der vom Schall zurückgelegte Weg entspricht dem doppelten Abstand der beiden Klatscher abzüglich des doppelten ursprünglichen Abstands.
Die auf diese Weise ermittelten Werte für die Schallgeschwindigkeit sind nicht sonderlich präzise aber der Effekt ist eindeutig: die Anzahl der Takte pro Minute ist bei größerer Entfernung der beiden Klatscher deutlich geringer.