Seminar und Praktikum zur Didaktik der Physik
Versuchskarte zu experimentellen Themen
 
Datum: 21. Mai 2007

Titel: Barlowsches Rad




unilogo.gof
Versuchsnr.: 02

 

Gruppe: D

DP Physik

 
Achtung! Giftig!

Achtung! Ätzend!

Versuchsaufbauten

mit Parametern












































































Barlowsches Rad: Seitenansicht

Barlowsches Rad: Frontalansicht

Barlowsches Rad: Klemme

Die Spulen sind in Reihe geschaltet und werden von der maximal zulässigen Stromstärke (in diesem Fall 2,5 A) durchflossen. Die Natronlauge sollte bis zum Rand aufgefüllt werden und die Speichen des Rades sollten so tief eintauchen, wie es der Krümmungsradius des Kunststoffnapfes erlaubt.
Geräte
mit Firmenangabe
  • 2 x Labor-Netzgerät mit 32 V, 3 A (regelbar), z. B. EA-PS 2326 oder EA-PS 2323
  • 2 x Kupferdrahtspule (ca. n = 500 Wdg., zulässiger Stromfluss 3 A), z. B. Leybold 562 14
  • Weicheisenkern (z. B. MAE520)
  • 2 x Polschuh (z. B. MAE524)
  • 5 x Anschlusskabel, lang
  • 1 x Krokodilklemme
  • 1 x leicht drehbares Vollrad aus Kupfer od. Aluminium ODER (besser) diskretes Rad aus Messing (vgl. Abb.)
  • 1 x Kunststoff-Napf mit Elektrolyse-Anschlussklemme
  • 1 x Salzlösung, 100 ml (z. B. Schwefelsäure oder NaCl)
  • Zusätzlich: Schraubzwingen, Standfuß, Stativstangen
Durchführung
  • Versuchsaufbau und Netzversorgung gemäß Abb.; der Spalt zwischen den Polschuhen ist möglichst klein zu wählen.
  • Das Rad muss sich in der Aufhängung frei drehen können. Kunststoff-Napf mit Natronlauge oder Kochsalzlösung füllen und Rad so tief wie möglich eintauchen. Nabe des Rades über Krokodilklemme mit Strom versorgen, zweites Kabel an den Elektrolytanschluss des Napfes anschließen. Falls kein Elektrolytanschluss vorhanden, Kabel in die Salzlösung eintauchen und mechanisch fixieren.
  • Achtung: Wenn NaCl-Lösung verwendet wird, werden durch Elektrolyse geringe, aber trotzdem gesundheitsschädliche Mengen Chlor frei. Daher Versuch im Abzug durchführen oder (besser) Natronlauge (NaOH) benutzen, um die Leitfähigkeit des Wassers zu verbessern.
  • Spulen mit Strom versorgen.
  • Elektrolysestrom aufdrehen (ca. 1-3 A beim diskreten Rad, ca. 10 A beim Vollrad). Das Rad sollte sich, ohne angestoßen zu werden, zu drehen beginnen. Im Kunststoff-Napf schäumt die Salzlösung durch freiwerden von H2, O2 und anderen Gasen.
  • Erklärung: Die Elektronen im Rad erfahren eine Lorentzkraft senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung. Durch Reibung an den Atomen des Rades (Drude-Theorie) wird das Rad in Bewegung gesetzt.
  • Am Rad beobachtet man eine Metallabscheidung, z. B. eine grüne Substanz bei Verwendung der NaCl-Lösung und eine dunkelbraune Substanz bei Verwendung von Natronlauge.
Resultate
möglichst quantitative
  • Winkelgeschwindigkeit des Rades ist proportional zum Spulenstrom und zum Elektrolysestrom.
  • Kreuzprodukteigenschaften kann man durch Umpolen demonstrieren.
Bemerkungen
&
Tricks
  • Im Zusammenhang mit diesem Experiment bietet es sich an, auch das Waltenhofensche Pendel vorzuführen. Um die Reibungskraft zu demonstrieren, kann man einen Schüler auffordern, eine Kupferplatte schnell zwischen den Polschuhen durchzuziehen. Der Widerstand und die Abhängigkeit von der Ausführungsgeschwindigkeit sind offenbar.
  • Beim Umgang mit dem Elektrolyt aufpassen: Natronlauge ist ätzend, NaCl-Lösung setzt im Betrieb des Rades Giftgas frei.
  • Quantitative Resultate erzielt man am besten, indem man die Umlaufgeschwindigkeit des Rades mit einer Lichtschranke und einem Zähler misst. Es ist einfacher, bei Variation des Spulenstroms Wertereihen aufzunehmen, da die Variation des Elektrolysestroms nicht zu stromstationären Zuständen führt (freiwerdende Gase bilden mit der Lösung einen Schaum, der das Rad abbremst und den Strom verringert, Schaum fällt ab; dann steigt der Strom wieder an, Schaum baut sich auf usw., d. h. die Stromstärke schwankt sehr stark).
Literatur Friedrich DORN und Franz BADER: Physik Oberstufe, Bd. E. Hermann Schroedel Verlag KG, Hannover 11976, § 29.