Archiv der Kategorie: Elektrizität & Magnetismus

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

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

The shoebox speaker

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written by Michael Himmelbauer

By using a common shoebox, enjoyable music with a high sound quality can be played. What sounds to be unimaginable, can be realized with some components you may have at home, but can also be found in the physics room:

  • an amplifier (the older the better)
  • two cables
  • a magnet (the stronger the better)
  • a coil (or a long piece of wire and a cylinder (for example from toilet paper))
  • the star of the experiment: a shoebox (without the cover)
  • a device with a plug to play music
  • and of course: enjoyable music (for instance on your mobile phone)

First of all, you have to glue the coil (or the wire wrapped around the cylinder) onto the bottom of the shoebox. Furthermore, the cables have to be plugged into the amplifier (take care that you use the correct ports) and have to be connected to both of the ends of the coil (no matter whether it is bought or a self-made one) as shown in the pictures:

Moreover, you have to select a relaxing song to play (due to the wide range provided on the internet, this could be the most difficult part of the experiment). In order to broadcast the music, you have to connect your mobile phone, computer or MP3-player to the amplifier (either via another cable or wireless). As soon as you have started the song, place the magnet in the middle of the coil as shown in the picture:

In case you read the instructions carefully and the cable connection works, you may be speechless at that point as you can hear your favorite song without using a classical speaker (or headphones).

But why’s that? Why can music be played without using speakers?

Admittedly, the shoebox works as a speaker as the mantle of the cuboid replaces the membrane.

In order to understand that phenomenon, we need to take a look at an electro-magnetic force named by the physicist Hendrik Antoon Lorentz. It occurs as soon as a current flows through a conductor. Its direction has an angle of 90 degrees to the direction of the flow and the magnetic field.

And as the amplifier dispenses alternating current (AC), the direction of the flow inside the coil changes constantly and that is why the direction of the Lorentz force changes, too. Subsequently, as the magnet remains at the same place, the coil swings back and forth with the frequency of the flow (that the amplifier dispenses). As a result of that (the coil is sticked onto the bottom of the shoebox), the membrane swings with the same frequency. Moreover, the swinging membrane spreads waves into the air that get to our ears where they are converted into an electric signal that is forwarded to the brain (ask a biologist if you’ve got any questions concerning the processes inside the human body).

To convey the theory more easily, I made a drawing that outlines the effects of the currency to the coil and depicts the formation of the acoustic waves:

In case you are curious, you could also use the speaker for playing spoken records (for instance a speech from a well-known politician or the latest news program). While listening to the wisely chosen words from a famous person, you may be amazed by the high quality and the clear sound.

Another usage of the self-built speaker could be its opposite, a microphone. When recording waves, the Lorentz force is considered to move the electrons inside the wire and that is the reason why an electric voltage is induced (to try that, you could conduct an experiment on your own that is similar to the described one).

To sum up, it can be mentioned that with the help of a shoebox and some other components, but without a speaker, music can be played and quite some things can be found out about the characteristics of the acoustic waves that enable us to understand each other properly.

source:
Putz, Bruno; Jahn, Brigitte: Faszination Physik 7 bis 8. Lehrplan 2018. Linz: Veritas 2019, p. 13

fotocredit: (c) by Michael Himmelbauer

Der Widerstand bei Glühlampen in einem Stromkreis

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von Michael Himmelbauer

Bereits in der Unterstufe lernt man, dass ein Stromkreis aus Stromquellen und Verbrauchern* bestehen kann. Ein Beispiel für einen Verbraucher ist eine Glühlampe.

Mehrere Glühlampen kann man in einem Stromkreis beliebig anordnen, genauer gesagt in Serien- und Parallelschaltung.

Für unseren Versuch braucht man sieben Glühlampen, die man folgendermaßen (auf einem Steckbrett) anordnet:

An den beiden Schaltungen wird nun dieselbe Spannung angelegt. Es wird davon ausgegangen, dass die sieben Glühlampen gleich sind.

Wir möchten nun herausfinden, welche der beiden rechten Glühlampen (oben und unten) heller leuchtet:

A) Die obere rechte Glühlampe leuchtet heller.

B) Beide rechten Glühlampen leuchten gleich hell.

C) Die untere rechte Glühlampe leuchtet heller.

Wie findet man das heraus?

Um vorgehen zu können, müssen wir die Glühlampen als Widerstände betrachten und uns an die Formeln zur Berechnung von Widerständen in Serien- und Parallelschaltungen erinnern:

Damit wir etwas über die Spannung, die an der jeweils rechten Glühlampe anliegt, herausfinden, müssen wir zunächst den jeweils linken Teil der Schaltkreise betrachten. Außerdem nehmen wir an, dass jede Glühlampe den Widerstand x hat.

Der Widerstand des linken Teils der oberen Schaltung ist einfach x, da es sich nur um einen einzigen Widerstand handelt.

Bei der unteren Schaltung müssen wir die Formeln für die Serien- und dann für die Parallelschaltung verwenden:

Der Widerstand in der unteren Schaltung ist also auch x, das bedeutet, dass an beiden rechten Glühlampen dieselbe Spannung anliegen müsste und sie damit gleich hell leuchten müssten, es wäre also Antwort B richtig.

Nun schalten wir den Strom ein und kommen zu folgendem Ergebnis:

Die vier Glühlampen im linken Teil des unteren Stromkreises leuchten logischerweise weniger hell, da sich die Spannung in der Serienschaltung der einzelnen Stränge der Parallelschaltung „aufteilt“.

Zu Beginn leuchten tatsächlich auch die beiden rechten Glühlampen gleich hell, doch dann stellt sich heraus, dass die untere rechte Glühlampe etwas heller leuchtet als die obere.

Doch warum ist das so?

Eine Glühlampe hat innen in der „Glaskugel“ einen Glühdraht, der sich beim Leuchten erwärmt.

Dadurch, dass die linke Glühlampe im oberen Stromkreis viel heller leuchtet als die vier linken Glühlampen im unteren Stromkreis, hat diese mit der Zeit auch einen höheren Widerstand, obwohl es im unteren Stromkreis vier Glühlampen sind, diese leuchten allerdings kaum.

Und warum hat ein warmer Glühdraht einen höheren Widerstand als ein kalter?

Das ist dadurch zu erklären, dass sich, wenn der Draht (in diesem Fall durch den Stromfluss) erwärmt wird, die freien Elektronen im Metallgitter mehr zu bewegen beginnen, wodurch der Strom mehr Widerstand beim „Durchfließen“ hat.

Bei längerem Betrieb des Stromkreises ist somit Antwort C richtig.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Widerstand einer Glühlampe von der Helligkeit und der Betriebsdauer abhängt.

(*) Das Wort Verbraucher wird zwar im Alltag gerne benutzt, ist aber physikalisch nicht korrekt. Tatsächlich wird von zum Beispiel einer Glühbirne keine Energie verbraucht, sondern die elektrische Energie in eine andere Energieform (bei der Glühbirne in Wärmeenergie) umgewandelt. Korrekt wäre somit statt Verbraucher: Energieumwandler