Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation Materialien für den Unterricht

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1 NEU Vision-Ing /10 Vision-Ing21-Projekt-Dokumentation Materialien für den Unterricht Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Informationen 2. Zusammenfassung 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung 3.2. Beschreibung der Projektarbeit 3.3. Aufgabenverteilung / Kommunikation 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, andere Unterlagen 6. Quellen und Recherchen 7. Datum und Unterschrift Seite 1 von 18

2 1. Allgemeine Informationen Bearbeitet von Jahrgangsstufe: Schulart: Gymnasium Bearbeitet im Fach: Physik Themengebiet: Elektromagnetismus, Lorentzkraft Benötigte Vorkenntnisse: Lorentzkraft; magnetische Flussdichte; Berechnungen an langen Spulen; Berechnung von Widerständen, Stromstärken und Spannungen, Erforderliche technische Ausstattung: Der Unipolarmotor benötigt eine Stromversorgung, die bei 10V etwa 20A liefern kann. Zum Bau ist eine Fräsmaschine notwendig, um den Kern am Luftspalt rund zu fräsen und um den Rotor zu fertigen. Für den Mini-Unipolarmotor werden ein runder Neodym-Eisen-Bor Magnet, eine Batterie, ein Nagel und etwas Draht benötigt. Wurden Experimente durchgeführt? Es wurde ein Mini-Unipolarmotor gebaut. Auf das Experiment mit der Leiterschaukel im Hufeisenmagnet wurde verzichtet, da dieser allgemein bekannt ist. Wurde ein Modell / Objekt gebaut? Es wurde ein Unipolarmotor mit einer Rotorhöhe von 10 cm gebaut. Seite 2 von 18

3 Hier soll die Vision-Ing21-Projektarbeit kurz und knapp zusammengefasst werden. 2. Zusammenfassung Da unsere Schule in den vergangenen Jahren sehr erfolgreich an dem Wettbewerb Vision-Ing21 teilgenommen hatte und aufgrund des großen Interesses der Schüler war es für die Schulleitung selbstverständlich den Schülern die Teilnahme an dem Wettbewerb wieder zu ermöglichen. Jedoch entschied man sich dieses Jahr, nicht erneut mit der Firma Lessmann zusammen zu arbeiten, sondern einen neuen Partner zu suchen. Hier bot sich die Kooperation mit der Firma N-Ergie an, da sich diese an unserer Schule in Zusammenhang mit den neuen P-Seminaren engagierte und ein Kooperationsvertrag zwischen unserer Schule und diesem Konzern besteht. Die Lehrkraft Frau Aberle, die sich die letzten Jahre um das Projekt an unserer Schule gekümmert hatte, wurde dieses Jahr von der neuen Lehrkraft Herrn Klotz abgelöst. Das Projekt wurde nicht wie die letzten Jahre in Zusammenhang mit einer Art Wahlpflichtfach angeboten, sondern auf freiwilliger Basis, da sich herausstellte, dass nur ein kleiner Teil der Gruppe ein wirkliches Interesse an dem Projekt zeigte und der andere Teil der Gruppe einfach nur die Zeit in der Schule ab saß. Deshalb ergab sich für dieses Jahr eine etwas kleinere Gruppengröße, als in den letzten Jahren, von gerade einmal sieben Teilnehmern. Gerade jedoch dieses freiwillige Arbeiten und auch die Freundschaften die sich die letzten Jahren in der Gruppe gebildet hatten erzeugten ein sehr angenehmes Arbeitsklima. Die Gruppe brachte schon von Anfang an viele Ideen in das Projekt mit ein. Leider stellte sich in Diskussionen mit dem betreuenden Dipl.-Ing. Herrn Schwarz heraus, dass die meisten dieser Ideen wie zum Beispiel ein Teslagenerator oder eine Influenzmaschine schlichtweg zu gefährlich waren. Auch Herr Schwarz hatte viele Vorschläge für ein Projekt. Diese Vorschläge wurden von der Gruppe auch sehr kritisch beäugt, da sie auf den ersten Blick langweilig wirkten. Es stellte sich bei genauerer Betrachtung allerdings heraus, dass der erste Blick nur getäuscht hatte und einige Themen sehr wohl äußerst interessant waren. Nach längerer Diskussion einigte sich die Gruppe dann auf den Bau eines Unipolarmotors, der durch seinen einfachen Aufbau und dennoch durch eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Messung besticht. Herr Schwarz hatte die Idee aus dem Buch Elektrizität und Magnetismus von A. Recknagel (s. Kapitel 5): Der dort gezeigte Induktionsversuch sollte umgedreht werden und als Motor dienen. Es gelang der Gruppe einen Unipolarmotor zu bauen, doch gab es dabei Probleme: Die Wirbelströme, die am Rand des Magnetfelds entstehen, bremsen den Motor. Die Lösung besteht darin, in den Rotor Schlitze zu schneiden. Dadurch wird das Fließen der Wirbelströme großteils verhindert. Ein eindrucksvolles Ergebnis des Projekts ist die Stärke der Wirbelströme. Selbst wenn nur in einem kleinen Teil des Rotors Wirbelströme fließen, reicht dies aus, um den Motor zu bremsen. Seite 3 von 18

4 Hier soll die Projektarbeit dokumentiert werden. Die Fragestellungen sollen bei der Verfassung des Berichts weiterhelfen. 3. Projektdokumentation 3.1. Zielstellung Das primäre Gruppenziel war das Planen und der Bau eines Unipolarmotors. Der bekannteste Vertreter eines Unipolarmotors ist das sog. Barlow-Rad. Das Ziel des Projekts war es, eine unbekannte Variante zu bauen. Diese basiert auf einem Versuch zur Induktion aus dem Buch Elektrizität und Magnetismus von A. Recknagel (s. Kapitel 5). Der Bau gelang nach mehreren Problemen. Hierbei handelte es sich hauptsächlich um Probleme mit sogenannten Wirbelströmen die in dem Rotor entstanden und ihn dadurch stark abbremsten bzw. ihn gar nicht erst anlaufen ließen. Um den Motor zu verstehen, muss die Lorentzkraft bekannt sein. Außerdem sollten Wirbelströme den Schülern ein Begriff sein, um die Probleme des Motors zu verstehen. Diese Phänomene können mit dem Motor veranschaulicht werden. In der neunten Jahrgangsstufe lernen die Schüler mit dem Unipolarmotor ein weiteres Beispiel für die Lorentzkraft kennen. Auch kann dabei die Wirkung von Wirbelströmen gezeigt werden. Der Motor soll Schülern der elften Klasse Berechnungen an Spulen und am Magnetfeld näher bringen. Auch zeigt sich, dass die Formeln aus der Schule für die Berechnungen nicht mehr ausreichen, wenn ein ferromagnetischer Kern verwendet wird Beschreibung der Projektarbeit Zuerst suchte man mit Herrn Schwarz ein realisierbares und besonderes Projekt. Nachdem die Idee des Baus einer Teslaspule aufgrund seines hohen Verletzungsrisikos verworfen worden war, einigte man sich auf einen Unipolarmotor, der in dieser Form noch nie entworfen wurde. Hierzu konstruierte die Gruppe ein Modell mit einem zusammensteckbaren Plastikspiel, um sich ein klareres Bild des Aussehens eines solchen Motors zu machen. Anschließend verwendeten die Gruppenmitglieder viel Zeit, um sich die für den Bau notwendigen Berechnungen klar zu machen und gegenseitig zu erklären, wie z.b. die Windungszahl und die Drahtlänge berechnet wird. Hierzu mussten Größen wie die Reibung und die Trägheit des Rotors berücksichtigt werden, um dann auf die benötigte Kraft am Rotor, auf die magnetische Flussdichte und letztendlich auf die Anzahl der Wicklungen und die Stromstärke in der Spule schließen zu können. (Berechnungen siehe 5.) Als Experiment wurde eine kleinere und bekanntere Variante des Unipolarmotors erstellt. (Bilder siehe 5.) Dieser besteht nur aus einem kleinen Magneten, einem Nagel, einem Stück Draht und einer Batterie. Dieser Magnet wird an den Kopf des Nagels gehängt und mit der Spitze des Nagels an einen der beiden Pole der Flachbatterie gehängt. Nun wird der Stromkreis durch ein Kabel von Seite 4 von 18

5 dem anderen Pol der Batterie zu dem Magneten geschlossen. Die Magnet sollte sich mit der Schraube sofort in Rotation versetzen. Ein weiteres Experiment in Richtung Induktion und Lorentzkraft stellt die Leiterschaukel da. Dabei wird eine Leiterschaukel in einen Hufeisenmagnet gehängt, wobei der Leiter senkrecht zu den Feldlinien stehen muss. Wenn durch den Leister Strom fließt, schlägt er aus. Wird er im Magnetfeld bewegt, kann man eine Induktionsspannung messen. Jedoch wurde dieses Experiment nicht durchgeführt, da es allen Teilnehmern schon vom Bau der Magnetschwebebahn her bekannt war. Nachdem nun durch Experiment und Berechnungen der ganzen Gruppe das Aussehen und die Abmessungen des Unipolarmotors verdeutlicht worden waren, wurde in den folgenden Treffen dieser detaillierte Bauplan erstellt: Abbildung 1: Bauplan Abschließend wurde der Motor in Zusammenarbeit mit der Partner Firma N-Ergie und der Technischen Fakultät Erlangen gebaut. (Hierzu siehe 4.) Dabei wurde der erstellte Bauplan größtenteils eingehalten, jedoch änderten sich manche Maße. Auch wurde der Kern anders Seite 5 von 18

6 befestigt, nämlich nicht höhenverstellbar wie oben, sondern er wurde einfach auf die Bodenplatte gestellt Aufgabenverteilung/Kommunikation In unserer Gruppe gab es, da wir eine relativ kleine Gruppe waren, keine festgelegt Aufgabeverteilung, sondern jeder fühlte sich für alles verantwortlich. Bei den regelmäßigen Freitagstreffen waren immer alle Gruppenmitglieder anwesend und es wurden bei diesen Treffen weitere Termine festgelegt an denen der Rest der Arbeiten wie der Bau erledigt wurden. An diesen zusätzlichen Tagen waren nur die Gruppenmitglieder anwesend die Zeit hatten, jedoch versuchten alle Gruppenmitglieder immer zu möglichst vielen dieser Termine zu erscheinen. Besprochen wurden die gesamten Ergebnisse jeden Freitag, so dass alle in der Gruppe immer auf einem möglichst aktuellen Stand des Geschehens waren und sich auch aktiv beteiligten konnten. Die Treffen mit Herr Schwarz fanden meistens Montag Nachmittag statt. Zu dieser Zeit hatten die meisten Gruppenmitglieder Zeit. Leider war es auf Grund der unterschiedlichen Stundenpläne in der Oberstufe nicht möglich, einen Termin zu finden, an dem alle Gruppenmitglieder Zeit hatten. 4. Zusammenarbeit mit dem Partner-Unternehmen / Praxisbezug Gearbeitet wurde mit dem Partner-Unternehmen von Anfang an. So hielt die Gruppe über s ständig Kontakt zu dem betreuenden Dipl.-Ing. Herrn Schwarz und tauschte sich mit ihm ständig über den Bauplan aus. Auch fanden mehrere Treffen in der Schule statt um durch Diskussion die Berechnungen, die für den Bau des Unipolarmotors notwendig waren, und die Eckdaten zu erörtern. Da in der Schule nicht alle Probleme für die praktische Ausführung geklärt werden konnten, entschied man sich für ein Treffen mit Dr. Christian Weindl und Dieter Leuschner, einem technischen Mitarbeiter, im Institut für elektrische Energieversorgung. Dort wurden die groben Ausmaße des Unipolarmotors und auch das Material aus dem der Kern des Elektromagnetes gebaut werden sollte festgelegt. Da der Motor mit Gleichstrom läuft, ist es nicht nötig, geblechtes Metall zu verwenden. Deshalb entschied man sich für normales Eisen. Dieses ist außerdem viel leichter zu verarbeiten, als Trafoblech. Des Weiteren wurden auch die Probleme die beim Bau auftreten und wie sie umgangen werden könnten diskutiert. Dabei wurde besonders über die Breite des Luftspalts im Kern gesprochen. Diese hat großen Einfluss auf die Stärke des Magnetfelds, weshalb der Luftspalt so klein wie möglich sein sollte. Dies sollte durch einen runden Spalt erreicht werden. Der Rotor kann sich dadurch gut drehen und der Spalt ist sehr klein. Vor diesem Treffen nutzten die anwesenden Mitglieder der Gruppe auch die Möglichkeit, eine Führung durch die Räume der Firma N-Ergie in Nürnberg zu erhalten. Hier wurde den Schülern gezeigt wie die Stromversorgung der gesamten Region geregelt wird. An der Universität erhielten die Mitglieder ebenfalls eine Führung durch das Institut. Besonders die Hochspannungshalle und die großen Transformatoren wurden besichtigt. Seite 6 von 18

7 Bei einem späteren Treffen in den Osterferien wurde dann der Unipolarmotor im Institut für elektrische Energieversorgung gebaut. Herr Leuschner hatte mit dem Bau bereits begonnen. Der Kern wurde aus Weicheisen gefertigt. Er besteht aus mehreren Teilen, die verschraubt wurden. Anders wäre es nicht möglich, die Spulen anzubringen. Der Luftspalt wurde rund gefräst, damit der Abstand möglichst gering ist und der Rotor problemlos darin läuft. Als Material für den Rotor wurde Messing verwendet. Dieses ist ein guter Leiter und lässt sich ebenfalls gut bearbeiten. Doch erste Versuche zeigten, dass dieser nicht funktioniert. Herr Schwarz erkannte den Fehler, als er sich genauer überlegte, wie sich die Elektronen im Magnetfeld verhalten. Wenn sich der Rotor dreht, bewegen sich die Elektronen im Magnetfeld nach oben oder unten, je nach Richtung des Felds. Während das Feld homogen ist, stellt dies auch kein Problem dar. Doch am Rand wird dieses inhomogen und wenn das Feld schwächer wird, bewegen sich die Elektronen wieder zurück. Es sind also Wirbelströme vorhanden, die den Rotor wieder bremsen, sobald er sich bewegt. Daraufhin hatten Herr Schwarz und Dr. Weindl zwei verschiedene Lösungsmöglichkeiten. Herr Schwarz wollte Stücke aus dem Rotor herausschneiden, sodass die Elektronen nicht mehr zurückfließen können. Dagegen wollte Dr. Weindl das Magnetfeld vergrößern, sodass sich der gesamte Rotor im Feld befindet. Schließlich wurde die Lösung von Herr Schwarz umgesetzt (Bilder in Kapitel 5). Soweit war der Stand, als die Gruppe in Erlangen ankam. Dadurch blieb zwar wenig praktische Arbeit übrig, doch die Mitglieder der Gruppe hatten bei den Projekten der vergangenen Jahren genug Erfahrungen beim Spulen wickeln oder Ähnlichem gesammelt (Elektromotor, Transrapid). Die Gruppe versuchte zusammen mit Herr Leuschner, ob der Motor mit dem neuen Rotor funktioniert. Das Ergebnis fiel ernüchternd aus: Der Motor drehte sich nicht, aber man konnte immerhin erkennen, dass die Wirbelströme verringert wurden. Der Fehler wurde allerdings schnell gefunden. Es befand sich immer noch etwa ein halber Zentimeter des Rotors ohne Schlitze im Magnetfeld. Die Wirbelströme in diesem reichten offensichtlich aus, damit sich der Motor nicht dreht. Dieser Fehler wurde beseitigt, indem Beilagscheiben unter den Rotor gelegt wurden. Nun drehte sich der Motor endlich, sogar schneller als erwartet. Seite 7 von 18

8 Abbildung 2: Rotor des Unipolarmotors, ohne und mit Schlitze Abbildung 3: Gesamter Unipolarmotor Seite 8 von 18

9 Abbildung 4:Unipolarmotor mit Messgeräten (Hall-Sonde, Multimeter) Abbildung 5: Alle am praktischen Teil beteiligten Personen, außer Herr Schwarz Seite 9 von 18

10 Abbildung 6: Die Schüler und Herr Klotz in Erlangen Allerdings machte eine Tatsache der Gruppe Sorgen: Der Motor läuft erst ab etwa 10V bei 20A. Mit dem Netzteil in der Universität war dies kein Problem. Doch ursprünglich war geplant, den Motor mit einem oder zwei Computernetzteilen zu versorgen. Diese liefern bei 5V zwar 24A, doch 5V sind zu wenig und bei höherer Spannung ist die Stromstärke zu gering. Nun konnte die Gruppe weitere Praxiserfahrung sammeln: Um die benötigte Stromstärke genauer zu bestimmen, schlug Dr. Weindl vor, die Stromstärke schrittweise zu erhöhen und dabei die Flussdichte zu messen. Aus den Messwerten kann man dann Ablesen, bei welcher Stromstärke die Sättigung erreicht ist, also eine weiterer Erhöhung nur noch wenig an der Flussdichte verändert. Diese Sättigung ist bei etwa 20A erreicht. Seite 10 von 18

11 Nun wurde ein weiterer Versuch durchgeführt: Die Spulen wurden weiterhin von dem großen Netzteil versorgt, doch an den Rotor wurde das Computernetzteil angeschlossen. Der Motor drehte sich nicht und das Computernetzteil wurde dabei beschädigt. Herr Leuschner fand darauf ein altes Servernetzteil, das 5V und bis zu 60A liefert. Doch auch damit lief der Motor nicht, da 5V zu wenig sind. Zur Zeit ist es noch nicht sicher, ob noch ein passendes Netzteil gefunden wird, das die Gruppe behalten kann. Für die Präsentation des Projekts kann aber das Netzteil des Instituts verwendet werden. Seite 11 von 18

12 5. Sonstiges: Anlagen, Protokolle, Arbeitsblätter, andere Unterlagen Abbildung 7: Erste grobe Skizze des Unipolarmotors von Herr Schwarz Seite 12 von 18

13 Abbildung 8: Zweite grobe Skizze des Unipolarmotors, ebenfalls von Herr Schwarz Seite 13 von 18

14 Abbildung 9: 3D-Bild des ersten Modells Abbildung 10: 3D-Bild des Modells nach Modifikation Abbildung 11: 3D-Bild nach Vorschlag Dr. Weindls Seite 14 von 18

15 Abbildung 12: Problem durch Wirbelströme Die Abbildungen 9 12 wurden von der Gruppe selbst erstellt. Die 3D Zeichnungen wurden mit dem Programm Blender gezeichnet. Wegen der Übersichtlichkeit werden die Berechnungen und die Arbeitsblätter inklusiv Lösungen nicht in die Dokumentation eingefügt. Diese befinden sich in anderen Dateien. Seite 15 von 18

16 6. Quellen und Recherchen Die erste Quelle der Gruppe war eine Seite aus dem Buch Elektrizität und Magnetismus von A. Recknagel, die Herr Schwarz in einer schickte. Dort ist eine Zeichnung des Motors zu sehen (Bild 162): Abbildung 13: Elektrizität und Magnetismus, A. Recknagel, 13. Auflage, VEB Verlag Technik Berlin, 1980, Seite 136 Als nächstes informierte sich die Gruppe über die magnetische Flussdichte und über Berechnungen an langen Spulen. Die Schüler der Q11 und K13 hatten dies schon in Physik gelernt. Für die Schüler aus der K12 war dies noch neu, da sie dies erst ein paar Monate Seite 16 von 18

17 später lernten. Auch für Zehntklässler war der Stoff komplett neu. Mit Hilfe des Physikbuchs aus der Q11 (Physik 11 Gymnasium, Duden Paetec, 1. Auflage, 2009, Seite 48-57) wurde der Stoff erklärt, sodass die Grundlagen bekannt waren. Nun schickte Herr Schwarz der Gruppe seine Berechnungen für die Dimensionierung der Spule. In den folgenden Stunden versuchte die Gruppe dann diese Berechnungen zu verstehen, was schließlich auch gelang. Diese Berechnungen wurden von einem Mitglied der Gruppe in LaTeX geschrieben und werden wegen der Länge außerhalb dieser Dokumentation zur Verfügung gestellt. Eine wichtige weitere Quelle für die Berechnung sind die Magnetisierungskennlinien unterschiedlicher Materialien. Diese kann man im Internet finden: Abbildung 14: Magnetisierungskennlinie Quelle: Gorbach, Die Magnetisierungskennlinie, 2001 Seite 17 von 18

18 7. Datum und Unterschrift Datum Unterschrift(en): Für die sachliche Richtigkeit: Unterschrift des Lehrers Seite 18 von 18