Das Elektromagnetische Auto

 Das Elektromagnetische Auto Tom Herz & Sam Herz Concours Jonk Fuerscher 2016 LAML 1 Einführung Heutzutage findet man im Netz und in den Medien eine große Anzahl von Vorträgen, Statistiken, möglichen Zukunftsvisionen und Debatten über das Thema Erdöl. Obwohl es sehr schwierig ist genaue Daten zu ermitteln wie viel und wie lange man von diesem Fossilen Brennstoff noch der Erde abgewinnen kann, so ist jedoch gewiss, dass es immer schwieriger wird dieses schwarze Gold der Erde zu entnehmen, die Kosten steigen ins Unermessliche. Die meisten Kraftfahrzeuge wie zum Beispiel das Auto werden mit Benzin-­‐ beziehungsweise Dieselmotoren angetrieben. Obwohl ein mit Dieselmotor angetriebenes Fahrzeug bis zu 30% weniger Kraftstoff verbraucht und 10-­‐ 15 % weniger CO2-­‐ Emissionen ausscheidet als ein mit Benzinmotor angetriebenes Fahrzeug, so scheidet im Gegenzug ein Benziner weniger Stickoxid-­‐ Emissionen aus und ist weniger raffiniert. Diese CO2-­‐ und Stickoxid-­‐ Emissionen führen wiederrum zu schwerwiegenden Umwelt-­‐, Klimatischen und Gesundheitlichen Schäden. Trotz der stetig weiterentwickelten ‚umweltfreundlicheren Motoren „die laut den Herstellern weniger Emissionen ausscheiden sollen“, sind Diesel und Benzin Kraftfahrzeuge keine Option für die Zukunft. In den letzten Jahren versuchen Wissenschaftler in aller Welt andere umweltfreundlichere und billigere Energieträger zu finden. Es ist die Rede von Hybrid-­‐, Elektro-­‐ und Wasserstoffangetriebenen Autos. Obwohl ein Wasserstoffangetriebenes Fahrzeug sehr lukrativ, effizient und umweltfreundlich wäre, wagen die Autohersteller diesen Weg aus einem guten Grund nicht, denn ein Wasserstoffantrieb ist sehr leicht entzündlich und explosiv. Anschließend muss man für die Herstellung von Wasserstoff durch die Elektrolyse Nuklear-­‐ oder Verbrennungskraftwerke benutzen. Obwohl man dieses Problem bei den Hybrid-­‐ und Elektroautos nicht wiederfindet und wir sie langsam aber sicher immer häufiger auf unseren Straßen sehen, haben auch diese Autos handfeste Nachteile. Das Elektro-­‐Auto scheidet zwar keine CO2-­‐ und Stickoxid-­‐ Emissionen aus, jedoch ist die Herstellung und Verarbeitung dieser Batterie sehr Umwelt-­‐ und Gesundheitsschädlich. Die Reichweite eines Elektroautos ist deutlich niedriger. Bei einem BMW i3 findet man eine Reichweite bei 23°C von 145 Kilometer und bei einem VW E-­‐Golf eine Reichweite von 141 Kilometern. Lediglich der „Tesla Model S“ kann mit einer Reichweit von 342 Kilometern überzeugen. Bei den Hybrid-­‐Autos findet man dieses Problem nicht, da sie mit Benzin und einer elektrischen Batterie angetrieben werden. Jedoch stoßen die Hybrid-­‐Autos CO2-­‐ Emissionen aus und das Problem mit der Herstellung der Batterie bleibt. Mit der Erkenntnis das es heutzutage kein optimales Prinzip in der Autoindustrie gegenüber Leistungsfähigkeit und Umweltfreundlichkeit gibt haben wir die Idee, dass man mit der Anziehungskraft von Magneten beziehungsweise Elektromagneten einen neuen Autoantrieb erschaffen könnte, den es derzeitig noch nicht gibt. Wir versuchen nun diese Idee zu beweisen. 2 Elektromotor Aufbau Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, man spricht von einem Drehmotor. Ein Elektromotor, in unserem Fall ein Gleichstrommotor oder Kommutatormotor besteht aus einer Welle, ein stabförmiges Machinenelement, die zur drehbaren Lagerung des Rotors dient. An dieser Welle befestigt findet man einen Kommutator oder Stromwender, der zur Umpolung im Elektromotor dient, und zwei entgegenstehende Bürsten. Diese Bürsten sind an verschiedenen Anschlussklemmen verbunden, die wiederrum an der Stromquelle. Der bewegliche Teil des Motors, der Rotor auch Läufer oder Anker genannt, wird an seiner Mittelachse von der Welle gehalten und ist von einer Spule von mehreren Windungen umwickelt. Um den Rotor findet man zwei unterschiedliche polarisierte Statoren, die meistens Dauermagnete sind und dadurch ein konstantes Magnetfeld erzeugen. Funktionsweise Damit der Elektromotor anfängt zu drehen stellt man die Stromrichtung so ein, dass die Polung des Rotors unterschiedlich ist gegenüber den Statoren. Da sich der bewegliche Rotor und die festen Statoren abstoßen, beginnt sich der Rotor zu drehen. Damit dieser nicht nach einer halben Umdrehung wieder aufhört zu drehen, da dann die Polung des Rotors mit den Statoren die Gleiche wäre und es zu einer Anziehung führe, behilft man sich einem Kommutator. Dieser ermöglicht der Stromrichtung eine blitzschnelle Umschaltung, was dazu führt das sich die unterschiedlichen Polungen der beiden Seiten des Rotors verändert beziehungsweise vertauschen. Dies führt dazu, dass der Rotor wieder eine unterschiedlichere Polung auf seinen beiden Seiten hat wie die Statoren und dadurch wieder dreht. Vergleich (Bei dem Prinzip unsere Autos benutzen wir nicht die Eigenschaften des Abstoßens von zwei gleichen polenden Objekten, sondern dessen Anziehungskraft. Die Fortbewegung des Autos entsteht bei uns nicht durch eine Drehung des Rotors, wie es der Fall bei einem Elektromotor ist, sondern durch das Anziehen von zwei Spulen, die sich in unserem Auto befinden. Wie beim Elektromotor arbeiten wir auch mit einer Stromquelle, jedoch ohne einen Kommutator.) Anders als bei unserem Prinzip, werden die Spulen nicht in eine rotierende Bewegung versetzt, sondern nehmen einen festen Sitz ein. Ansonsten ist das Prinzip des Elektromotors ähnlich dessen eines Linearmotors. Beim Elektromotor drehen sich die Rotoren (Spulen) um ihre eigene Axe und beim Linearmotor bewegen sie sich geradlinig auf einer Geraden. 3 Magnetschwebebahn Aufbau Die Magnetschwebebahn oder der Transrapid bewegt sich ausschließlich durch Elektromagnetismus und basiert sich auf das Prinzip des Linearmotors. Am Fahrwerk werden in Dreierpaketen Elektromagneten, genauer gesagt Statorspulen, angebracht. An der Magnetschwebebahn befestigt findet man unter den Staturspulen als Ankermagnete wirkende Tragmagnete und an den Seiten Führmagnete wieder. Die Führmagnete dienen zur Stabilisierung und halten die Magnetschwebebahn in der Spur. Funktionsweise Damit der Transrapid sich fortbewegt, ziehen sich die Tragmagnete und Staturspulen an und mit Hilfe eines elektronischen Regelsystems stellt man sicher, dass das Fahrzeug einen regelmäßigen Abstand von 10 Millimeter über der Schiene behält. Dadurch wird ein Wanderfeld erzeugt was die Fortbewegung des Transrapids ermöglicht. Da die Magnetschwebebahn nicht ein eigenes Motorsystem im inneren seines Gehäuses besitzt, findet man den Antrieb als Linearmotor im Fahrweg wieder. Dadurch wird die Beschleunigung und Bremsung nicht vom Fahrzeug ausgeführt, sondern durch die Frequenz und Stärke der Statoren erzeugten Wanderfeldes. Um die Energiekosten zu verringern werden lediglich nur die Statorenspulen angeschaltet, die sich gerade unter dem Transrapid befinden. Vergleiche Bei unserem Prinzip würde das Autos nicht über den Straßenbelag schweben. Unser Prinzip wäre wie der Transrapid auch auf dem Prinzip des Linearmotors aufgebaut. Nur das unser Prototyp viel weniger Magneten zur Fortbewegung benötige, da man nur 2 Spule und Magnete auf der Straße benötigte. Anders wie beim Transrapid, werden nur die beiden Spulen in unserem Prototyp eingeschaltete, bei den rechtlichen handelt es sich um Permanentmagneten. Der Vorteil ist, dass man viel weniger Permanentmagnete benötigt und da man nur 2 Spulen ein-­‐und ausschalltet benötigt man eine viel einfache Elektronik. Zusätzlich, da unser Prototyp nicht schwebt, braucht man keine Schienen zu errichten, sondern es reicht einzelne Magneten, in einem bestimmten Abstand zu einander, unter den Asphalt zu platzieren. (Dadurch jedoch produziert unser Prototyp einen Kontakt zwischen den Rädern und der Straße und Energie wird in Wärme verloren und es entsteht eine Bildung von Verschleiß.) 4 Methode und Ergebnisse Teil 1: Untersuchung des Magnetfeldes einer Spule Experiment 1: Untersuchung der Stärke des Magnetfeldes im Vergleich zu der Stromstärke des Stroms und der Anzahl der Windungen Material: -­‐2 x Spulen bestehend je aus: * 1 x Plastikbobine * Kupferlackdraht (Durchmesser: 0,40mm) * 1 x Eisenkern (Eisenschraube: Länge 55mm; Breite 5mm) * 1 x Kunststoffmutter -­‐1 x Büroklammer (Länge: 26mm) -­‐1 x Transformator -­‐2 x Krokodilkabeln Versuchsaufbau: Zwei Spulen unterschiedlicher Windungszahlen werden von unterschiedlich starken elektrischen Strömen durchflossen. Eine Büroklammer (z.B.) wird mit der Hand dem unteren Ende der Spulen über alle Versuche genähert. 5 Versuch: Versuch 1: Eine Spule, ohne Eisenkern, mit 70 Windungen wird von einem Strom I= 1 A durchflossen. Ergebnis: Die Büroklammer wird nicht angezogen. Versuch 2: Der Gleichstrom wird erhöht, so dass die Spule jetzt von einem Strom I= 2,1 A durchflossen wird. Ergebnis: Die Büroklammer wird sehr leicht von der Spule angezogen. Versuch 3: Eine Spule, ohne Eisenkern, mit 1200 Windungen wird von einem Strom I= 0,2 A durchflossen. Ergebnis: Die Büroklammer wird nicht angezogen. Versuch 4: Eine Spule mit 1200 Windungen wird von einem Strom I= 0,5 A durchflossen. Ergebnis: Die Büroklammer wird sehr leicht angezogen. Versuch 5: Die Spule, mit Eisenkern, 70 Windungen wird von einem Strom I= 0,9 A durchflossen. Ergebnis: Die Büroklammer wird angezogen. Versuch 6: Die Spule, mit Eisenkern, mit 1200 Windungen wird von einem Strom I= 0,15 A durchflossen. Ergebnis: Die Büroklammer wird angezogen. Spule mit Windungen Kern Stromstärke I in Ampere A Resultat 70 / 1 70 / 2,1 sehr leicht angezogen 70 Eisenkern 0,9 angezogen 1200 / 0,2 nicht angezogen 1200 / 0,9 sehr leicht angezogen 1200 Eisenkern 0,15 angezogen nicht angezogen Erkenntnis: Die Stärke des Magnetfeldes einer Spule ist abhängig von: -­‐der Anzahl der Windungen der Spule -­‐Stärke des Stroms (Stromstärke I in Ampere), die die Spule durchzieht -­‐der Existenz und Material eines Kerns 6 Erklärung: Diese Erkenntnis ist zurückzuführen auf das Prinzip des Elektromagnetismus. Durch die Zufuhr von Strom erzeugt eine Spule (mit oder ohne Kern) wie Permanentmagneten ein Magnetfeld. Dabei ist das Magnetfeld im Inneren der Spule homogen und die Feldlinien, die von einem Ende zum anderen Ende (Nord-­‐zum Südpol) der Spule wandern, ziehen sich wie Schleifen um die gesamte Spule und hüllen so wie beispielsweise die Erdkugel, die Spule mit einem unsichtbaren Magnetfeld ein. (Die Spulen verhalten sich wie Permanentmagneten. An den Enden ist das magnetische Feld am stärksten.) (Zeichnung: Tom Herz) Genauer erklärt, durch die Elektronenbewegung in einem stromdurchflossenen Leiter, in unserem Fall der Kupferdraht, bildet sich ein Magnetfeld 𝐵 (magnetische Flussdichte), um den Leiter herum. Die Stärke B dieses Magnetfeldes (magnetische Flussdichte) ergibt sich aus dem Produkt der elektrischen Stromstärke I des Stroms und der Anzahl der Windungen N. Die magnetische Flussdichte B ist eine physikalische Größe, die die Stärke des Magnetfelds im Inneren einer Spule bestimmt. Die Formel lautet, für eine Spule ohne Eisenkern: !∗!
𝐵 = 𝜇! ∗ ! Wobei: -­‐Magnetische Flussdichte B in Tesla T -­‐Magnetische Feldkonstante 𝜇! : 𝜇! = 4𝜋 ∗ 10!! H/m in Henry pro Meter 7 Da das Magnetfeld einer Luftspule oft nur eine geringe Flussdichte B aufweist, gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, das Magnetfeld einer Spule zu verstärken. Wie wir bereits wissen, wird die Stärke des Magnetfeldes einer Spule durch die Anzahl der Windungen N und der Stromstärke I beeinflusst. Die andere Möglichkeit um das Magnetfeld einer Spule zu verstärken, ist die Einfuhr eines Kerns in das Innere der Spule (Versuch 5 und 6). Die Spulenkerne haben die Aufgabe die Induktion (auf die wir im 2. Teil eingehen werden) einer Spule zu verstärken oder zu verringern. Dabei ist keine Erhöhung der Windungsanzahl oder der Stromstärke des Gleichstroms notwendig. Der Grund ist die relative magnetische Permeabilitätszahl 𝜇! ,eine dimensionale Materialkonstante die das Magnetfeld einer Spule um einen gewissenen Faktor erhöht. Man unterscheidet zwischen: -­‐𝜇! < 1 diamagnetischen Materialien 𝐵 < 𝐵! -­‐𝜇! > 1 paramagnetische Materialien 𝐵 > 𝐵! -­‐𝜇! ≫ 1 ferromagnetische Materialien 𝐵 ≫ 𝐵! Diamagnetische und paramagnetische Materialien werden in der Regel nicht als Spulenkerne genutzt, da diese Materialien nur eine leichte Änderungen des Magnetfeldes hervorbringen. Der Grund für diese geringführende Wirkung ist, dass die Permeabilitätszahlen von dia-­‐und paramagnetischen Materialen fast den gleichen Wert besitzen wie die Permeabilitätszahl des Vakuums (𝜇! !"#$$% = 1). Da diamagnetische Materialien, wie z.B. Glas (𝜇! !"#$ = −1,3 ∗ 10!! ), eine Permeabilitätszahl besitzen, die kleiner ist als 1, schwächen diese das Magnetfeld der Spule. Paramagnetische Materialien, wie z.B. Platin (𝜇! !"#$%& = 36 ∗ 10!! ) hingegen verstärken es um einen Bruchteil. Anders sieht es bei den ferromagnetischen Materialien aus, die das Magnetfeld einer Spule um ganze Größenordnungen verstärken können, da ihre Permeabilitätszahlen um ein vielfaches höher sind als die des Vakuums. Beispielsweise variiert die Permeabilitätszahl verschiedener Eisensorten zwischen 600 und 5500. Es gibt daher bei ferromagnetischen Materialien, wie Eisen, keine festen Materialkonstanten. Wir arbeiten mit einer Permeabilitätszahl von Eisen, die 𝜇! !"#$% = 1600 beträgt, die wir experimental für unsere Schraube bestimmt haben. Die Formel der magnetischen Flussdichte B, für eine Spule mit Kern, lautet: 𝑁∙𝐼
𝐵 = 𝜇! ∗ 𝜇! ∗
𝑙
Wobei: -­‐Magnetische Flussdichte B in Tesla T -­‐Magnetische Feldkonstante 𝜇! 1: 𝜇! = 4𝜋 ∗ 10!! H/m (Henry pro Meter) -­‐Permeabilitätszahl 𝜇! eines Materials 1
Die magnetische Konstante 𝜇! gibt das Verhältnis zwischen der magnetischen Flussdichte 𝐵! und der magnetischen Feldstärke 𝐻! im !
Vakuum an, 𝜇! = ! . !!
8 Experiment 2: Magnetische Anziehungskraft F einer Spule entsprechend der Stromstärke I Material: -­‐1 x Spule mit Eisenkern (1200 Windungen) -­‐1 x Waage -­‐1 x Eisenwürfel (Masse =55,1g) -­‐1 x Stativ mit Greifzange -­‐1 x Holzstück -­‐2 x Krokodil Kabel -­‐2 x Kabel -­‐1 x Multimeter -­‐1 x Transformator -­‐1 x Messschieber Versuchsaufbau: Zuerst wird ein Stromkreis mit unserer Spule und dem Transformator, der für die Stromzufuhr benötigt wird, aufgestellt. Damit wir später die exakte Stromstärke I des Stroms bestimmen können, wird ein Multimeter an den Transformator angeschlossen. Dank der Krokodilklemmen wird unsere Spule mit diesen verbunden. Dann wird der eigentliche Versuch aufgebaut. Unsere Spule wird in eine Greifzange platziert, welche an einem Stativ befestigt ist, so dass die Spulenden vertikal zum Boden gerichtet sind. Unter unserer Spule wird eine Waage gestellt, auf der sich ein rechteckiges Holzstück befindet. Auf dieses Holzstück wir jetzt ein kleiner Eisenwürfel von 55,1 g so platziert, dass ein Abstand von ein paar Millimeter zwischen diesem und der Spule ist. Da durch das magnetische Feld der Spule, nicht nur Kräfte auf den Eisenwürfel wirken, sondern auch auf die Waage, was zu falschen Daten der Masse führt, benutzen wir ein nicht ferromagnetisches Material, hier Holz, zwischen der Waage und dem Eisenwürfel, um dies zu verhindern. 9 Schaltkreis des Versuchsaufbaus
Ergebnis: Während des ganzen Versuchs blieb der Abstand zwischen dem Eisenwürfel und der Spule gleich. Nur die Stromstärke I des Gleichstroms, welche die Spule durchfließt, wurde stetig erhöht. Die dadurch resultierenden Daten auf unserer Waage der Masse m des Eisenwürfels werden in die Gewichtskraft P umgewandelt um dadurch die magnetische Anziehungskraft F der Spule zu bestimmen. Formel: 𝑀𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒 𝐴𝑛𝑧𝑖𝑒ℎ𝑢𝑛𝑔𝑠𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡 𝐹 = 𝐺𝑒𝑤𝑖𝑐ℎ𝑡𝑠𝑘𝑟𝑎𝑓𝑡 𝑃 = 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑚 ∙ 𝐸𝑟𝑑𝑏𝑒𝑠𝑐ℎ𝑙𝑒𝑢𝑛𝑖𝑔𝑢𝑛𝑔 𝑔 Bemerkung: Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Masse m in unserem Fall dem virtuellen Masseverlust unseres Eisenwürfels entspricht, die durch die Anziehungskraft der Spule entsteht. Bei dem Masseverlust handelt es sich um negative Werte. Bei der magnetischen Anziehungskraft F in Newton N hingegen handelt es sich um positive Werte. Wobei: -­‐Magnetische Anziehungskraft F in Newton N -­‐Masseverlust m des Eisenwürfels in Gramm g -­‐Erdbeschleunigung g in Newton durch Kilogramm N/kg (Wert: 9,81 N/kg) 10 Stromstärke I Masseverlust m in Ampere A in Gramm g 0,000 0,100 0,200 0,298 0,404 0,500 0,600 0,702 0,800 0,899 1,00 0,0 0,0 -­‐0,4 -­‐1,4 -­‐2,4 -­‐3,6 -­‐4,7 -­‐5,6 -­‐6,8 -­‐7,5 -­‐8,2 Masseverlust m Magnetische Anziehungskraft F in Kilogramm kg in Newton N 0,0000 0,0000 0,0000 0,0000 -­‐0,0004 0,0039 -­‐0,0014 0,0137 -­‐0,0024 0,0235 -­‐0,0036 0,0353 -­‐0,0047 0,0461 -­‐0,0056 0,0549 -­‐0,0068 0,0667 -­‐0,0075 0,0736 -­‐0,0082 0,0804 magneWsche AnziehungskraX F in newton N Graphische Darstellung von der magneWschen AnziehungskraX F entsprechend zu der Stromstärke I 0.0800 0.0700 0.0600 0.0500 0.0400 F=f(I) 0.0300 0.0200 0.0100 0.0000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Stromstärke I in Amper A Beobachtung und Schlussfolgerung: Da es sich bei unserer Spule nicht um eine lange Zylinderspule handelt, können wir keine Proportionalität zwischen der magnetischen Anziehungskraft F und der Stromstärke I erkennen. Deshalb verläuft keine gerade Linie durch all unsere Messpunkte. Die Messpunkte auf unserem Diagramm befinden sich eher auf einer linearen Linie. Dadurch können wir jedoch schlussfolgern, dass mit ansteigender Stromstärke I das Magnetfeld unserer Spule auch stärker wird. 11 Experiment 3 : Magnetische Anziehungskraft F einer Spule entsprechend der Distanz d Ergebnis: Dank eines Messschiebers und 10 Metallplatten, von einer Höhe von je 1 mm, wurde der Abstand zwischen dem Spulende und dem Eisenwürfel über das ganze Experiment hin bestimmt. Die Stromstärke I, die 0,5 Ampere A betrug, war während des ganzen Experiments gleichgeblieben. Distanz d in mm 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Masseverlust m in Gramm g -­‐0,9 -­‐1,0 -­‐1,4 -­‐1,5 -­‐2,2 -­‐3,3 -­‐3,8 -­‐5,2 -­‐8,3 -­‐10,6 Masseverlust m in Kilogramm kg -­‐0,0009 -­‐0,0010 -­‐0,0014 -­‐0,0015 -­‐0,0022 -­‐0,0033 -­‐0,0038 -­‐0,0052 -­‐0,0083 -­‐0,0106 12 Magnetische Anziehungskraft F in Newton N 0,008829 0,009810 0,013734 0,014715 0,021582 0,032373 0,037278 0,051012 0,081423 0,103986 MagneWsche AnziehungskraX F in Newton N Graphische Darstellung der magneWschen AnziehungskraX F entsprechend zu der Distanz d 0.16 F = 0,1505 d-­‐1,141 R² = 0,93501 0.14 0.12 0.1 0.08 F=f(d) 0.06 Power (F=f(d)) 0.04 0.02 0 0 2 4 6 8 10 12 Distanz d in Millimeter mm Beobachtung und Schlussfolgerung: Im Diagramm erkennt man eine stark abfallende Kurve. Man erkennt, dass bis zu einer Distanz von 3mm zwischen dem Spulende und dem Eisenwürfel, die Kurve rasant abfällt. Von 4mm bis 6mm fällt die Kurve etwas schwächer ab. Aber erst bei einem Abstand von 7mm, fällt die Kurve nur noch geringfügig ab. Dank der angepassten Trendlinie deren Gleichung im Diagramm eine Potenz nahe bei -­‐1 hat (-­‐1,141) können wir schlussfolgern, dass die magnetische Anziehungskraft F unserer Spule umgekehrt mit hoher Wahrscheinlichkeit invers proportional zu der Distanz d ist. Das heißt: 1
𝐹 = 𝑘 ∙ 𝑑
Wobei: -­‐Magnetische Anziehungskraft F der Spule in Newton N -­‐inverse Proportionalitätskonstante k in Nm (Newton-­‐Meter) -­‐Distanz d in Meter m 13 Teil 2: Stromkreislauf Experiment 4: Schaltung mit 2 LEDs Material -­‐1 x Steckplatine -­‐1 x Arduino UNO -­‐1 x 9 Volt Batterie (Alkaline) -­‐2 x LEDs -­‐4 x Breadboard Kabel -­‐1 x 9V Adapter -­‐1 x Widerstand 330Ω Aufbau Zu aller erst, wird der benötigte Sketch per Computer programmiert. Der Sketch 14 Nachdem der Sketch fertig programmiert ist, beginnt der eigentliche Aufbau. Zwei Breadboard Kabel auch genannt „Jumper Wire Bundle (male/male) werden mit dem Arduino Shield (Pin 5 und Pin 6) und der Steckplatine verbunden. Damit die Spannung des Arduino (5 Volt), der durch diese 2 Breadboard Kabel angelegt wird nicht später dazu führt, dass die 2 LEDs durchbrennen, (da sie nur eine Durchlassspannung von 1,7 Volt benötigen), wird ein Wiederstand benötigt. Um einen nicht zu hohen oder niedrigen Widerstand zu benutzen, dar dies ein bedeutender Bestandteil für den Erfolg des Experiments ist, muss man zuerst den Widerstandswert ermitteln. Berechnung des Widerstandswerts Um erfolgreich den Begrenzungswiderstand für eine LED zu ermitteln, wird diese Formel benötigt: 𝑅 = ( 𝑈! − 𝑈! )/𝐼 R ist Widerstand, 𝑼𝑽 ist die Versorgungsspanne, 𝑼𝑫 ist die Durchlassspannung und 𝑰 ist die erforderliche Stromstärke für die LED In diesem Fall ist der benötigte Widerstand: 𝑅 = (5𝑉 − 1,7𝑉)/ 0,01𝐴 𝑅 = 330Ω Der Widerstand beträgt also R = 330Ω (ohm). Zu guter Letzt werden die 2 LEDs mit einem Breadboard Kabel auf ihrer Anoden Seite miteinander verbunden und mit einem weiteren Kabel wird die zweite LED mit dem Arduino verbunden (GND PIN). Nun hat man einen geschlossenes Stromkreislauf. Schaltplan vom Experiment 4 15 Beobachtung Nachdem der Sketch auf dem Arduino hochgeladen wurde, konnte man eine 9 Volt Batterie als Stromquelle benutzen. Nachdem die Batterie an den Arduino angeschlossen wurde, fingen die LEDs nacheinander, in einem Zeitfenster von 1 s, an aufzuleuchten und wieder zu erlöschen. Dieser Vorgang wiederholte sich immer wieder. In Wirklichkeit sollten die 2 LEDs durch 2 Spulen ersetzt werden, die nacheinander in einer bestimmten Zeit ein und ausgeschaltet werden und dadurch ferromagnetische Materialen wie z.B. Eisen (siehe Experiment 1) anziehen. Für dieses Experiment wurden LEDs genutzt, da in Wirklichkeit die Spannung von 5 V zu gering ist um bei den Spulen eine Wirkung zu erzielen. 16 Experiment 5: Schaltung mit einem Mosfet und einer Spule Material -­‐1 x Steckplatine -­‐1 x Arduino UNO -­‐1 x Spule mit Eisenkern (1200 Windungen) -­‐2 x 9 Volt Batterie (Alkaline) -­‐3 x Breadboard Kabel (männlich/männlich) -­‐1 x 9V Adaptor -­‐1 x Mosfet Transistor (TIP120) -­‐1 x Diode (1N4001) -­‐1 x Widerstand 330Ω -­‐1 x Eisenmutter Aufbau Zu aller erst wird der Mosfet Transistor (TIP120), oder auch Darlington – Transistor genannt, in die Steckplatte platziert. Für diesen Versuch benutzen wir dieses Mosfet, da es in der Lage ist, bis zu 5A bei 60V durchzureichen und es mit einer niedrigen Spannung von 0,7V gesteuert werden kann. Dabei ist zu beachten, das die drei Kontakte des Transistors unterschiedliche Funktionen besitzen. Am linken Kontakt befindet sich die Basis (B), in der Mitte der Kollektor (C) und auf der rechten Seite befindet sich der Emitter (E). B C E Jetzt wird die Basis des Mosfet mit dem Pin 5 des Arduino Shield, dank eines Breadboard Kabel, verbunden. Durch die Basis werden die Daten des Sketschs, die auf den Arduino UNO hochgeladen wurden, weitergeleitet und so der Transistor Ein-­‐und Ausgeschaltet. Um den 17 Transformator an der Basis schützen, platziert man noch einen Widerstand von 330Ω zwischen diesem und dem Pin 5.Der Kollektor wird mit der Stromversorgung der 9V Batterie verbunden und durch den Emitter wird der Strom aus dem Mosfet hinausgeführt. Unsere Spule wird jetzt an einem Ende an die positive Seite der 9V Batterie angeschlossen und mit dem anderen Ende an den Kollektor des Mosfets verbunden. Wenn der Mosfet ausgeschaltet wird, wird eine Gegenspannung von unserer Spule kreiert, die für eine kurze Zeit sehr stark ist und unseren Transistor beschädigen kann. Man spricht auch von der Selbstinduktion. Um dies zu verhindern wird eine Diode zwischen dem Transistor und unserer Spule so platziert, dass der Strom nicht über den Transistor hindurchfließt sondern über die Diode wieder zurück in die Spule. Genaueres über die Selbstinduktion. In jeder Spule, die von einem Magnetfeld veränderliche Stärke umschlossen wird, wird eine Spannung induziert, die sich gegen ihre Ursache richtet. In unserem Fall beim Ein-­‐und Ausschalten unserer Spule durch den Transistor bricht das Magnetfeld unserer Spule zusammen und nach dem Selbstinduktionsgesetzt, induziert die Spule sich selbst eine Spannung. Das heißt anders formuliert, dass der Strom nicht schlagartig sich verändert, sondern beim Einschalten und beim Ausschalten sich progressiv verhält. Zum Schluss wird der benötigte Sketch per Computer programmiert. Der Sketch 18 Schaltplan vom Experiment 5 Beobachtung Nachdem der Sketch auf dem Arduino UNO hochgeladen wurde, wurde die Eisenmutter, die sich an einem Ende unserer Spule befand, in einem bestimmten Zeitraum, hier 5 Sekunden, von unserer Spule angezogen und wieder losgelassen. Jetzt braucht man nur noch eine zweite Spule mit dem Arduino UNO Shield auf die gleiche Weise zu verbinden und fertig ist der Antrieb unseres Autos. 19 Diskussion und Zusammenfassung Durch die vorherigen, verschiedenen Experimente wurde belegt, dass sich das Magnetfeld der Spulen stärker aufbaut, wenn sich die Stromstärke I erhöht. Im Gegenzug verringert sich das Magnetfeld einer Spule beim steigendem Abstand rasant. Darstellung unserer Idee (Zeichnung Tom Herz) Wie beim Transrapid werden zwei Spulen nacheinander Ein-­‐ und Ausgeschaltet. Diese Spulen ziehen gegenpolarisierte Magnete, die sich in einem bestimmten Abstand von einander befinden und im Asphalt eingegliedert sind. (Zuerst wird die vordere Spule während einer bestimmten Zeit eingeschalte. Dann wird sie ausgeschaltet und die zweite Spule wird eingeschaltet. Dieses Prinzip wiederholt sich immer wieder.) Im Gegensatz zum Transrapid, wo der ganze Streckenverlauf aus Magneten besteht (Magnetschiene), werden bei unserer Idee Magneten in einem regelmäßigen Abstand voneinander im Asphalt fixiert. Es werden deutlich weniger Permanentmagnete benötigt, was Umweltfreundlicher und Billiger ist. Es müssen auch keine Schienen verlegt werden, wodurch unser Auto mobil wäre. Im Gegensatz zum Elektroauto wäre der Stromverbrauch unseres Autos niedriger. Diese Erkenntnis basiert sich auf den zahlreichen existierenden Studien (siehe Quellen), welche sich auf den Stromverbrauch zwischen dem Transrapid (der auch auf dem Prinzip des Linearmotors basiert) und einem herkömmlichen elektrischen Zug bezieht. Der Stromverbrauch unseres elektromagnetischen Autos würde also theoretisch um einen Faktor weniger Strom verbrauchen als dessen des Elektroautos. 20 Unser elektromagnetisches Auto wäre vor allem in den Städten in naher Zukunft ein denkbares Fahrzeug, da es keine CO2 und Stickoxid -­‐ Emissionen während der Fahrt produziert, weniger Strom verbraucht und die Errichtung unserer Magnetstraße erschwinglich und relativ problemlos wäre. Eine denkbare Alternative zu den bestehenden Elektroautos. Da die Spulen durch einen Microcontroller oder eine Software gesteuert werden und unser Auto auf einer festgelegten Route aus Magneten fährt, ist es sehr denkbar, dass mit unserem Prinzip in naher Zukunft, die Autos nur noch von einem Computer gesteuert werden. Dies würde natürlich das Unfallrisiko minimisieren. In diesem digitalen Netz, kann der Computer rechtzeitig Gefahrensituation erkennen und umgehen und Stau verhindern. 21 Danksagung Wir bedanken uns ganz herzlich für die wertvolle Unterstützung von: -­‐ Herr Claude Schmitz, Physiklehrer im „Lycée Aline Mayerich Luxembourg“ -­‐ Herr Georges Haupt, Technischer Assistent für Physik im LAML -­‐ Herr Philippe Kirsch, Physiklehrer im LAML (Durch ihn haben wir den Microcontroller Arduino kennengelernt) -­‐ Herr Gaston Ternes, Direktor des LAML Ein ganz besonderer Dank geht an unsere Eltern, die uns die ganze Zeit über moralisch unterstützt haben. 22 Quellen -­‐Einleitung, Elektromotor, Magnetschwebebahn: http://www.beobachter.ch/konsum/kauf-­‐leasing/artikel/auto_diesel-­‐oder-­‐benziner/ http://www.t-­‐online.de/auto/alternative-­‐antriebe/id_70376144/elektroautos-­‐so-­‐lange-­‐
halten-­‐tesla-­‐bnmw-­‐und-­‐co-­‐wirklich-­‐durch.html http://motoren-­‐technik.net/aufbau-­‐elektromotor/ 5/2/2016 http://nibis.ni.schule.de/~ursula/Physik/ELehre/Elektromotor.htm 5/2/2016 http://www.physik.wissenstexte.de/elektromotor.htm#funktion 5/2/2016 https://www.klett.de/alias/1022318 8/2/2016 http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/kraft-­‐auf-­‐stromleiter-­‐e-­‐motor/ausblick 8/2/2016 ftp://ftp.beckhoff.com/document/motion/al2000_basics_de.pdf 8/2/2016 -­‐Methode und Ergebnisse (Teil 2: Stromkreislauf): https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/selbstinduktion 27/2/16 Buch: Arduino Workshops, eine praktische Einführung mit 65 Projekten, John Boxall, -­‐Studie Energieverbrauch: http://www.transrapid.de/cgi-­‐tdb/de/basics.prg?a_no=50 28/2/2016 23