Projekt
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Alles begann mit zwei spannenden Versuchen: Einem Ei, das in der Mikrowelle explodierte und einem von uns gezündeten Plasmaball, der ein Loch in die Mikrowelle unserer Eltern brennen wollte. Danach erhielten wir für unsere Experimente einen eigenen Mikrowellenherd.
Mit diesem Herd führten wir viele Physikversuche durch. Mir untersuchten mit preiswerten Mitteln die Feldverteilung im Innern des Herdes und erstellten ein 3D-Diagramm dieses Interferenzmusters. Wir konnten - nach langem Probieren - die Plasmaspektren von Glühlampen digital aufzeichnen. Hierbei gelang es uns auch, die Aufzeichnung von herkömmlichen Spektren mittels einer modernen Videokamera deutlich zu verbessern. Weiterhin erzeugten wir auch außerhalb der Glühlampen gezielt Plasmen, die wir in feuerfesten Gläsern auffingen um sie für weitere Versuche zu nutzen.
Das rohe Eier in der Mikrowelle explodieren können, war uns nicht unbekannt. Natürlich wollten wir diesen Versuch durchführen. Aber wie konnten wir es verhindern, dass wir danach die ganze Mikrowelle putzen mussten? Einfach!!! Wir legten das rohe Ei in ein Einmachglas mit Deckel (aber ohne Gummi) und stellten es in die Mikrowelle (1000W!). Gebannt schauten wir auf das Ei im Einmachglas. Plötzlich gab es einen lauten Knall und der Herd war versaut.
Abb. 2.1: Die Mikrowelle nach der Ei-Explosion.
Wie konnte das passieren? Die einzige vernünftige Erklärung, die wir finden konnten war, dass der große Druck der Explosion den Glasdeckel mit einer solchen Kraft gegen die Decke schleuderte, dass er zersplitterte. Die nachfolgende Eierpampe hing schließlich an der Decke des Mikrowellenherdes (siehe Abb. 2.1).
Trotz der Tatsache, dass wir putzen mussten, hatte dieser Versuch unser Interesse für weitere Experimente geweckt. Wir suchten im Internet nach neuen Anregungen und fanden einige sehr interessante Sites. Mehrmals wurde ein Versuch erwähnt, wie man mit einer einfachen Glühlampe ein sehr heißes Plasma erzeugen kann. Es funktionierte tatsächlich! Wir sahen ein sehr grelles Licht und an der Oberseite der Glühlampe entstand eine Beule.
Abb. 2.2: Die Glühlampe nach unserem Plasmaversuch
Als die Beule aufschmolz stieg ein Plasma zur Decke der Mikrowelle auf. Der Plasmaball wanderte an der Decke des Mikrowellenherdes entlang. Wir schalteten den Herd natürlich sofort aus und 'löschten' das Plasma dadurch. Nun war Robins Mutter ziemlich sauer, weil ihr Herd beinahe zerstört worden wäre. Wir durften leider keine Versuche mehr in diesem Herd machen.
Da wir zuhause keine Experimente mehr durchführen durften, gingen wir in die Physik-AG. Hier wurde uns freundlicherweise ein Mikrowellenherd zur Verfügung gestellt. Außerdem bekamen wir ein Mikrowellenleck-Tester. Hiermit prüften wir nach jedem Versuch, ob aus der Mikrowelle keine schädliche Strahlung austrat.
Abb. 3.1: So haben wir nach jedem Versuch die Mikrowelle getestet.
Mit unserem neuen Herd wollten wir wie zu Hause in einer Glühlampe ein Plasma zünden. Obwohl wir immer 800 Watt (Maximalleistung) an der neuen Mikrowelle eingestellt hatten, bildete sich nicht immer ein Plasma. Aber warum? Wir dachten, dass es an den Glühlampen liegt. Also haben wir uns verschiedene Glühlampen gekauft. Aber nach mehreren Versuchen stellten wir fest, dass die Glühlampen an manchen Stellen immer zündeten, an manchen aber wiederum nie. Erneut fragten wir uns, woran dies wohl liegen könnte. Wir vermuteten, dass die Feldstärke im Herd nicht überall gleich ist. Nun suchten wir nach einem Versuch, mit dem man die Feldverteilung im Herd ausmessen kann.
Also sind wir wieder mal durch das Internet gesurft. Dort haben wir auch wirklich ein Experiment (http://www.Colorado.EDU/physics/2000/index.pl) gefunden. Dabei werden Marshmallows (amerikanische Art von Mäusespeck) geordnet nebeneinander in den Mikrowellenherd gelegt und an den Aufgehungsstufen kann man die Stärke der Mikrowellen in den verschiedenen Bereichen feststellen.
Da wir in Bad Münstereifel leider keine Marshmallows kaufen konnten, haben wir Versuchsreihen mit 'Dulcia Rombiss', Gummibärchen, 'BuMix' u.a. durchgeführt. Ein neues Problem war, dass wir oft nicht genügend Versuchsmaterial zur Verfügung hatten, da außer uns beiden noch andere AG-Teilnehmer ein großes Interesse an unseren Feldmessmaterialien zeigten. Trotz dieser Schwierigkeiten stellten wir schließlich fest, dass BuMix sich am besten für unser Vorhaben eignete.
Wir legten die BuMix in regelmäßigen Abständen auf eine Pappe und schalteten die Mikrowelle ein. Das Ergebnis unseres Versuchs sieht man in Abb. 3.2. Man erkennt sehr deutlich wie unregelmäßig stark das Mikrowellenfeld unsres Herdes ist. Fast unveränderte BuMix liegen neben Angebrannten (Abb. 3.2: Bild 4; unten links). Damit war unser in Kapitel 3.2 beschriebenes Problem gelöst. Nun wussten wir, wo die energiereichste Stelle im Herd ist. Hier konnten wir nun mit Erfolg das Plasma in unseren Glhlampen zünden.
Abb. 3.2: Unser BuMix-Versuch (Zeitabstand der Aufnahmen 15 Sec.; 800W)
Abb. 3.3: Die 6 Zustände der BuMix
Bei weiteren Versuchen unterteilten wir die BuMix entsprechend ihren Zustandsveränderung in sechs Stufen (siehe Abb. 3.3), da wir uns ein neues Ziel gesetzt hatten: Wir wollten die Feldverteilung im Mikrowellenherd dreidimensional ausmessen.
Aus praktischen Gründen entschieden wir uns jedoch für feuchtes Faxpapier um das Mikrowellenfeld auszumessen. Da das Faxpapier wärmeempfindlich ist, wird es dort am dunkelsten, wo das Wasser durch die Mikrowellenstrahlung am stärksten erhitzt wird. So haben wir dann von Moritz' Herd (Siemens Meisterkoch electronic) in vier Höhenstufen die Feldverteilung gemessen (0, 5,10 und 15 cm; je 90 sec. bei 720W).
Auch beim Faxpapier nahmen wir, wie bei den BuMix, eine Einteilung von 1-6 vor.
Abb. 3.4: Ein kleiner Ausschnitt des Faxpapiers
Die Ergebnisse von Moritz' Herd haben wir dann in Excel eingegeben und ein 3-D Diagramm von allen vier Höhenstufen erstellt. Hier ist das Ergebnis: Die Abb. 3.5 zeigt, das selbst in einem teuren Mikrowellenherd ohne Drehteller die Feldverteilung noch recht ungleichmäßig ist.
Abb. 3.5: Relative Feldstärke im Mikrowellenherd "Siemens Meisterkoch elektronic"
Dann sind wir wieder zu unseren Plasmaversuchen zurückgekehrt. Nachdem wir ja jetzt die Feldverteilung in unserer Schulmikrowelle kannten, konnten wir jetzt unsere Versuche an den starken Stellen fortsetzen. Was uns natürlich die ganze Zeit schon interessiert hat, ist, was für ein Plasma in der Glühlampe überhaupt leuchtet. Aus eigener Erfahrung wussten wir, dass ein Schutzgas in die Lampen gefüllt wird, um den Wolframfaden zu schützen. Aber welches Gas ist es und wie kann man das herausfinden? Im Gespräch mit anderen Miniforschern kamen wir auf die Idee es mittels Spektralanalyse zu probieren.
Als wir die Plasmen unterschiedlicher Glühlampen durch das Handspektroskop der Physiksammlung betrachteten, sahen wir sehr schöne Linienspektren. Ein Vergleich mit Spektren aus Büchern war schwierig, da die Glühlampen durch das heiße Plasma sehr schnell zerstört wurden.
Also suchten wir nach einer Methode wie wir die kurzlebigen Plasmaspektren aufzeichnen können. Wir entschieden uns für die Verwendung einer Videokamera.
So einfach war das Aufzeichnen der Spektren allerdings nicht. Da wir an unserer Schule natürlich keine spezielle Ausrüstung haben um Spektren zu filmen, mussten wir uns irgendwie eine zusammenbasteln. Zuerst hielten wir ein Handspektroskop vor das Kameraobjektiv. Diese Methode führte jedoch zu keinem brauchbaren Ergebnis. Daraufhin verwendeten wir das große Drei-Arm-Spektroskop der Schule. Vor den Spalt hielten wir eine normale Leuchtstofflampe. Das Ergebnis zeigt Abb. 4.1.
Abb. 4.1: Das von uns aufgenommene Teilspektrum der Leuchtstofflampe
Auf der einen Seite waren wir von der hohen Auflösung dieser Aufnahme - man sieht die Doppellinie von Quecksilber (Dl=2,1 nm !!!) - begeistert, auf der anderen Seite waren wir enttäuscht, weil wir nur ein Teil des Spektrums aufnehmen konnten.
Nach vielem, teilweise enttäuschendem Rumprobieren fanden wir schließlich die folgende Lösung:
Wir klebten ein Transmissionsgitter (5750 Linien pro cm) direkt auf das Kameraobjektiv und versuchten hiermit die Spektren von Kapillarröhren aufzuzeichnen. Schon bei den ersten Versuchen gelang es uns ein vollständiges Spektrum aufzuzeichnen. Bei Weitwinkeleinstellung erfasste die Kamera sogar alle drei Ordnungen gleichzeitig.
Abb.4.2: Die unscharfen Spektren der 1., 2. und 3. Ordnung von Neon
Die ersten Spektren waren zwar unscharf und überbelichtet, doch dieses Problem hatten wir schnell gelöst. Wir stellten den Autofokus und die Belichtungsautomatik ab. Abbildung 4.3 zeigt wie sich so die Aufnahme verbessern lässt.
Abb. 4.3: Unsere ersten Neonspektren.
Wir konnten sogar bessere Spektren aufnehmen als auf den Bildern im Schul- Physikbuch (Metzler) standen. Hierbei stellten wir fest, dass in der Ausgabe von 1998 auf Seite 577 drei Spektren falsch beschriftet wurden.
Da wir ja nun gute Spektren aufnehmen konnten, wollten wir nun endlich rausfinden was für ein Schutzgas in den Glühbirnen ist. Deshalb klebten wir die Mikrowelle bis auf einen kleinen Spalt mit schwarzer Pappe.
Abb. 4.4: Plasmaspektrum einer Klarglas-Glühlampe
(Schwarzer Hintergrund wurde entfernt.)
Wir legten eine matte Glühlampe in die Mikrowelle und zündeten das Plasma. Wir sahen am Anfang ein farbiges Linienspektrum des Schutzgases. Danach, als das Glas anfing zu glühen, sahen wir eine sehr helle Linie im Bereich gelb-orange (siehe Abb. 4.5). Nun wurde das kontinuierliche Spektrum immer heller. Am Ende verschwand die orange Linie und es war nur noch das kontinuierliche Spektrum zu sehen. Um zu einem endgültigen Ergebnis zu kommen wollen wir den Versuch noch mehrfach reproduzieren. Wir werden Ihnen die Ergebnisse auf dem Wettbewerb präsentieren.
Abb. 4.5: Übergang zwischen Linien- und kontinuierlichem Spektrum
Da wir ja jetzt Plasmaspektren aufnehmen konnten, wollten wir auch gezielt Stoffe im heißen Plasma verbrennen und von diesen die Spektren aufzeichnen. Doch wie erzeugt man gezielt ein Plasma? Wir suchten wieder im Internet nach einer Lösung. Wir fanden Hinweise, wie z.B. ein brennendes Streichholz in die Mikrowelle stellen, Alufolie in die Mikrowelle legen, ... Aber in unserem Herd ließ sich so kein Plasma zünden.
Wir wollten schon fast aufgeben, da fiel uns eine altbekannte Informationsquelle ein: Physikbücher!!! Hier fanden wir den Hinweis, dass am Ende eines l/2-Drahtes sehr hohe Feldstärken entstehen. Wenn man diesen noch anspitzt springt hier schnell der zündende Funke über und ein Plasma entsteht. Wir berechneten mit der Formel c=l·f die Wellenlänge der Mikrowellen in unserem Herd (f=2,45 GHz). Als Ergebnis erhielten wir 12,2 cm. Unser Kupferdraht musste also 6,1 cm lang sein. Wir bogen ihn zu einem Ring, sodass die Spitzen sich gegenüberstanden und stellten ihn in die Mikrowelle. Auf Anhieb konnten wir hiermit ein Plasma zünden. Den Plasmaball fingen wir in einem feuerfesten Glas auf (siehe Abbildung 5.1).
Abb. 5.1: Wie wir ein Plasma gezielt erzeugt und aufgefangen haben
In der verbleibenden Zeit wollen wir noch neue Versuche machen. An erster Stelle versuchen wir jedoch die Aufzeichnung von Spektren noch zu verbessern.
| 1. Bader, Franz | Dorn - Bader, Physik 12/13 Schroedel-Verlag, Hannover, 2000 |
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| 2. Chmela, Harald | Experimente mit Hochfrequenz Franzis-Verlag, Poing, 2000 |
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| 3. Grehn, J. / Krause, J. | Metzler Physik Schroedel-Verlag, Hannover 1998 |