Fred
Alter: 20
Hier seit: 24.09.2006
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Wohnort: Steinau
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Dies war ein Unterrichtsprojekt mit folgender Thema:
Aufgabenstellung: Ein eigenständiges wissenschaftliches Projekt entwickeln, Versuche durchführen, Messreihen aufstellen und das ganze schriftlich auswerten.
Zielsetzung unseres Projektes: Bau einer kleinen funktionstüchtigen Gasentladungsröhre die mit einer ungefährlich schwachen Hochspannung auskommt und Untersuchung der Selben auf ihre Eigenschaften.
Ich danke Nils und Juli, die meine Mitarbeiter bei diesem Projekt waren.
Sicherheit:
Ich weise hier darauf hin, dass für eventuelle Schäden die durch den Nachbau unseres Versuches entstehen KEINE Haftung übernommen wird. Dieser Versuch wurde mit gesicherten Apparaten unter Aufsicht eines Lehrers durchgeführt, sollten nicht die richtigen (sicheren) Apparaturen zur Verfügung stehen so rate ich dringend von der Durchführung dieses Versuchsaufbaus ab. Außerdem rate ich sich über die verwendeten Gase zu informieren (sie können giftig sein oder gefährliche Strahlung erzeugen).
In diesem Versuch können je nach Arbeitsweise gefährliche Spannungen und Strahlungen auftreten!
Material:
● Verschiedene Glasröhren
● Schmelzklebstoff zum Abdichten
● Kupferdraht
● Vakuumfesten Adapter „Quickfit“
● Glyzerin zum Abdichten
● Kolbenprober
● versch. Gase
● Vakuumpumpe „Leybold Drehschieber-Vakuumpumpe S 1,5“
● Hochspannungstrafo 5KV DC (maximal 2mA)
● Glasschneider
● Spektrometer mit Kamera zur Auswertung
● Geregeltes Stromversorgungsgerät für Gleich- und
Wechselspannung
● Elektromagnet
● Gashahn
Versuchsaufbau und Durchführung:
Zuerst wurden die Glasröhren zugeschnitten: Zwei mit dem Durchmesser 4mm wurden auf ca. 5,5cm und eines mit dem Durchmesser 12mm auf ca. 10cm Länge. Nun wurde auf die dünnen Röhren kleine Knäuele aus Cu-Draht mit Anschlussdraht geklebt. Dies wurde dann beidseitig ca. 2cm in die Hauptröhre geschoben und mit Schmelzklebstoff abgedichtet. Nach dem Erkalten wurde ein Vakuumadapter auf das eine Ende angeschlossen, das andere Ende wurde abgedichtet. Danach wurde die Apparatur evakuiert und die lecken Stellen zugeschmolzen (das ist der Vorteil des Schmelzklebstoffes er lässt sich noch bearbeiten durch bloßes anschmelzen).
Die fertige Apparatur sah ohne Vakuumadapter so aus:
Ist nun alles ordentlich zusammengebaut und auf alle Sicherheitsvorkehrungen (Hochspannungstrafo auf aus und alle Drähte sicher verlegt) geachtet, so wird die Vakuumpumpe angeschaltet, was beim ersten Mal hinter einer Schutzscheibe geschehen sollte, die Röhre könnte ja aufgrund von Beschädigungen implodieren. Geschieht dies innerhalb der ersten Minuten nicht, so kann man sich realtiv sicher sein, dass die Röhre das Vakuum überstehen wird und man kann nun ohne Schutzscheibe experimentieren. Dazu entfernt man zuerst die Dichtung am anderen Ende der Röhre (wenn es jetzt zischt und die Pumpe lauter wird, ist das ein gutes Zeichen, das zeigt das die Röhre dicht ist) und klebt den Glashahn, mit ihm kann nun beliebig das Gas gewechselt werden. Zuerst lässt sich auf die Gasfüllung aber verzichten. Jetzt kommt der „große Moment“ man dreht den Hochspannungstrafo auf 5kV auf, ist die Röhre dicht wird sie nun nach kurzer Zeit zünden und nach kurzem Flackern leuchten, wobei die Spannung wegen der 2mA Begrenzung auf 400V zusammenbricht. Nun wird die Pumpe abgestellt und beobachtet was beim Absinken des Vakuums geschieht. Sobald die Endladung abbricht, was wegen der allgegenwärtigen Undichtigkeit nach spätestens 2min geschehen ist, wird die Vakuumpumpe wieder eingeschaltet. In der Zeit, in der sich das Vakuum wieder aufbaut wird der Elektromagnet an das geregelte AC/DC Netzteil
angeschlossen. Mittlerweile sollte wieder eine Entladung stehen, nun wird mit verschiedenen Parametern des Vakuums, der Spannung an der Röhre und an dem Elektromagneten experimentiert. Zum Schluss wird die Röhre mit verschiedenen Gasen gefüllt und die Leuchtspektren untersucht.
Hier ein Bild vom Versuchsaufbau im Betrieb.
Ein (schlechtes) Versuchsvideo ist  hier zu sehen, hat nen Kollege gemacht 
Erklärung Beobachtungen, allgemeine Erläuterungen und Auswertung:
Die Erklärung, sowie das gesamte Protokoll sind hier einzusehen.
Wir haben uns aus drei Gründen für ein Kupfeknäul als Elektrode entschieden:
1. Es ermöglicht einen geringeren Innenwiderstand durch die breitere Entladungsfläche die schöner zu beobachten ist.
2. Dadurch schmelzen die Elektroden nicht so stark ab, wie es bei unseren Versuchen mit einfachem Draht war.
3. Durch den niedrigen Innenwiderstand senkte sich die minimale Betriebsspannung, wodurch unser Versuch sicherer wurde und wir einen kleineren, genaueren Trafo verwenden konnten.Der Schmelzklebstoff bot zum einem den Vorteil, das er durch Hitze nachkorrigierbar ist und zum anderen, das sich wegen der Weichheit des Materials die Apparatur durch den äußeren Überdruck selbst abdichtete.
Nun möchte ich den Gasentladungsvorgang an sich beschreiben.
Zuallererst müssen sich durch die hohe Feldstärke Elektronen aus dem –Pol lösen und zum +Pol wandern, dabei werden sie jedoch von Gasmolekülen aufgehalten, deswegen ist Luft auch unter
normalen Umständen kein Leiter, dies änderst sich jedoch, wenn die Anzahl der Gasmoleküle durch auspumpen verringert wird und die Feldstärke durch Verwendung eines Hochspannungstrafos
erhöht wird, nun kann können einzelne Elektronen von – nach + wandern, gleichzeitig passieren zwei Dinge:
1. Manche Elektronen des Stromes prallen auf Gasatome die nun als ionisierte Ladungsträger sich im Strom bewegen können. Auf die Eigenschaften als Ladungsträger wird noch eingegangen.
2. Durch die dabei freiwerdende Energie werden die Hüllenelektronen der Atome angeregt, dieser zustand ist jedoch sehr instabil, beim Zurückfallen desselben werden Photonen freigesetzt. Da diese Elektronen bei jedem Element anders angeordnet sind entsteht charakteristische Strahlung.Das Aussehen einer solchen Entladung variiert sehr stark unter Einfluss von Druck und Spannung. Zuallererst sieht man blos einen dünnen Lichtbogen, da noch so viele Gasatome da sind, das nur eine feine Linie Angeregt werden kann, die Dicke dierser Linie wird bei höherer Spannung größer. Sind etwas weniger Atome vorhanden, so ist eine scheibchenartige Entladungsfläche zu sehen. Sind nurnoch wenige Atome vorhanden leuchtet der gesamte Raum zwischen den Elektroden (bis auf die ersten mm am Minuspol, hier findet nur ein leichtes Glimmen statt, weil dort noch nicht genug Anregung stattgefunden hat). Pumpt man nun noch weiter verschwindet das leuchten Langsam, da keine Gasatome mehr vorhanden sind, die angeregt werden können, nun treffen immer mehr Elektronen ungebremst auf dem Pluspol auf, dies hat zufolge das durch die plötzliche Abbremsung sogar Röntgenstrahlung freiwird, was sich durch eine schwache grüne Fluoreszenz am Glas des Pluspols bemerkbar macht, sie ist jedoch
extrem schwach und deswegen relativ ungefährlich.Die Plasmawolke beinhaltet Ladungsträger, welche sich
magnetisch beeinflussen lassen. Dies haben wir in einem Video dokumentiert:
http://de.youtube.com/watch?v=P7JBPBLMUhY
Ein letztes Problem haben wir leider nicht beseitigen können:Wir haben keine brauchbaren Spektren erhalten, sie sahen alle gleich aus, dies ergibt sich aus dem Problem das unser ungenaues Spektrometer bloß sehr kräftige Linien zeigt, diese waren wegen der allgegenwärtigen Verunreinigung unserer Gase alle gleich, wie Internetrecherche ergab sind die charakteristischen Unterschiede bloß bei sehr reinen Gasen sichtbar und auch nur dann, wenn man es mit einem genauem Spektrometer betrachtet, was leider sehr teuer ist und uns somit nicht zur Verfügung stand. Unsere anderen beiden großen Probleme: Die Vakuumfestigkeit und die Gefährlichkeit konnten wir lösen, dadurch das wir hochwertige Bauteile verwendeten, ein gesichertes Netzteil und sehr genau
gearbeitet haben. Der Braune Niederschlag am Pluspol ist übrigens resublimiertes Kupfer, das zeigt, wie extrem heiß solch ein Plasma aufgrund der hohen Teilchengeschwindigkeit, Reibung und freiwerdender Energie ist (die drei Dinge gehen einher).Mit diesem Versuch konnten wir uns sehr leicht und spielerisch in die Grundsätze von Atom- und Quantenphysik einarbeiten. Dieser Versuch lehrt mit seinen mannigfachen, aber durch Überlegen zu lösenden, Problemen, den vielen Dingen die es zu beobachten und zu dokumentieren gibt sehr Praktisch die Grundlagen des
naturwissenschaftlichen Arbeitens. Wir sind gerne bereit unsere Röhre und/oder dieses Protokoll dem Physikunterricht zur Verfügung zu stellen. Der gesamte Versuch ist aber wegen seines enormen Umfangs eher als Projekt- oder Heimarbeit geeignet.
Grüße
Fred
Viel Spass beim Nachbasteln
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Zuletzt bearbeitet von Fred am 25/4/2009, 00:27, insgesamt 12-mal bearbeitet |
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