Physikprojekte

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Nachweis der Corioliskraft mit einem Foucaultschen Pendel:

Hier mal ein räumlich bewegliches Pendel mit einer Eisenkugel an einem 
80cm langen Bindfaden. Die Pendelbewegung wird dadurch am "Leben" 
erhalten, dass der Bindfaden beim Durchpendeln der Ruheposition mit dem 
Hubmagneten ein Stück angehoben wird und vor erreichen eines der beiden 
möglichen Scheitelpunkte wieder abgelassen wird. Dadurch wird dem Pendel 
die Pendelenergie zugeführt.

Beim Versuchsaufbau aus Fischertechnikbausteinen wird die Zufuhr der 
Pendelenergie im richtigen Moment noch mit einem Taster bewerkstelligt. 
Der Corioliskraftnachweis kann aber ein paar Stunden dauern, deshalb ist 
eine Automatisierung durch anbringen eines Induktivsensors mit 
nachgeschaltetem Monoflop an der Ruheposition erforderlich (noch nicht 
gebaut).

Wahrscheinlich ist ein nur 80cm langes räumliches Pendel von zu vielen 
Fehlerquellen umgeben und der Standort in Deutschland ist auch nicht 
ganz so optimal. Die besten Bahnkurvenergebnisse erzielt man direkt am 
Nord- oder Südpol.

Aber zumindest macht es Spass, zu versuchen das Pendel nur mit dem 
Taster am Leben zu erhalten. Für die Konstruktion ist statt eines 
Hubmagneten auch ein Schrittmotor mit Seilwinde oder Zahnstange 
vorstellbar.

[Christoph M. (mchris)]

Mechanisch könnte es besser gehen, wenn der Magnet unten ist:
https://www.youtube.com/watch?v=1tXmuFA3F6I

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Christoph M. schrieb:
> Mechanisch könnte es besser gehen, wenn der Magnet unten ist

Ja, rein mechanisch gesehen ist das zwar besser, aber für den Nachweis 
der Corioliskraft ist ein unten angebrachter E-Magnet eine zusätzliche 
Fehlerquelle. Je nachdem wie schräg der Permanentmagnet am Bindfaden in 
den E-Magneten reinpendelt, wird er um so schräger wieder raus gedrückt 
(räumliches Pendel). Am Ende entsteht keine gleichmäßige typische 
Bahnkurve, die von der Corioliskraft herrührt, sondern ein chaotisches 
Muster!

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Christoph M. schrieb:
> https://www.youtube.com/watch?v=1tXmuFA3F6I

So ein Pendel mit Gegengewicht, um die Pendelfrequenz elegant zu 
verringern, habe ich auch mal entwickelt. Durch die Achsaufhängung wird 
das Pendel auf eine geradlinige Pendelbahn gezwungen. Hier ist der 
E-Magnet auch unten und hat auch nur zwei Anschlüsse, so wie im Video.

Die Arbeitsspule wirkt hier aber gleichzeitig auch als Sensor und 
erkennt die Annäherung des am Pendel montierten Permanentmagneten. 
Dadurch entfällt der Reed-Kontakt!

[Christoph E. (stoppi)]

Über ein Foucaultsches Pendel habe ich auch schon nachgedacht. Dieses 
aber mit Elektromagneten anzutreiben halte ich für gewagt. Denn da 
bekommt man wohl nur allzu leicht Bewegungen rein, welche die 
Schwingungsebene verändern und somit das Ergebnis verfälschen. Die 
Fadenaufhängung des Foucaultschen Pendel stelle ich mir auch nicht ganz 
simpel vor...

Habe mir auf willhaben.at eine alte Zündspule gekauft und mit einer sehr 
einfachen Schaltung angesteuert. Ergbenis bei 19V Eingangsspannung: rund 
1-1.5 cm lange Funken. Den Spannungsverlauf habe ich mir dann mittels 
1000:1 Spannungsteiler am Oszilloskop angeschaut. Die Spitzen haben 
beachtliche 35 kV.

Mehr Informationen: https://stoppi-homemade-physics.de/hv-netzteile/

[Christoph E. (stoppi)]

Das Experiment zur Simulation der Sonnengranulation bzw. 
Rayleigh-Benard-Konvektion habe ich auch durchführen können. Es 
hinterlässt zwar eine mittelgroße Sauerei in der Küche aber zum Glück 
wohne ich alleine und keine bessere Hälfte rügt mich deshalb ;-)

Nachdem das kochende Wasser in den Messbecher gegeben wird und die 
Petrischale mit dem Öl-Graphit-Gemisch oben draufgelegt wird, zeigen 
sich nach kurzer Zeit erste Konvektionsmuster. Diese werden noch feiner, 
wenn man die Petrischale vom Messbecher nimmt und auf den Küchenboden 
stellt. Die Ähnlichkeit mit der Sonnengranulation ist verblüffend...

mehr Informationen inkl. Video: 
https://stoppi-homemade-physics.de/sonne/

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Das wäre vielleicht auch eine Idee für ein Physikexperiment:
https://de.wikipedia.org/wiki/Flettner-Rotor

[Christoph E. (stoppi)]

Vielen lieben Dank Dieter für den guten Vorschlag. Leider habe ich ein 
Experiment mit dem Flettnerrotor bereits durchgeführt.

Link: https://stoppi-homemade-physics.de/flettner-rotor/

Es gibt wirklich nicht mehr viele Experimente, die ich noch mit 
vertretbaren Aufwand durchführen könnte. So Experimente wie den 
Stern-Gerlach-Versuch fange ich aber gleich gar nicht an umzusetzen ;-)

Von der Firma Scionix (https://scionix.nl/) habe ich dankenswerterweise 
einige Teile (Kopplungsgel für meinen Plasmonenversuch und einige 
CsI(Tl)- und BGO-Szintillatoren) zur Verfügung gestellt bekommen. Freue 
mich riesig darüber. Mit den Szintillatoren und einem SiPM 
(Siliziumphotomultiplier) könnte ich ein kompaktes Gammaspektroskop noch 
bauen...

Meine Amazon-Bestellung für ein Monochord ist auch bereits angekommen. 
Da möchte ich die Frequenz einer Metallsaite in Abhängigkeit von der 
Saitenspannung (f sollte proportional zu Wurzel(F) sein) untersuchen.

Und für meine Wellenwanne besorge ich mir diese Woche einen 
Vibrationsmotor, denn mit dem Lego-Vibrator habe ich keine guten 
Ergebnisse erzielt. Fad wird mir also noch nicht...

[Christoph E. (stoppi)]

Auf der Seite von Burkhard Kainka bin ich auf ein sehr einfaches 
Fluxgate-Magnetometer gestoßen. Dieses musste ich natürlich 
ausprobieren. Benötigt werden zwei Drosseln mit je 3.9 mH, einen 1000 pF 
Kondensator, 0.2 mm Kupferlackdraht, einen Funktionsgenerator mit etwas 
Leistung und ein Oszilloskop.

Link: https://www.elektronik-labor.de/Notizen/Fluxgate.html

Treibt man die beiden Drosseln in Sättigung, so zeigt sich bei einem 
externen Magnetfeld ein Signal mit der doppelten Frequenz (also bei mir 
40 kHz).

Auf der Seite von B. Kainka wird auch noch auf eine andere Variante 
eines Fluxgate-Magnetometers verwiesen. Auch dieses habe ich umgesetzt. 
Benötigt werden hier eine 100 mH Drossel und eine Ferritperle. Auch 
dieses Fluxmeter reagiert sehr gut auf einen externen Magneten...

Link: https://www.youtube.com/watch?v=pm_8xkX6a7g

[Christoph E. (stoppi)]

Die CO2-Pumpe für den Joule-Thomson-Effekt ist diese Woche angekommen 
und so konnte ich den Versuch zur Bestimmung des 
Joule-Thomson-Koeffizienten µ_JT = dT/dp durchführen.

µ_JT hängt mit den Van der Waals-Parametern a und b zusammen. b 
entspricht dem Volumen von einem Mol Molekülen. Dividiert man also b 
durch die Avogadrokonstante N_A = 6.023 * 10^23, so erhält man das 
Volumen eines Moleküls. Genau dies habe ich gemacht und komme auf einen 
Radius des CO2-Moleküls von 0.22 nm.

Ich muss aber zugeben, dass die experimentelle Bestimmung der Werte sehr 
schwierig ist, da sich die CO2-Patrone während des Versuchs natürlich 
stark abkühlt und dies die Berechnung des Joule-Thomson-Koeffizienten 
dT/dp stark beeinflusst. Auch die Druckabnahme delta_p ist natürlich 
während des Experiments nicht konstant. Weiters muss in die Formel für 
die Van der Waalsparameter die Temperatur T eingesetzt werden. Welche 
nimmt man da genau, wenn die Temperatur so stark sinkt? Also alles nicht 
so einfach. Genauer wäre es natürlich, den Joule-Thomson-Effekt bei nur 
geringem Druckabfall und daher auch nur geringem Temperaturrückgang zu 
messen. Dann wüsste man besser, welche Werte man in die Formeln 
einsetzt. Ich bin daher von "mittleren" Werten ausgegangen ;-)

Mehr Informationen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Joule-Thomson-Effekt

https://www.unternehmensberatung-babel.de/industriegase-lexikon/industriegase-lexikon-a-bis-m/joule-thomson-effekt/van-der-waal.html

https://www.chemie.de/lexikon/Liste_der_spezifischen_W%C3%A4rmekapazit%C3%A4ten.html

https://stoppi-homemade-physics.de/joule-thomson-effekt/

[Christoph E. (stoppi)]

Das bestellte Messingrohr für das Gyrocar ist am Freitag angekommen und 
so konnte ich dieses finalisieren. Das Ergebnis ist aber ein wenig 
ernüchternd. Das Gyrocar besitzt leider einen viel zu hohen Schwerpunkt 
und ist daher extrem instabil bzw. balanciert nicht auf der Monorail. 
Wenn ich den Batterieblock abnehme, geht es aber. Das ist aber auch 
nicht ganz zufriedenstellend. Deshalb werde ich zwei einzelne 
Batteriehalter besorgen und diese dann auf der Unterseite des Gyrocars 
montieren. Dann kann es hoffentlich völlig alleine balancieren...

Link mit Video: https://stoppi-homemade-physics.de/gyrocar-kreisel/

Zum Thema Kreisel habe ich aber noch zwei schöne Versuche und zwar eine 
Balancier-CD von der Firma Winkler-Schulbedarf 
(https://www.winklerschulbedarf.com/de/i/anti-schwerkraftscheibe-per-stk-102242). 
Diese ist in 15 Minuten gebastelt und funktioniert sehr gut. Damit kann 
man denke ich Schüler schon beeindrucken. Die Physik hinter dem Kreisel 
ist aber alles andere als einfach ;-)

Und dann noch den sog. Kollergang. Für diesen werde ich die zusätzliche 
Anpresskraft aufgrund des Kreiselmoments in Abhängigkeit von der 
Drehzahl bestimmen. Es sollte eine F = f² Abhängigkeit vorliegen. 
Gebastelt habe ich den Kollergang aus LEGO-Techniksteinen...

Ich habe ja auch mehrere Spektroskope. Aber für die Aufnahme der 
Planckschen Strahlungskurve sind eigentlich (fast) alle nicht geeignet. 
Schuld sind u.a. die Bayerfilter der einzelnen Farben, welche die 
Intensitäten mehr oder weniger abschwächen, und auch der eingeschränkte 
Spektralbereich meiner Spektroskope von nur ca. 400 nm bis 700 nm.

Daher habe ich mir eine monochrome Webcam auf Amazon gekauft. Diese 
spricht dann ohne Filter auf die einzelnen Intensitäten an und auch den 
erfassten Spektralbereich werde ich durch das Weitwinkelobjektiv auf 
hoffentlich fast 1000 nm ausweiten können. Empfindlich ist der Sensor 
zumindest schon einmal auf 940 nm LEDs...

Amazon-Link: https://www.amazon.de/dp/B0B1DMPZNF

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Christoph E. schrieb:
> Zwei einfache Elektromotoren habe ich inzwischen umgesetzt. Einmal den
> Reed-Kontakt-Motor und dann einen, bei dem ich als Kommutator den
> Kupferlackdraht an den Enden nur an einer Seite abisoliert habe. Einen
> solchen basteln auch die Schüler im Physiklabor...

...und dann gibt's da noch so eine Art BLDC-Variante, in dem man das 
Pendel von meiner Pendelkonstruktion weiter oben durch einen Rotor mit 
aufgeklebten Permanentmagneten ersetzt (provisorisch mit Tesafilm 
aufgeklebt).

Die Steuerung vom Pendel kann für den Motor, ohne Umbauarbeiten direkt 
eingesetzt werden. Durch die Gegen-EMK arbeitet auch hier die Spule 
sowohl als Positionssensor als auch als Antriebsspule für den Rotor.

[Christoph E. (stoppi)]

Die magnetische Feldkonstante µo habe ich ja vor kurzer Zeit mittels 
Faradayschen Induktionsgesetz und einer Helmholtzspule experimentell 
bestimmt. Hier soll es nun um die elektrische Feldkonstante epsilon_0 
gehen. Basis zu deren Bestimmung bilden die verschiedenen Formeln rund 
um den Kondensator.

1.) Bestimmung über die Kapazität eines Plattenkondensators

Für die Kapazität C eines Plattenkondensators in Luft gilt ja C = 
epsilon_0 * A / d. Kennt man also die Fläche A, den Plattenabstand d und 
die Kapazität C, so kann man die elektrische Feldkonstante berechnen. 
Mein Kondensator besteht aus 2 ALuminiumplatten mit den Abmessungen 12 
cm x 12 cm. Mit einem billigen Komponententester habe ich dann dessen 
Kapazität in Abhängigkeit von d bestimmt. Trägt man C gegen 1/d auf, so 
erhält man eine ansteigende Gerade mit k = epsilon_0 * A.

Mein Ergebnis für die elektrische Feldkonstante liegt nur 1.4% vom 
Sollwert 8.854 * 10^-12 A*s/V*m entfernt, Heureka...

2.) Bestimmung über die Ladung eines Kondensators

Für die Ladung Q eines Kondensators gilt ja Q = C * U mit C = epsilon_0 
* A / d. Bestimmt man also die Ladung Q in Abhängigkeit von U, so erhält 
man wieder eine Gerade mit dem Anstieg k = epsilon_0 * A / d. Für die 
Bestimmung von Q verwende ich mein Coulombmeter. Den Kondensator lade 
ich mit meinem CCFL-HV-Netzteil auf, welches Spannungen zwischen 30 und 
1000 V liefert.

Hier liegt mein experimentelles Ergebnis für epsilon_0 etwas weiter vom 
Sollwert entfernt. Berücksichtige ich allerdings nur Ladespannungen bis 
200 V, so komme ich aber deutlich näher an den Sollwert. Meine 
Q(U)-Kurve flacht nämlich für höhere Spannungen deutlich ab, eventuell 
wegen Sprühverlusten...

3.) Bestimmung über die Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten

Für die Kraft zwischen zwei Kondensatorplatten gilt die Beziehung F = 
1/2  epsilon_0  U² * A / d². Diese messe ich mit meiner 
100g-Wägezelle, indem ich eine Platte auf dieser befestige und die 
zweite Platte im fixen Abstand d oberhalb postiere. Dann schließe ich an 
den Kondensator unterschiedliche Spannungen U und messe jeweils die 
(anziehende) Kraft F. Dieser Versuch ist noch ausständig...

4.) Bestimmung über das Coulombgesetz

Für die Kraft zwischen zwei Ladungen gilt das berühmte Coulombgesetz F = 
1/ 4*Pi*epsilon_0  Q1  Q2 / r². Zwei Konduktorkugeln werden auf eine 
Spannung U aufgeladen und dann die Kraft zwischen ihnen im Abstand r 
bestimmt. Für die Ladung Q einer Kugel gilt: Q = 4  Pi  epsilon_0 * r 
* U. Mein so erhaltenen Ergebnis für die elektrische Feldkonstante 
epsilon_0
liegt bei 4.85 * 10^-12 A*s/V*m, also ca. bei der Hälfte des Sollwerts.