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Astronomische Fotografie

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von Jonas Hölblinger

Alle werden hin und wieder mal am Tag oder in der Nacht in den Himmel schauen. Manchmal kann man dann auch unseren 4,5 Milliarden Jahre alten Begleiter erkennen. Der Mond ist selbst bei starker Lichtverschmutzung, wie es in Steyr üblich ist, immer wieder zu finden. Noch besser ist es, wenn man ein Teleskop hat und sich die Oberfläche voller Krater um ein Vielfaches genauer ansehen kann.

Neben dem Erdtrabanten sieht man am Abend selbstverständlich auch einige Sterne, wobei manche von ihnen außerordentlich hell erscheinen können beziehungsweise sogar schon sehr kurz nach Sonnenuntergang sichtbar sind. Bei solchen Objekten handelt es sich öfters nicht um einen Stern, sondern um einen unserer Planeten.

Am frühesten kann man meistens den Planeten Venus erkennen, weshalb sie auch den Spitznamen „Abendstern“ bekommen hat. Gegen 18:00 Uhr herum muss man nur nach Südwesten schauen und sieht mit bloßem Auge die Venus allein am Himmel stehen. Jedoch ist „allein“ vollkommen gelogen, denn momentan lässt sich ein anderes, sehr helles Objekt direkt bei der Venus beobachten. Dieses Objekt ist der Gasriese Jupiter, der mit einem 11 Mal so breiten Durchmesser wie der von der Erde der weitaus größte Planet des gesamten Sonnensystems ist. Dementsprechend hat er auch eine gigantische Anzahl an Monden. Mittlerweile gibt es fast 80 bekannte Jupitermonde, wobei nur vier von ihnen überhaupt groß genug sind, dass sie kugelförmig sind und demnach auch mit einem Teleskop sichtbar sein können – das wären die galiläischen Monde Ganymede, Kallisto, Io und Europa.

Ganymede: Er ist der größte Mond des gesamten Sonnensystems. Mit einem Durchmesser von rund 5260 km ist er sogar um einige Kilometer größer als der Planet Merkur!

Kallisto: Dieser Mond ist zwar auch ziemlich groß, allerdings etwas kleiner als Merkur. Es befindet sich aber eine kilometerdicke Eisschicht auf seiner Oberfläche (Achtung: nicht trinkbar – das Eis ist noch schmutziger als die Enns bei einem Hochwasser).

Io: Io ist ein kleines bisschen anders als die anderen Monde von Jupiter, abgesehen von seinem unglaublich kurzen Namen. Auf ihm existiert so gut wie kein bisschen Wasser. Aber immerhin hat er um die 150 aktive Vulkane. Das sind allerdings nur die, die wir kennen!

Europa: Die kilometerdicke Eisschicht von Kallisto ist eigentlich gar nichts, denn wenn man das komplette Eis und das gesamte vermutete Wasser unter dem Eis kombiniert, hat Europa weitaus mehr Wasser auf sich, als es generell auf der gesamten Erde gibt. Süßwasser und Salzwasser.

Die vier sind nicht nur die bekanntesten Jupitermonde, sondern theoretisch auch an manchen Tagen mit einem Teleskop sichtbar. Man braucht nicht mal ein sonderlich starkes Teleskop, wobei ein Fernglas leider auch nicht ausreichen würde. Alles, was man wirklich noch dazu brauchen würde, um Jupiter und seine Monde richtig zu sehen, wäre ein klarer Nachhimmel mit so wenig Lichtverschmutzung wie möglich.

Um jedoch auch Fotos zu machen, bräuchte man dann doch eine eher gute Kamera. Die meisten Handykameras haben ziemliche Schwierigkeiten, sich auf diese noch immer sehr kleinen Punkte zu fokussieren oder manchmal auch mit der Menge an konzentriertem Licht klarzukommen. Dennoch ist es möglich, denn ich habe mit meiner einfachen Handykamera und meinem Newtonteleskop einige Bilder gemacht. Wie schon erwähnt, braucht man also nicht wahnsinnig viel oder wahnsinnig fortgeschrittenes Equipment.

Wie schon erwähnt, standen sich Venus und Jupiter vor Kurzem so nah wie seit vielen Jahrzehnten nicht mehr. Davon sind mir ein paar ganz gute Bilder gelungen, hier mein Favorit:

Auch von Jupiter allein konnte ich gute Bilder schießen, wo teilweise sogar alle vier galiläischen Monde zu sehen sind. Es waren sogar einige Farben der Wolken zu sehen, allerdings ist die Bildqualität zu schlecht, um das zu sehen.

Einmal die momentanen Helden des Nachthimmels beiseite, es gibt gerade auch noch einen anderen sichtbaren Planeten. Er ist um einiges kleiner und demnach viel weniger auffällig als alle anderen Punkte am Nachthimmel, trotzdem hat er bei uns Menschen schon seit 60 Jahren ein ganz besonderes Interesse geweckt.

Der rote Planet Mars, drei Mal so klein wie die Erde, aber an sich mindestens dreißig Mal so tödlich. Wenn man gegen 19:00 Uhr in Richtung Süden blickt und ganz genau hinsieht, kann man wirklich erkennen, warum er seinen Spitznamen „Roter Planet“ bekommen hat. Selbst mit dem bloßen Auge kann man einen rötlichen Schimmer erkennen. Noch offensichtlicher wird es natürlich mit einem Teleskop.

In dem folgenden Bild ist es mir sogar gelungen, eines der bekanntesten Oberflächenmerkmale des Mars zu fotografieren: Das Valles Marineris, oder einfach der Mars Canyon. Er ist so lang wie die Vereinigten Staaten, breiter als Deutschland und vier Mal so tief wie der Grand Canyon. Das macht ihn dann natürlich zur massivsten Schlucht des gesamten Sonnensystems, wobei dann der Grand Canyonm gar nicht mehr so Grand ist…

Und jetzt mal die hellen Punkte am Himmel, die wie Sterne aussehen, aber keine Sterne sind, beiseite. Es gibt auch so einige interessante helle Punkte am Himmel, die wie Sterne aussehen und auch Sterne sind!

Beispielsweise der hellste Stern am gesamten Nachhimmel – Sirius. Wenn man gegen 18:00 Uhr in Richtung Südosten sieht, sollte er ganz klar zu entdecken sein. Allerdings sehen wir mit dem freien Auge oder auch den meisten Teleskopen nur Sirius A, denn sehr nah um Sirius A kreist sein Begleiter Sirius B, ein weißer Zwerg.

So oder so Sirius ist der Nachthimmel wahnsinnig hell. Sogar ähnlich hell wie die Planeten.

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

Bernoulli-Effekt

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Wir haben doch alle schon einmal den Namen “Bernoulli” im Physikunterricht gehört. Habt ihr allerdings gewusst, dass es mehrere Genies mit diesem Namen gab? Heute beschäftigen wir uns aber nur mit einem davon: Daniel Bernoulli. Dieser beschrieb mit der Bernoulli-Gleichung den nach ihm benannten “Bernoulli-Effekt”.  Um diesen Effekt zu verdeutlichen, erläutern wir zuerst drei Experimente für euch, die ihr auch einfach zu Hause nachmachen könnt: 

1. Strohhalm-Experiment

Materialien: Strohhalm, Styroporball (Tischtennisball geht auch, ist aber schwieriger) 

Zuerst pustest du in einen Strohhalm, dessen vorderen Teil du nach oben biegst (wird im Video genauer gezeigt). Danach legst du die Styroporkugel vorsichtig über die Öffnung. Jetzt wirst du bemerken, dass der Ball an seinem Platz bleibt und über dem Strohhalm schwebt. Wenn man aufhört, in den Strohhalm zu blasen, fällt der Ball wieder hinunter.  

2. Trichter-Experiment 

Materialien: Trichter, Tischtennisball oder Styroporball 

Als Erstes nimmst du den Trichter mit der großen Öffnung auf den Boden gerichtet und hältst den Ball hinein. Dann pustest du von oben in den Trichter hinein und wenn du den Ball nun loslässt, kannst du beobachten, dass dieser im Trichter bleibt und nicht auf den Boden fällt, wie man es sich vielleicht aufgrund der Schwerkraft erwarten würde. 

3. Papier-Experiment 

Materialien: Blatt Papier 

Du hältst ein Blatt Papier vor deinem Mund und fängst an zu pusten, jetzt kannst du wieder beobachten, wie  sich das Blatt wellenartig nach oben und unten bewegt. 

Jetzt werden wir euch den Effekt etwas näher erklären. Da bei allen drei Experimenten die Luft strömt, nimmt der Druck ab und dadurch landet der Tischtennisball zum Beispiel nicht am Boden, sondern schwebt in einem gewissen Bereich.
Das lässt sich durch den indirekten Zusammenhang zwischen dem statischen und dem dynamischen Druck erklären: Da der dynamische Druck aufgrund der Luftströmungen (verursacht durch das Pusten) zunimmt, muss der statische Druck logischerweise abnehmen, da die Summe der beiden Drücke stets konstant ist.

Folgende Formel verdeutlicht den Bernoulli-Effekt und insbesondere den Zusammenhang zwischen statischem und dynamischem Druck (1 ist als vorher (d.h. vor dem Pusten), 2 als nachher (d.h. während des Pustens) zu verstehen):

Ist der Zusammenhang zu schwierig zum Verstehen, kann man sich auch modellhaft vorstellen, dass die Luft den Styroporball kugelartig umschließt und dieser somit nicht „entkommen“ kann. Das erklärt auch die Rotationen des Balls. Beim Beenden der Luft-Zufuhr verschwindet diese „Luft-Hülle“ wieder und der Ball fällt aufgrund der Schwerkraft zum Boden (zumindest, wenn diese Experimente unter Standardbedingungen auf der Erde durchgeführt werden).

Quellen:

Berndorff, Jan; Hüttmann, Kristin: Einstein für Quanten Dilettanten 2022. Ein vergnüglicher Crashkurs in Sachen Naturwissenschaften. Unterhaching; Athesia Kalenderverlag 2021, S. 09.06.2022 
Gollenz, Franz; Breyer, Gustav; Reichel, Erich; Zunzer, Stefan: Physik 2. Wien: Österreichischer Bundesverlag 2020, S. 99 – 103

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

reviewed and extended by Michael Himmelbauer

How to grow a größere Schwedenbombe

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von Pia, Paul, Jana und Sarah

Der Zusammenhang zwischen Druck und Kraft wird in folgender Formel ausgedrückt:

Luftdruck:

Jede Schülerin und jeder Schüler ist dauerhaftem Druck ausgesetzt. Nicht nur dem Notendruck, sondern auch dem physikalischen Druck. 😉 Dieser beschreibt die Wirkung einer Kraft auf eine bestimmte Fläche. Es kommt oft vor, dass der Druck und die Kraft vertauscht oder verglichen werden, jedoch gibt es einen großen Unterschied, denn die Kraft gibt an, wie stark ein Körper auf einen anderen einwirkt. Ihre SI-Einheit lautet Pascal. Angegeben wird er jedoch meist in bar, 105 Pascal entsprechen 1 bar. Somit sind wir einem dauerhaften Luftdruck von 1 bar ausgesetzt. Dieser ändert sich je nach Position des Gegenstandes in der Erdatmosphäre, beispielsweise ist man auf der Zugspitze einem Druck von nur 0,7 bar ausgesetzt.

Zusammenhang zwischen Druck und Kraft: 
Ist der Druck, der wegen der Gewichtskraft der Luftsäule oberhalb eines Körpers auf diesen Körper wirkt. Die Position des Gegenstandes beeinflusst den Luftdruck auf den Gegenstand.

Spritzenexperiment:

Materialien: zwei verschieden große Spritzen, ein Plastikschlauch, Klebeband 

Beschreibung: Im unten angeführten Bild kann man sehen, wie der Versuch aufgebaut ist. Dann füllt man den Schlauch und die Spritzen ohne Luft auf. Drückt man nun eine Spritze hinein, geht die andere hinaus. So funktioniert unter anderem auch eine Hebebühne. Versucht man nun, beide Spritzen gleichzeitig hineinzudrücken, kann man beobachten, dass sich die Kleinere leichter hineindrücken lässt als die Große. Das kommt daher, dass die Formel für den Druck die Fläche (Formelzeichen A) beinhaltet. Da die Fläche bei der kleinen Spritze kleiner ist als bei der großen, ist dementsprechend der Druck bei gleicher Kraft größer (indirekte Proportionalität).

Magdeburger Halbkugeln:

Materialien: Vakuumpumpe, Magdeburger Halbkugeln 

Beschreibung: Mithilfe der Vakuumpumpe wird ein Großteil der Luft aus den Kugeln gepumpt (ein perfektes, d.h. 100-prozentiges Vakuum lässt sich selbst mit einer optimalen Pumpe nicht erreichen). Danach probiert man, sie auseinander zu ziehen. Was vielleicht auf den ersten Blick leicht aussieht, ist beim Probieren dann doch etwas schwieriger. Man kann sich ausrechnen, wieviel Kraft benötigt wird, um sie auseinander zu ziehen. Wenn man die Formel von oben nimmt und die Werte unserer Kugel einsetzt und danach die Formel umformt, kommt 100000 Pa ⋅ 0,00636 m2 = 636 N heraus.

Schwedenbombenexperiment 

Materialien: Vakuumpumpe, Schwedenbomben 

Beschreibung: Durch die Verwendung der Vakuumpumpe werden die Schwedenbomben von einen luftarmen Raum umgeben. Der Schaum enthält eine große Menge an Luft, die sich durch das Vakuum und damit das Fehlen eines Drucks von außen ausdehnt. Wenn man nun wieder Luft einströmen lässt, fällt der Schaum aufgrund des außen herrschenden Luftdrucks zusammen.
Folgendes Video visualisiert das Experiment:

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass der Druck trotz der negativen psychologischen Wirkungen etwas Alltägliches ist, er aber auch durch faszinierende und gleichzeitig spannende Experimente erforscht werden kann. Ohne ihn würde es kaum Lebewesen geben, denn gäbe es keinen Umgebungsluftdruck, würde mit der menschlichen Lunge genau dasselbe passieren wie mit der Schwedenbombe, was aber nicht so gut schmeckt…

Quellen:
Anon.: Der Druck in Physik. https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik-abitur/artikel/der-druck?msclkid=16e0ad85c49011eca6fb8fb295f6e88a# (Zugriff: 25.04.2022) 
Anon.: Mechanik. Druck. https://www.leifiphysik.de/mechanik/druck-und-auftrieb/grundwissen/druck?msclkid=16e000e0c49011ec8117477eac07a095 (Zugriff: 25.04.2022) 
Anon.: Mechanik. Luftdruck. https://www.leifiphysik.de/mechanik/druck-und-auftrieb/grundwissen/luftdruck?msclkid=0fb2c86ac49211ec9e104fd4affbf4f4 (Zugriff: 25.04.2022) 

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

reviewed and extended by Michael Himmelbauer

H2O – Plötzlich die Welt gerettet

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von Pia, Eva, Jana, Paul und Sarah

Habt ihr schon einmal ein Auto gesehen, das mit Sonnenenergie fährt und euch gefragt, wie das funktioniert? Wir haben es uns für euch näher angesehen und Fakten dazu recherchiert, die wir euch jetzt präsentieren und erklären werden.

Was braucht man für so ein Wasserstoffauto?
Am wichtigsten ist eine Brennstoffzelle. Doch was ist eigentlich eine Brennstoffzelle? Brennstoffzellen verwandeln chemische Energie in elektrische Energie und Wärme. Deshalb sind diese keine Energiespeicher, sondern Energieumwandler. Der Aufbau ist simpel. Sie besteht aus 2 Elektroden, der Anode und der Kathode, welche durch einen Elektrolyten getrennt werden. Der Elektrolyt ist nur für eine bestimmte Sorte von Ionen durchlässig. Die Elektroden hingegen können nur Elektronen leiten (siehe Bild darüber). Doch wie funktioniert sie nun? 1. Der Brennstoff, in unserem Fall der Wasserstoff, wird der Anode zugeführt. Dort wird er zu vier positiven Wasserstoffionen und 4 Elektronen geteilt. Gleichzeitig wird der Kathode Sauerstoff beigelegt. Nun werden die Wasserstoffionen, die Elektronen und die Sauerstoffatome der Kathode zugeführt, reagieren und werden zu Wasser. Dadurch das die Elektronen nicht auf direktem Weg zur Kathode kommen, werden sie dazu gezwungen einen anderen Weg zu gehen. Dadurch entsteht ein Stromkreis.

Chicago, Vancouver, London und Beijing experimentieren bereits mit Wasserstoff-betriebenen Bussen. In Deutschland sind schon Wasserstoff-Zellen in Zügen in Verwendung, jedoch noch nicht sehr weit verbreitet. Auch Automobilkonzerne wie Toyota, Honda, Hyundai und BMW haben schon Testfahrzeuge produziert und forschen daran. Südkorea, Japan und China setzen auch stark auf Wasserstoff-Brennzellen. In Japan werden im öffentlichen Verkehrssystem schon durch Wasserstoff-Brennzellen angetriebene Fahrzeuge eingesetzt.

Das Wasserstoffauto ist zwar eine sehr umweltfreundliche Idee, aber erfordert noch viel Forschung, Arbeit und Ressourcen.

Quellen:
Anon.: 10 Hydrogen Fuel Cell Applications You Might Not Know. https://wha-international.com/10-hydrogen-fuel-cell-applications-you-might-not-know/ (Zugriff: 04.04.2022)
Walker, Kris: Clean Tech 101. What are Hydrogen Fuel Cells Used For?. https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=333 (Zugriff: 04.04.2022)
Anon.: PGM-Based Fuel Cells: Applications for Industry. https://newagemetals.com/pgm-based-fuel-cells-applications-for-industry/ (Zugriff: 04.04.2022)
Anon.: Aufbau, Typen und Funktion. Was ist eine Brennstoffzelle. https://www.siqens.de/blog/was-ist-eine-brennstoffzelle/ (Zugriff: 04.04.2022)

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

Midnight Moon Phases

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By Sarah Diregger

Imagine you’re lying on your back, looking up at the sparkling stars scattered across the seemingly endless sky. The full moon drenches the nightly landscape into shades of grey. You’re enjoying the moment but a scientific thought snakes its way into your consciousness and asks, “Why do we never see a full moon during the daytime?” To help answer this question, I conducted an experiment. You’ll need:

  • A flashlight
  • 2 balls (preferably in two different sizes)
  • An even surface

Now, you must set the two balls on the surface at a distance of approximately 10 – 20 cm. Now hold the flashlight, which represents the sun, about a meter from the two balls. I suggest using different-sized balls. The smaller one is the Moon and the larger one Earth.

We all know that the Earth rotates around the Sun, and the Moon orbits the Earth. It’s also important to know that the Earth rotates around itself. One rotation of the Earth around itself takes 24 hours, and one rotation of the Moon around Earth takes 27,3 days.

Moving our “Moon” around the “Earth” in the experiment, we can see that depending on the position of the Moon, it’s seen from a different time of day. When the Moon is between Earth and Sun, it’s called a new moon. That means, from the point of view of Earth, you can’t see it at all.

To imitate the rotation of the Moon, move it about 45° counterclockwise. You will see that from the vantage point of the Earth, a little light appears on the right side of the Moon. This waxing crescent, as we call it, can be seen at its highest position in the afternoon.

When you continue this process and move the Moon 45° counterclockwise each time, the following results can be observed:

Some of the pictures above depict the real Moon and the others show our “Moon” model in the experiment.

Fun Fact:
From Earth, we always see the same side of the Moon. This is called “Tidal Locking”. It occurs when the rotation around the own axis and the rotation around another body take the same time.

Due to the position of the Moon and the Sun, we can only see a certain Moon phase in the center of the sky at a specific time of day. It’s very important to note the position of the Sun in all of this because it indicates which part of the Moon is illuminated and when we can observe this amount of illumination. That’s why we never see a full moon during the day.

Sources:
Byrd, Deborah: Moon Phases. Top 4 keys to understanding moon phases. https://earthsky.org/moon-phases/understandingmoonphases/#:~:text=As%20seen%20from%20the%20north,Not%20to%20scale. (last access: 21.03.2022)
Anon.: Lunar Phases and Eclipses. Earth’s Moon. https://solarsystem.nasa.gov/moons/earths-moon/lunar-phases-and-eclipses/#:~:text=These%20eight%20phases%20are%2C%20in,third%20quarter%20and%20waning%20crescent. (last access: 21.03.2022)
Anon.: Moon Phases. Moon in Motion. https://moon.nasa.gov/moon-in-motion/moon-phases/
Gunn, Alastair: Space. What is tidal locking?. https://www.sciencefocus.com/space/what-is-tidal-locking/ (last access: 21.03.2022)

fotocredit: © by Sarah Diregger

Telefonieren ohne Strom

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von Eva-Maria, Jana, Paul, Pia

Heute zeigen wir dir, wie du ganz ohne Strom und mit Sachen, die du ziemlich sicher zu Hause hast, ein Telefon basteln kannst.  

Dafür brauchst du: 

  • Plastikbecher (4) 
  • Faden (3,5 Meter lang) 
  • Nadel 
  • kleines Holzstück 

Als Erstes musst du bei jedem Becher ein kleines Loch durchstechen, wo du dann den Faden durchführst. Danach verknotest du den Faden im Becher mit dem kleinen Holzstückchen, sodass der Faden nicht mehr herausrutschen kann. Als letzten Schritt musst du 2 Becher mit dem gleichen Faden verbinden und wenn du mehr als 2 Becher verwenden willst, musst du für jeden zusätzlichen Becher einen weiteren Faden in der Mitte anknoten. 

Physikalische Erklärung für Dummies:  

Die Stimme besteht aus Wellen, die beim Hineinsprechen in den Becher zentriert und an den Faden weitergegeben werden. Diese Vibrationen schwingen über den Faden dann zu den anderen Bechern, wo sie wieder freigesetzt werden.

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

Die magische Kugel

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von Eva-Maria, Jana und Pia

Ihr habt doch bestimmt schon einmal so eine „Blitzkugel“ wie auf dem Bild gesehen und euch gefragt, wie diese funktioniert.  Der richtige Name der ominösen Kugel lautet übrigens Plasmakugel. Wie sie aufgebaut ist und funktioniert, erklären wir euch jetzt. 

Zur besseren Veranschaulichung haben wir euch eine Skizze gezeichnet:


Der Aufbau der Plasmakugel ist relativ simpel gehalten. Der wohl größte Bestandteil ist die äußere Kugel (weiß), diese ist mit einem Gasgemisch (lila) befüllt, das meist Edelgas ist. Weiter geht es mit der inneren Kugel (grün), die mit Metallwolle gefüllt ist. Die innere Kugel ist dann mit dem Fuß (blau) verbunden, in dem sich der wohl wichtigste Bestandteil befindet, der Teslatransformator. 

Auch wenn der Aufbau so simpel ist, ist die physikalische Erklärung dahinter etwas komplizierter. Also gut aufpassen! 😉 
Als Herzstück des Aufbaus dient ein Tesla-Transformator. Dieser wurde von keinem anderen als Nikola Tesla (1892) erfunden. Der Transformator dient vor allem zur Erzeugung von Hochspannung. Die Leistung von Tesla-Transformatoren bewegt sich trotz hoher Momentanleistung im Bereich von wenigen Watt. Durch die geringe Leistung ist es eine relativ gefahrlose Hochspannungsquelle. Der Transformator, der sich im Fuß dieser Lampe befindet, und eine integrierte Oszillatorschaltung erzeugen einen hohen Wechselstrom von ca. 20 kHz und einigen Kilovolt Spannung. 

In der Mitte der äußeren Kugel befindet sich eine Elektrode. Die Gegenelektrode ist die Umgebung. Durch den Transformator entsteht zwischen Elektrode und Gegenelektrode eine Potentialdifferenz. Durch das Einschalten werden die im Gas enthaltenen Elektronen und Ionen stark ionisiert und so die blitzähnlichen “Fäden” erzeugt, die man sehen kann. Dank der Elektrode sind die Blitze gleichmäßig aufgeteilt. Legt man seine Hand auf die Kugel, so wird der Ionenstrom in eine Richtung verstärkt und so mehr Blitze in dieser Region erzeugt. Dies kommt dadurch, da am Berührpunkt die Potentialdifferenz dann noch etwas höher ist als am Rest der Kugel.

Quellen:

Universum Managementges. mbH: #schongewusst: So funktioniert die Plasmakugel. #schongewusst: So funktioniert die Plasmakugel – Universum Bremen (universum-bremen.de) [Zugriff: 28.02.2022]

Aydin, Özgür: Die Wissenschaft der Plasmakugel. So funktioniert die Plasmakugel. Funktionsweise – Die Wissenschaft der Plasmakugel (plasma-kugel.de) [Zugriff: 28.02.2022]

Köhnseemann, Alf: Die Plasmakugel. Die Plasmakugel » Formbar » SciLogs – Wissenschaftsblogs (spektrum.de) [Zugriff: 28.02.2022]

Dresel, Christian: Plasmakugel. www.plasmakugel.net [Zugriff: 28.02.2022]

Fotocredit: © by the ScienceBlog Team

Pans, Heat, and Bonding 

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by Sarah Diregger

While cooking, one can notice that metal becomes hot very quickly and wood or plastic is safer to touch if you’re not in the mood for a 2nd-degree burn. I’m sure everybody knows not to touch the pan while it sits on the stove. But why? What’s the difference between metal and plastic? Why does metal heat up so easily? 

Firstly, to prove my theory that metal heats up faster than plastic I experimented: 

You need a plastic rod, a metal rod, an infrared camera, and warm hands. You hold each rod in your hands for 1-2 minutes. Then you point the infrared camera at the two rods, and you can see the results immediately.  

Here, you can see an image of the two rods next to each other before the experiment: It’s very faint but I think you can make out two different sticks. The left one is metal, the right one plastic. 

This is what the plastic rod looks like after one hand held it: 

This is what the plastic rod looks like after 3 hands held it: 

This is what the metal rod looks like after a you hold it in your hand: 

On the scale at the bottom of the images, you can see which color symbolizes which temperature. Consequently, we can see that before the experiment, both were at about the same temperature. After the experiment, the plastic rod was only heated at the area you held it. However, the temperature of the warm hands spread farther and the area of warmth was greater than the size of your hands. 

The explanation for this phenomenon lies on the atomic level. It’s important to know that atoms form 3 different types of bonds: 

Covalent bond: Bond, in which atoms share electrons 

Ionic bond: One atom gives its valence (outermost) electron(s) to the other atom. Therefore, one atom acquires a positive charge and the second acquires a negative charge. Positive and negative attract each other, leading to the atoms forming a bond. 

Metallic bond: The nuclei (plural of nucleus) of the atoms arrange themselves in a fixed structure, while the negatively charged electrons move freely in between the positively charged nuclei. 

Here is an illustration to help you visualize what this looks like: 

Before I explain further, it’s crucial to know what heat is. Heat is basically the vibration of atoms and molecules within a substance. The more they vibrate, the hotter the substance is. 

We will be focusing on the last type of bond, the metallic bond. Since the electrons don’t have a fixed position within the atomic structure, they can move around more than the electrons in a covalent or ionic bond. If we look at the physical properties of heat, it’s obvious why metals, who have metallic bonds, conduct heat better. The electrons can vibrate easier and it’s easier for them to pass this vibration on to the next electrons. Plastic has a covalent bond. Therefore, the atoms within the polymer (the scientific name for plastic) are tied together tighter and vibrations can’t be transmitted as easily. 

In conclusion, metals transfer heat the best because of the type of atomic bonds they have. The metallic bond allows electrons to move between the nuclei. Therefore, the movement of heated electrons can be conveyed easier than in fixed bonds. Which important lesson do we learn in our day-to-day lives? Never use metal if you want to handle something hot because it doesn’t shield the heat. 

Sources:

https://www.edinformatics.com/math_science/why_metals_conduct.htm#:~:text=Metal%20is%20a%20good%20conduction,of%20their%20energy%20to%20them.

https://www.britannica.com/science/crystal/Conductivity-of-metals

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/waermeleitung#

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Chemical_Bonding/Fundamentals_of_Chemical_Bonding/Metallic_Bonding

https://www.chemie.de/lexikon/Metallische_Bindung.html#:~:text=Als%20Metallische%20Bindung%20oder%20Metallbindung,Metallen%20und%20in%20Legierungen%20vorliegt.&text=Sie%20wird%20durch%20Anziehungskr%C3%A4fte%20zwischen%20Metall%2DIonen%20und%20freien%20Elektronen%20verursacht.

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/metallbindung

[last access: 24.01.2022]

Die große Implosion

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von Jana, Pia und Eva

Wolltest du schon immer eine Dose explodieren lassen, aber du durftest nicht? Dann lass sie doch mit unserer Hilfe implodieren. Achtung! Bitte nur unter Aufsicht eines Erwachsenen durchführen! 😉 

Dazu brauchst du:   

  • Eine Dose
  • Eine Wanne mit Wasser 
  • Einen Bunsenbrenner 
  • Eine Zange zum Halten 
  • Evtl. ein Haargummi zum fixieren 

Als ersten Schritt musst du ca. 3 El Wasser in die Dose füllen, die Dose mit der Zange festhalten und mit einem Haargummi fixieren. Als nächstes musst du die Dose über den Bunsenbrenner halten, bis das Wasser darin kocht und dampft. Sobald das der Fall ist, musst du schnell reagieren! Du musst die Dose schnell umdrehen und sofort in die Wanne mit Wasser tauchen und achte darauf, dass die Öffnung der Dose zuerst im Wasser landet. Die Dose sollte dann sofort sehr stark zusammengedrückt werden.   

Was ist gerade passiert?  

Der Effekt, den du dabei gesehen hast, nennt sich Vakuumeffekt. Durch das Erhitzen des Wassers entsteht Wasserdampf, welcher die Luft in der Dose verdrängt. Wenn man nun die Dose abkühlt, kondensiert das Wasser, wodurch ein Vakuum entsteht. Durch den umgebenden Luftdruck wird die Dose zusammengedrückt. 

Hier findest du noch Videos von unseren implodierenden Dosen !

The Hunt for the Shadow of the Flame

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Sarah D.

It’s Christmas time!! Which means candles. Like…a lot…literally everywhere. Consequently, many candle-related questions come up, such as “Which scent smells the best?”, “Which color should I buy?”, “Can I gift mom with even more candles this year?”. Those are the normal type of questions an average human asks. As scientists, we ask wonderful questions like “How hot is a flame?”, “Can I separate the different chemical components of wax?”, “Do flames have shadows?”. That is the question I want to answer. So, I decided to go on the Hunt for the Shadow of the Flame. Is it real? If it exists, how does it work? 

To demonstrate and help visualize the answer, I conducted an experiment. If you want to reconstruct the experiment you will need a candle, a white sheet of paper, a bright flashlight, and a match to light the candle (unless you want to try it with flint and steel, which I don’t recommend). Firstly, you must darken the room to see results. Then you set the lit candle about 5 to 10 centimeters in front of the white sheet of paper. Take a flashlight that is brighter than the flame and shine it on flame. Now, you will see that the flame itself has a faint shadow, and the air above the candle also has a shadow. It looks like this: 

Ein Bild, das Wand, drinnen, Kerze, Licht enthält. Automatisch generierte Beschreibung

Since the flashlight from the phone wasn’t bright enough, the shadows aren’t very visible. Therefore, I drew a picture of what the shadow is supposed to look like: 

Why do these shadows appear? 

I’ll start by explaining the shadow of the air above the fire: It’s important to know that the candle heats the air above it. The surrounding air remains cold, though. Molecules within hot air move faster than molecules in cold air. Because of the fast-moving molecules, the density in warm air is less than the density in cold air. That means when a light ray moves from the colder air into the hotter air, it goes through a change in the refractive index. (Sarah, what in the gods of physics, is a refractive index?) When a ray of light passes from one medium into another, it’s called a change in the refractive index. It’s important to know, that the light doesn’t get refracted inside the new medium but at the surface of the new medium. In our case, hot air is considered a different medium than cold air, since it has a different density. That means some of the light, which passes through the air above the flame, gets refracted (bounces off and gets redirected) and a shadow appears.  

Next, I’ll explain the shadow of the flame: Burning the wick results in hot ionized gas, burnt carbon fibers, burnt oxygen molecules, and burnt fuel. The resulting substance is also called soot. The soot particles refract the rays of light from the flashlight, forming a faint shadow. Due to the flame being hot, the change of RI also influences the path of the light. 

To sum everything up: Fire produces a faint shadow, and you can also see the hot air above the flame forming a slight shadow. This is because of the change in RI, which causes the refraction of some of the light. The flame itself consists of burning particles. These particles also redirect the path of the flames.