Infrarotaufnahmen im Physikunterricht

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1 Universität Leipzig Fakultät für Physik und Geowissenschaften Bereich Didaktik der Physik Infrarotaufnahmen im Physikunterricht Bachelorarbeit Name des Studenten: Anne Neupert Matrikelnummer: Studiengang: Polyv. Bachelor Lehramt Mathematik und Physik Erstgutachter: Prof. Dr. W. Oehme Zweitgutachter: Dr. P. Rieger Abgabedatum:

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Physikalische Grundlagen Infrarotstrahlung Strahlungsleistung und spektrale Ausstrahlung Geschichtlicher Werdegang zu den Strahlungsgesetzen Schwarze und reale Körper Die Wärmebildkamera FLIR B Technische Daten und Funktionen Messformel Bestimmung des Emissionsgrades Mittels Körper bekannter Temperatur (vgl. [13]) Mittels Körper bekannten Emissionsgrades ( Klebestreifenmethode ) Weitere Methoden (vgl. [13]) Verwendete Emissionsgrade Experimente mit der Wärmebildkamera Wärmelehre Verdunstung Wärmekapazität Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmestrahlung Wärmedämmung Experimente zur Mechanik Thema: Reibung Experimente zur Elektrizitätslehre Wärmeentwicklung im elektrischen Stromkreis Praxisrelevante Phänomene Zusammenfassung Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung

3 Das Ziel der folgenden Experimente ist es, dem Schüler die Begriffe Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung zu veranschaulichen. Das letzte Experiment Wärmedämmung - Aufbau einer Thermoskanne dient zur Festigung und Anwendung. Die Experimente können in der Klassenstufe 8 durchgeführt werden Wärmeleitung W4 Sichtbarmachen der Wärmeleitung Geräte/Anordnung - Wärmebildkamera mit Stativ - 2 Bechergläser - Gebogener Aluminiumstab Das eine Becherglas wird mit siedendem Wasser befüllt, das andere leer gelassen. Die beiden Bechergläser sind in einem solchen Abstand zu positionieren, dass der Stab mit jedem Ende in einem Becherglas Platz findet. Der Stab wird zu diesem Zeitpunkt noch nicht in die Bechergläser gelegt. Die Kamera ist mit dem Stativ vor der Anordnung zu positionieren. Es ist der Programmmodus mit Zeitabstand 10 s einzustellen. Nun fertigt die Kamera alle 10 Sekunden ein Bild an. Durchführung Lege den Stab in die Bechergläser und starte die Messung. 24

4 Auswertung Die vollständige Bilderserie (40 Bilder) und eine animierte Bildreihe ist auf der CD unter Experimente Wärmelehre W4 zu finden. Wärmeleitung tritt auf, da ein Temperaturunterschied zwischen den Enden des Stabes besteht. Der Wärmestrom breitet sich vom warmen zum kalten Ende aus. Da auf der einen Seite eine Wärmequelle und auf der anderen Seite eine Wärmesenke vorhanden ist (Raumtemperatur steigt nur gering an), entsteht eine stationäre Temperaturverteilung. Ergebnis Besteht ein Temperaturunterschied zwischen den Enden eines Stabes, so findet Wärmeleitung statt. Hinweis Man kann das Experiment abwandeln, indem man in das zweite Becherglas Eiswasser fühlt. Auf den Bildern ist zu erkennen, wie auf der einen Seite ein Wärmestrom Richtung Eiswasser fließt und auf der anderen Seite das Eiswasser dem Stab Wärme 25

5 Ergebnis Nur der Wirkwiderstand erzeugt eine Leistung, die zur Erwärmung des Bauelements beiträgt. Der Blindwiderstand entzieht der Stromquelle nicht auf Dauer Leistung und trägt damit auch nicht zur Erwärmung des Bauelements bei. Hinweis Genau genommen kann man aus der gleichen Temperatur der Bauelemente (siehe erstes Bild) nicht auf gleiche Leistung schließen, da nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz diese über die gesamte Oberfläche abgegeben wird. Haben also zwei Bauelemente dieselbe Leistung, aber völlig unterschiedliche Oberflächen, so weichen ihre Temperaturen stark voneinander ab Praxisrelevante Phänomene Die folgenden Experimente greifen Themen der Elektrizitätslehre auf, die in der Technik und im täglichen Umgang mit elektrischen Geräten eine große Bedeutung haben. Es soll die Wärmeentwicklung durch Wirbelströme und die Erwärmung loser Kontakte an Netzsteckern gezeigt werden. E5: Nachweis von Wirbelströmen Geräte/Anordnung - Wärmebildkamera mit Stativ - Stromversorgungsgerät - zwei windungsgleiche Spulen - geblätterter und massiver Eisenkern Die zwei windungsgleichen Spulen werden in Reihe geschalten. In die eine Spule wird der massive, in die andere Spule der geblätterte Eisenkern gelegt. Die Ansichtsseite der Eisenkerne ist mit schwarzen Klebeband zu bekleben (Ziel: gleicher Emissionsgrad). Die Kamera 51

6 wird mit Stativ vor den Spulen aufgebaut. Durchführung Das Stromversorgungsgerät ist einzuschalten. Nach etwa 10 Minuten wird mit der Wärmebildkamera ein Bild erstellt. Auswertung Der massive Eisenkern erwärmt sich viel stärker als der geblätterte Eisenkern. Grund dafür sind die Wirbelströme, die durch das sich ändernde Magnetfeld der Spule ausgelöst werden. Im massiven Eisenkern können diese Ströme ohne Behinderung fließen. Beim geblättertem Eisenkern sind die einzelnen Eisenschichten parallel zu den magnetischen Feldlinien orientiert, wodurch die Wirbelströme unterbrochen werden. Links: massiver EK Rechts: geblätterter EK Ergebnis Durch Wirbelströme wird ein massiver Eisenkern in einer Spule erwärmt. Ein geblätterter Eisenkern erwärmt sich kaum, da bei ihm die Wirbelströme verhindert werden. Hinweis Es sollte überprüft werden, ob die beiden Spulen mit verschiedenen Eisenkernen denselben Widerstand haben. Denn nur wenn die Widerstände gleich groß sind, wird an den Spulen dieselbe Leistung umgesetzt. Meine Messungen dazu ergaben: Spule mit massivem Eisenkern: 22 Ω Spule mit geblättertem Eisenkern: 25 Ω Damit sind die Spulen mit den verschiedenen Eisenkernen miteinander vergleichbar. Anhand des Experiments kann die Funktionsweise eines Induktionsherdes erklärt werden. E6: Wärmeentwicklung an lockeren Kontakten Geräte/Anordnung - Wärmebildkamera - Netzstecker 52