Abteilung Naturwissenschaften

Transkript

1 StlgST 'S «SAHTW0RTUII6 ' 1 PLUS DER KLEINSTE ELEKTROMOTOR Die Schraube beginnt zu rotieren. Mit dem Draht erzeugt man in der Batterie einen Kurzschluss, so dass hohe Ströme durch die Schraube und den Magneten zum Draht hin fließen. Die Elektronen sind auf diesem Weg dem starken Magnetfeld des Neodym-Magneten ausgesetzt. Geladene Teilchen wie Elektronen werden in einem Magnetfeld jedoch abgelenkt. Die Kraft, die wirkt, nennt man LORENTZKRAFT. Um ihre Richtung zu ermitteln, verwendet man die so genannte Drei-Finger-Regel (siehe Grafik - die Pfeile stehen dabei senkrecht aufeinander). Da es keine Kraft ohne Gegenkraft gibt, wird die Schraube in Rotation versetzt. Das gleiche geschieht, wenn jemand auf einer reibungsfrei gelagerten Scheibe steht und beginnt an deren Rand entlang zu laufen Auch in diesem Fall bewegt sich die Scheibe mit derselben Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung wie die Person. Drei-Finger-Regei für die rechte Hand Daumen: Technische Stromrichtung (Achtung: Diese geht von + nach -, ist also der tatsächlichen Bewegungsrichtung der Elektronen entgegengesetzt) Zeigefinger: Magnetfeld Mittelfinger: Loreritzkraft Bei Neodym-Magneten handelt es sich um die stärksten bekannten Magnete. Sie bestehen aus Neodym, einem Metall der seltenenen Erden, Eisen und Bor Achtung: Bei Neodym-Magneten handelt es sich nicht um ein Kinderspielzeug. Bringt man sie in die Nähe von magnetischen Datenspeichern wie USB-Sticks, Kreditkarten und Digitalen Kameras, können Daten gelöscht werde. Zudem können Neodym-Magnete auch splittern, wenn sie beispielsweise mit großer Wucht aufeinander treffen. Bei jedem Elektromotor wird elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt. Besonders aktuell ist derzeit die Diskussion über die Nutzung von Elektroantrieben in Kraftfahrzeugen.

2 3U.MT 7; VIRAMTWORTUHe * \ PIUS DAS G R A V I M E T E R a. Wird das Gravimeter nach unten hängen gelassen., stellt sich ein definierter Magnetabstand ein. Dabei wirkt die Erdanziehungskraft auf die Magnete und entgegengesetzt wirken die magnetischen Kräfte. Während des Falls nach unten entfernen sich die Magnete möglichst weit voneinander. b. Lässt man das Gravimeter frei nach unten fallen, dann vergrößert sich der Abstand der Magneten schlagartig. c. Das Gleiche geschieht, wenn man das Gravimeter schräg nach oben wirft. Lässt man das Gravimeter nach unten hängen, so wirken auf die Magnete einerseits die Erdanziehungskraft (Fallbeschleunigung l g ) sowie die entgegengesetzt wirkenden, abstoßenden magnetischen Kräfte. Es stellt sich ein definierter Abstand ein. Wird das Gravimeter fallen gelassen, sog. Freier Fall, oder in die Höhe geworfen, sog. Senkrechter Wurf, dann tritt ein Zustand ein, der gekennzeichnet ist durch S C H W E R E L O S I G K E I T oder MJKROGRA VITATION also verminderte Schwerkraft (u,g). Hier wirken nun nur noch die magnetischen Kräfte, was zu einer stärkeren Entfernung der Magnete voneinander fuhrt. Die Tatsache, dass im freien Fall Schwerelosigkeit herrscht, macht man sich zunutze, um auf der Erde Zustände herzustellen, die sonst nur im Weltall möglich wären. So werden bspw. Experimente unter Schwerelosigkeit in einem über 100 Meter hohen Fallturm in Bremen durchgeführt. Weiterhin wird die Schwerelosigkeit bei den sog. Parabelflügen für wissenschaftliche Untersuchungen genutzt. Hier fliegt das Flugzeug zunächst schräg nach oben, um dann nach Durchschreiten eines Maximums wieder nach unten zu kommen. Sowohl im Aufstieg als auch im Abstieg durchläuft das Flugzeug Phasen der Mikrogravitation.

3 SELBST JL m> VERANTWORTUNG /«IV PLUS \ DIE SCHILLERNDE COMPACT DISC ( X m a. An der Wand sind mehrere Lichtflecken zu erkennen, die auf einer vertikalen Linie liegen. b. Die CD schillert bunt. Die Beobachtungen lassen sich mit Hilfe der INTERFERENZ erklären. Dazu muss man sich zunächst den Aufbau der CD ansehen. Die digitale Information einer CD ist in einer spiralförmigen Spur gespeichert, die unterschiedlich lange Vertiefungen (Breite 500 nm, Tiefe 200 nm - ran heißt Nanometer und entspricht 10" m) besitzt. Der Abstand zweier benachbarter Spuren beträgt d = 1600 nm. Die CD ist somit wie ein Gitter, in dem die Spuren in dem kleinen Bereich, der von dem Laserstrahl beleuchtet wird, nahezu parallel und geradlinig verlaufen (siehe Abb.). einfallendes Licht Interferenzmaxima Bei der CD handelt es sich um ein Reflexionsgitter. Fällt nun das Licht auf dieses Gitter, so wird es zwar in alle Richtungen reflektiert, da das Licht aber eine Welle ist, überlagern sich die reflektierten Wellen. Treffen Wellenberge aufeinander, so verstärkt sich die Intensität des Lichtes. Dies ist als heller Fleck erkennbar. Trifft jedoch ein Wellenberg auf ein Wellental, so löschen sie sich gegenseitig aus. So ist es an manchen Stellen dunkel. Man spricht von konstruktiver Interferenz (Verstärkung * Interferenzmaximum) bzw. destruktiver Interferenz (Abschwächung/Auslöschung > Interferenzminimum). Die Ursache dafür, dass die CD bunt schillert, wenn sie in weißem Licht betrachtet wird, ist die Abhängigkeit der Lage der Interferenzmaxima von der Wellenlänge des Lichtes. Das Laserlicht hat nur eine Wellenlänge, hier sieht man die entsprechend einfarbigen Interferenzmaxima. Das weiße Licht besteht aus dem kompletten Spektrum und die einzelnen Wellenlängen, entsprechend verschiedenen Farben, haben ihr Interferenzmaximum jeweils an einer anderen Stelle. Das weiße Licht wird somit durch das Gitter in sein Spektrum aufgespalten.

4 SELBST J, p. VERANTWORTUNG /»»\ PLUS LICHTLEITER Der Lichtstrahl wird mit dem Wasserstrahl gerührt und wird als Punkt auf dem Boden des Beckens sichtbar. Der Wasserstrahl wirkt quasi als Lichtleiter. Wasser hat einen größeren Brechungsindex als Luft. So tritt beim Übergang der Lichtstrahlen von Wasser nach Luft TOTALREFLEXION auf. Das heißt, dass die Strahlen nicht aus dem Wasserstrahl in die Luft austreten, sondern an dieser Phasengrenze reflektiert werden. Normalerweise würden Strahlen von Wasser in Luft übergehen und dabei gebrochen werden. Fallen die Strahlen jedoch mit einem sehr großen Einfallswinkel, der jenseits des Luft ' f / \ sog. Grenzwinkels ßg liegt, auf die Grenzfläche, so erfolgt keine Brechung sondern i, k Reflexion. Der Strahl wird in das Wasser zurückgelenkt, tritt also nicht in die Luft über. M M Lichtleitung in Glasfaserkabeln und damit eine sehr schnelle Datenübertragung funktioniert aufgrund der Totalreflexion. quelle Glas

5 HLffT» *» VEÄANTWOSTUdS /' '\ PUIS DER MÜNZTRESOR LÖSUNG Hält man den Anhänger am Ring und dreht ihn schnell um die Ringachse (siehe Pfeil), so werden die Kugeln nach außen beschleunigt und geben den Schlitz für die Münze frei. Die Kugeln werden nach außen beschleunigt durch die ZENTRIFUGALKRAFT Die Zentrifugalkraft, auch Fliehkraft genannt, ist eine Trägheitskraft, die ein Beobachter wahrnimmt, der sich in einem rotierenden Bezugssystem befindet. In einem solchen Bezugssystem wirkt auf alle beobachteten Objekte - auch auf den Beobachter selbst - eine Zentrifugalkraft, die senkrecht auf der Rotationsachse des Systems steht und nach außen zeigt. Technische Anwendungen der Zentrifugalkraft sind zum Beispiel die Zentrifuge oder der Fliehkraftregler. Für künftige Raumstationen hat man geplant, die Zentrifugalkraft als Ersatz für die Schwerkraft zu verwenden, weil längere Schwerelosigkeit der Gesundheit des Menschen schaden kann. Der erste, relativ vorsichtige Versuch, in einem bemannten Raumfahrzeug gesteuert Zentrifugalkraft zu erzeugen, fand im Jahre 1966 statt. Derzeit sind rotierende Weltraumhotels angedacht.

6