Historische Lehrgeräte

Funktionsprinzip

Die Zentrifugalkraft hingegen ist eine Trägheitskraft. Diese Kraft kann von einem außen stehenden Beobachter nicht wahrgenommen werden, wirkt aber ebenfalls auf den obigen Ball. 

Zentrifugalkraft am Beispiel eines Kinderkarussels

Fast jeder saß schonmal in einem Kinderkarussel. Dreht sich das Kinderkarussel so spüren wir die Zentrifugalkraft (lat. fuga = Flucht), die uns nach außen gegen das Geländer drückt. Diese Zentrifugalkraft kann nur in beschleunigten Bezugssystemen gemessen werden. Bei einer Kreisbewegung handelt es sich um eine beschleunigte Bewegung, da sich die Richtung des Geschwindigkeitsvektors laufend ändert. Deswegen können wir bei einer Kreisbewegung die Zentrifugalkraft messen, wenn wir uns innerhalb des beschleunigten Bezugssystems befinden. Wichtig ist: Zentrifugalkraft und Zentripetalkraft sind gleich groß aber entgegensetzt gerichtet. 

Die Funktionsweise eines Fliehkraftreglers ist wie folgt: An einer mit der Winkelgeschwindigkeit ωω rotierenden Drehachse sind zwei Hebel der Länge LL beweglich befestigt, an deren Enden sich zwei Kugeln der Masse MM befinden. Im Abstand aa vom Drehpunkt sind an den Hebeln zwei weitere kurze Stangen der Länge aa befestigt, die einen auf der Achse gleitenden Ring der Masse mm heben oder senken. Je größer die Winkelweite αα zwischen Achse und Hebel, desto höher steigt der Ring, der bei der Dampfmaschine die Dampfzufuhr regelt.

Funktionsprinzip

Das Prinzip einer Mohrschen Waage zum Bestimmen von Dichten beruht auf dem Auftrieb eines Körpers in einer Flüssigkeit. Die Mohrsche Waage ist eine zweiarmige Balkenwaage, an deren einer Seite man an regelmäßigen Abständen Gewichte einhängen kann. Auf der anderen Seite befindet sich ein Gegengewicht, welches so austariert werden muss, dass sich die auf dieser Seite befindlichen Dreiecke auf einer Höhe befinden. Auf der Seite mit den Kerben (zum Einhängen der Gewichte) befindet sich zudem ein Haken, an welchem man einen Tauchkörper befestigen kann. Mit Hilfe zweier Stellschrauben kann man die Waage zudem horizontal ausrichten, während sich der Tauchkörper an Luft befindet.
Im ersten Schritt taucht man den Körper in eine Flüssigkeit bekannter Dichte. Er muss vollständig in diese eingetaucht sein. Da es zum Auftrieb des Körpers in der Flüssigkeit kommt, gerät die Waage aus dem Gleichgewicht. Dieses versucht man auszugleichen, indem man unterschiedlich große Gewichte an den unterschiedlichen Kerben befestigt.
Als nächstes taucht man den zuvor getrockneten Tauchkörper in die Flüssigkeit mit unbekannter Dichte und stellt durch Anhängen geeigneter Gewichte erneut ein Gleichgewicht her. Durch einen Vergleich mit der Messung der Gewichte für die Flüssigkeit mit bekannter Dichte kann man die Dichte der unbekannten Flüssigkeit bestimmen.

Funktionsprinzip

Die Magdeburger Halbkugeln waren ein physikhistorisch bedeutsames Experiment, das der Magdeburger Naturforscher und Bürgermeister Otto v. Guericke Mitte des 17. Jh. hat durchführen lassen, um die Wirkung des Luftdrucks und die Möglichkeit eines Vakuums zu demonstrieren.

Der Aufbau besteht aus zwei hohlen Kupferhalbkugeln mit 42 cm Durchmesser, die sich luftdicht aneinander drücken lassen. Pumpt man den Innenraum mit der ebenfalls von Guericke erfundenen Luftpumpe weitgehend luftleer, erzeugt man also im Inneren ein Vakuum, werden die Halbkugeln durch den äußeren Luftdruck zusammengepresst. Bei dem berühmten Schauversuch von 1657 spannte Guericke an jede Halbkugel je acht Pferde, welche die Halbkugeln nicht voneinander trennen konnten!

Funktionsprinzip

Bandgenerator, Van-de-Graaff-Generator, vom amerikanischen Physiker van de Graaff 1931 entwickelter Hochspannungsgenerator. Der Bandgenerator stellt eine Weiterentwicklung der Influenzmaschine dar. Er nutzt den Effekt, daß sich eine Ladung in einem metallischen Hohlkörper stets auf der Oberfläche verteilt. Ein über zwei Walzen umlaufendes Gummi- oder Nylonband wird an einem Ende über einen Metallbesen oder -kamm mit elektrischer Ladung belegt. Es transportiert diese Ladung in das Innere einer Hohlkugel, wo sie von einem zweiten Kamm wieder abgenommen wird. Die Kugeloberfläche lädt sich elektrostatisch auf und kann ein Potential bis zu 10 MV erreichen. Bei Nennspannungen über 1 MV wird der Bandgenerator in einen mit z.B. Stickstoff gefüllten Druckkessel eingebaut, um Funkenüberschläge zu vermeiden. Der Bandgenerator wird vorwiegend in der Kernphysik als Teilchenbeschleuniger (Bandbeschleuniger, Van-de-Graaff-Beschleuniger) angewendet. Eine Weiterentwicklung ist der Tandembeschleuniger. Die Vorteile des Bandbeschleunigers sind eine leicht und kontinuierlich regelbare Beschleunigungsenergie sowie die hohe Energieschärfe des Teilchenstrahls. Eine Kleinstausführung des Bandgenerators wird für Demonstrationsversuche in der Elektrostatik benutzt.

Funktionsprinzip

Wird ein Körper auf eine schiefe Ebene gestellt, so wird er aufgrund seiner Gewichtskraft FG entlang der schiefen Ebene hangabwärts beschleunigt. Dies lässt sich erklären, wenn man die Gewichtskraft in zwei Teilkräfte (entlang der schiefen Ebene und senkrecht zu ihr) zerlegt denkt:

  • Die Kraft senkrecht zur schiefen Ebene wird Normalkraft FN genannt. Dieser Kraftanteil würde ein Einsinken des Körpers in die schiefe Ebene bewirken, jedoch wirkt bei einem festen Untergrund der Boden aufgrund seiner Starrheit dagegen.
  • Die Kraft parallel zur schiefen Ebene wird Hangabtriebskraft FHA genannt. Dieser Kraftanteil bewirkt eine Beschleunigung des Körpers entlang der schiefen Ebene.

Ist die Hangabtriebskraft groß genug, um die zwischen Körper und schiefer Ebene wirkende Reibungskraft zu überwinden, so beginnt der Körper zu gleiten.

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Schlittenfahren auf einer schiefen Ebene.

Funktionsprinzip

Röntgenstrahlen gehen von derjenigen Stelle innerhalb einer Elektronenröhre aus, an der schnelle Elektronen auf die Oberfläche der Anode prallen. Seit den ersten Untersuchungen von WILHELM CONRAD RÖNTGEN (1845-1923) ist eine Vielzahl von verschiedenen Röntgenröhren entwickelt worden. Alle Röntgenröhren besitzen einen prinzipiellen Aufbau.

Die von der Glühkatode emittierten Elektronen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Da sich die kinetische Energie der Elektronen beim Auftreffen zu einem großen Teil in Wärme umwandelt, sind die betroffenen Bauteile einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Aus diesem Grund werden Röntgenröhren so gebaut, dass die Anode aus Materialien mit möglichst hoher Schmelztemperatur, wie z. B. aus Wolfram, besteht. Dennoch ist in vielen Fällen Kühlung - meist durch Wasser - notwendig.

Durch die Veränderung der angelegten Beschleunigungsspannung kann die Frequenz der Röntgenstrahlen, durch das Regulieren der Katodenheizung die Intensität der Röntgenstrahlung verändert werden. Die üblichen Beschleunigungsspannungen liegen zwischen 10 und 50 kV.

Funktionsprinzip

Aus einer geheizten Kathode treten durch den glühelektrischen Effekt (Glühemission) Elektronen aus. Ein sogenannter Wehnelt-Zylinder rund um die Kathode, der sich ihr gegenüber auf negativem Potenzial befindet, stößt die Teilchen ab und fokussiert die Elektronen dadurch in der Mitte der Anordnung. Ein starkes elektrisches Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt die Elektronen, bevor sie durch das Loch in der Anode austreten. Mit Kondensatorplatten (oder Spulen) lassen sich die Teilchen ablenken. Auf diese Weise ist es möglich, Spannungsverläufe oszillographisch darzustellen oder ein Fernsehbild Zeile für Zeile zu schreiben. Die Elektronen fliegen bis zum Schirm und regen den Leuchtstoff am Auftreffpunkt zum Leuchten an. Die Anordnung befindet sich in einer Vakuumröhre, um zu verhindern, dass die Elektronen mit Gasmolekülen der Luft kollidieren, was den Strahl abschwächen würde.

 

Funktionsprinzip

Im ersten Teil der Schaltung, in der auch die Primärspule des eigentlichen Teslatrafos verbaut ist, wird ein Kondensator oder wahlweise eine Kondensatorbatterie, die Reihen und Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren zunächst einmal auf mehrere Kilovolt aufgeladen.

Man verwendet häufig eine Kondensatorbatterie um die benötigte Spannungsfestigkeit von einigen Kilovolt zu realisieren.

Die Hochspannung von einigen Kilovolt wird mit Hilfe eines „normalen“ Hochspannungstransformators erzeugt. Für eine Funkenstrecke von über einem Meter reicht diese Spannung noch nicht. Sie erreicht jedoch aus, um einerseits den Kondensator auf eine brauchbare Spannung aufzuladen und zweitens eine kleine Funkenstrecke zu zünden.

Mit Hilfe dieser kleinen Funkenstrecke, wird der Kondensator und die Primärseite des Teslatrafos vom Hochspannungstrafo getrennt. Der Kondensator und die Spule bilden anschließend einen Schwingkreis, der aufgrund der kleinen Induktivität der Spule mit hoher Frequenz schwingt.

Man erhält so also eine hochfrequente Hochspannung an der Primärspule.Diese Primärspule ist magnetisch lose mit einer eng gewickelten Sekundärspule gekoppelt.

Eine lose Kopplung bedeutet, dass hier kein Eisenkern verwendet wird, um möglichst alle Magnetfeldlinien durch die Sekundärspule zu schicken. Der Kopplungsfaktor bei einer Teslaspule beträgt nur ca. 10-20 %.

In der Sekundärspule wird durch diese Kopplung eine hochfrequente Wechselspannung induziert.