Parabolspiegel D = 450 mm PA6039 Parabolspiegel - MSW-Shop

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Lehrwerkstätten und Berufsschule
für Mechanik und Elektronik
CH-8400 Winterthur
Zeughausstrasse 56
Tel. 052 267 55 42
Fax 052 267 50 64
Parabolspiegel D = 450 mm
P A6 0 3 9
Parabolspiegel mit Zubehör, 2 Stück
P A6 0 4 0
Die
Dreieckfüsse
gehören nicht
zur Lieferung!
PA6039
PA6040
PA6040 = 2 x PA6039 plus 1x PA6038
Parabolspiegel bündeln prallel einfallende Strahlung (Wellen) von Licht, Schall, Wärme usw. in
einem Punkt, dem Brennpunkt. Dieser Effekt wird in verschiedenen Versuchen demonstriert:
• Streichholz entflammen
• Wärmestrahlenbild erzeugen
• Wasser erwärmen
• Brennpunkt-Temperatur bestimmen
• Bündelung von Schallwellen
• Erzeugung paralleler Strahlen (Umkehrung)
• Umwandlung von Wärme in mechanische Energie mit dem Stirling-Motor PA6042
Technische Daten von PA6039:
1 Parabolspiegel ø 450 mm, Tiefe = 110 mm, Aluminium glanzgebeizt, mit Bohrung ø 50 mm,
Brennpunkt x = 110 mm
1 Befestigungsflansch inkl. Stativstange L= 450 mm; Flanschbohrung ø 45 mm
Imbusschlüssel, Anleitung
PA6038 Zubehör zu Parabolspiegel:
Wasserbehälter Stahl schwarz mit
Halterung, Teilchenhalter, Stiel mit Griff,
Schallrohr, Reduktionsstück PA6041
PA6038
(wird PA6040 beigelegt)
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
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PA6039/40
Streichholz an Teilchenhalter und Griff
im Flansch mit Reduzierstück
Wasserbehälter an Griff
im Flansch mit Reduzierstück
Lampenfassung PA7697, direkt im Flansch
Halogenlampe PA7698
Stirlingmotor PA6042 direkt montiert
(ohne Flanschstück)
Reduktionsstück
(kann auch als
Einzelteil bestellt
werden: PA6041)
Schallrohr direkt im Flansch
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
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PA6039/40
2.
Inhaltsverzeichnis
1.
Kurzbeschreibung
2.
Inhaltsverzeichnis
3.
Historisches
4.
Funktion
5.
Anwendung
5.1
Allgemeine Hinweise
5.2
Licht- und Wärmestrahlbild am Parabolspiegel
5.3
Energiebündelung im Parabolspiegel
5.3.1
Entflammung eines Streichholzes
5.3.2
Messen der Brennpunkt-Temperatur
5.3.3
Erwärmen von Wasser
5.3.4
Umwandlung von Wärme in mechanische Energie
5.3.5
Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit dem Stirlingmotor
5.4
Schallwellenbündelung im Parabolspiegel
3. Historisches
Nutzunq der Sonnenenergie mit dem Hohlspieqel
Wir brauchen die Sonnenenergie schon längst in den verschiedensten Formen. Da dies aber meist
indirekt geschieht, sind wir uns dessen oft nicht bewusst.
In der Geschichte fehlt es nicht an Versuchen, die Sonnenenergie für irgendwelche Zwecke direkt zu
nutzen.
Archimedes soll 212 v. Chr. bei der Belagerung von Syrakus feindliche römische Schiffe mittels
Brennspiegel auf Distanz in Brand gesetzt haben.
Der deutsche Mathematiker Ehrenfried Walter von Tschrinhaus (1651-1708) schmolz mit einer
Brennlinse von 80 cm Ø keramische Masse.
Laurent Lavoisier erreichte 1772 mit einer Hohllinse Temperaturen bis zu 1773°C. Damit konnten
verschiedene Metalle geschmolzen, ja sogar Platin verflüssigt werden. Dem Franzosen Lavoisier
kommt in der Geschichte der Nutzung von Sonnenenergie deshalb grosse Bedeutung zu, weil er
schon damals darauf hinwies, dass die konventionellen Brennstoffe eines Tages zur Neige gehen
würden und dass man sich aus diesem Grunde der Sonnenenergie zuwenden müsse.
Umweltbewusst äusserte schon er: "Das Feuer gewöhnlicher Öfen ist weniger rein als das der
Sonne".
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4. Funktion
Ein Parabolspiegel ist ein Hohlspiegel mit symmetrischer parabelförmiger Krümmung:
-
Er lenkt parallel zur Spiegelachse einfallende Strahlen durch den Brennpunkt. (1)
Er lässt Strahlen, die durch den Brennpunkt in den Spiegel fallen, parallel zur Spiegelachse
austreten. (2)
1
2
Brennpunkt und Fläche des Spiegels
Der Brennpunkt liegt in der Mitte des Spiegellrand-Kreises.
Brennpunkt
d
x=
Spiegeltiefe 110 mm
d=
Durchmesser 450 mm
Fläche= 0.159m2
x
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5. Anwendung
5.1 Allgemeine Hinweise:
-
Empfindliche Augen während den Versuchen mit Sonnenbrille schützen.
Die bei klarem Himmel auf die Spiegelfläche fallende Sonnenenergie erwärmt im
Brennpunkt 3.5 cm³ Stahl innerhalb 50 sek. von 20 °C auf über 700 °C.
Ist der Himmel bedeckt, so wird mit einem zweiten Parabolspiegel die Sonnenstrahlung
simuliert. Dazu wird im zweiten P-Spiegel eine 250W-Halogenlampe eingesetzt. Die
erreichbare Wärme im bestrahlten P-Spiegel ist vom Abstand der Spiegel abhängig.
Nachstehendes Diagramm liefert Anhaltspunkte. Es wurde ein kaltes (20 °C) Stück Stahl
von 3,5 cm³ bei verschiedenen P-Spiegelabständen während 2 bzw. 5 Minuten erwärmt.
-
Die gemessenen Temperaturen:
Erwärmung einer Stahlscheibe
Stahl Ø 15 x 5 mm= 3,53 cm³
800
°C
Temperatur nach 5 min
700
x
600
500
Temperatur nach 2 min
400
Abstand x [m]
300
0
1
2
3
4
5
6
7
Justierung der Lampenfassung PA7697
Spiegel im Abstand von 1 bis 2 m parallel auf eine weisse Fläche richten. Das Lampenrohr
solange verschieben, bis das Abbild auf der Wand exakt dem Spieigeldurchmesser (450 mm)
entspricht, die Lichtstrahlen verlaufen parallel. Kann das Lampenrohr zuwenig weit
verschoben werden, so muss die Lampenfassung im Lampenrohr selbst verschoben werden.
Lampe vom Netz trennen und Lampe entfernen! Der Keramiksockel mit hartem Gegenstand
(und einiger Kraft) verschieben.
5.2 Licht- und Wärmestrahlenbild am Parabolspiegel
Viele Lichtquellen strahlen Licht und Wärme aus.
Bestrahlen wir den Parabolspiegel mit der Sonne, so erstrahlt ein im Brennpunkt liegender
Körper gleissend hell. Gleichzeitig wird er sehr stark erhitzt.
Frage: Ist die grosse Wärme im Brennpunkt nun eine Folge der stark konzentrierten
Lichtstrahlen oder aber eine Folge der für uns nicht sichtbaren Wärmestrahlen?
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Für unseren Versuch ist vorab zu zeigen, dass Glas Lichtstrahlen durchlässt, aber Wärme
abblockt. Wir stellen eine Bunsenbrennerflamme (hell leuchtend, ca. 8 cm hoch) ca. 40 cm
vor den Brennpunkt des Parabolspiegels. Höhe so wählen, dass die Flammenmitte mit der
Spiegelachse übereinstimmt. Ein Blatt Wärmepapier wird ca. 5 cm vor dem Brennpunkt
montiert. Die Bunsenbrennerflamme wird auf das Wärmepapier gespiegelt (Lichtbild). Das
Bild ist hell und durchscheinend. Nach ca. 1/2 Min. verfärbt sich das Wärmepapier im Bereich
des Flammenbildes, ein Zeichen, dass es erwärmt wird (Wärmebild). Jetzt halten wir eine
Glasscheibe vor die Flamme. Die Verfärbung tritt nicht mehr ein, das helle Flammenbild
leuchtet weiter.
Folgerung: Licht- und Wärmestrahlen folgen den gleichen optischen Gesetzmässigkeiten,
sind offenbar physikalisch eng verwandt.
Glasplatte
Wärmepapier
Flamme
80
ca. 40
50
350
Material:
1 PA6039 Parabolspiegel
1 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm
1 PA1128 Rundfuss D = 82 mm, Loch 10 mm
1 Glasplatte 2 … 4 mm
1 PA5015 Plattenhalter auf Stiel, D = 10 mm
1 Wärmepapier*
1 PA6022 Bunsenbrenner 470
1 verstellbare Unterlage
*Lieferant für Wärmepapier: Spirig, Hohlweg 1, CH-8640 Rapperswil,
Artikel CR / LCF-W28-3030 (Flüssigkristallfolie W-28, ca. 30 x 30 cm)
5.3 Energiebündelunq im Parabolspieqel
Die folgenden Versuche 5.3.1 bis 5.3.4 können auch mit der Sonne als Wärmequelle gezeigt
werden. Der P-Spiegel muss dann entsprechend dem Sonneneinfallswinkel schräg stehen. In
diesem Fall benötigen Sie eine drehbare Doppelmuffe PA1125 und eine Stativstange PA1132.
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5.3.1 Entflammen eines Streichholzes im Brennpunkt des Spiegels
Material:
1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk.
1 PA7697 Lampenfassung E27
1 Halter für Streichholz und Stiel
1 PA7698 Halogenlampe E27
2 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm
5.3.2 Messen der Brennpunkt- Temperatur
Temperaturfühler
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Material:
1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk.
1 PA7697 Lampenfassung E27
1 PA7698 Halogenlampe E27
1 Thermofühler Typ K, bis ca 750 °C
(beliebiges Fabrikat)
1 PA7477 Demo-Multimeter; digital
Achtung: Die Temperatur im Brennpunkt ist sehr gross und beschädigt bei zu langer
Messdauer die Fühlerspitze!
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5.3.3
Erwärmen von Wasser im Brenpunkt des Spiegels
Material:
1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk.
1 Wasserbehälter mit Stiel
2 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm
5.3.4
1 PA7698 Halogenlampe E27
1 PA7697 Lampenfassung E27
Umwandlung von Wärme in mechanische Enegie
Material:
1 PA6040 Parabolspiegel, 2 Stk.
1 PA7697 Lampenfassung E27
1 PA1124 Doppelmuffe D = 10 mm
1 PA7698 Halogenlampe E27
1 PA6042 Stirling-Motor
2 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm
Diese Versuche gelingen nur, wenn beide Spiegel in Höhe und Breite genau justiert sind. Weitere
Versuche mit dem Stirling-Motor siehe separate Anleitung von PA6042.
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5.3.5
Umwandlung von Wärme in elektrische Energie mit dem Stirling-Motor
Sonnenstrahlen
Material:
1 PA6039 Parabolspiegel, 1 Stk.
1 PA6042 Stirling-Motor
1 PA7505 Motor/Generator 0…12VDC
1 PA7477 Demo-Multimeter; digital
Voltmeter
2 PA7325 Verbindungskabel 4 mm, 1m
1 PA1122 Dreieckfuss D = 10 mm
1 PA1124 Doppelmuffe D = 10 mm
1 PA1125 Doppelmuffe D = 10 mm
1 PA5031 Plattenhalter auf Stiel
1 PA8514 Lampenfassung E10
1 PA7701 Glühlampe E10, 1.2V
5.4
Schallwellenbündelung am Parabolspiegel
Schallwellen folgen den gleichen physikalischen Gesetzen wie die Wärme- und Lichtwellen. So
werden auch diese im Brennpunkt eines Hohlspiegels gebündelt.
Wir benützen als Schallquelle einen kleinen
Transistor-Radio. Dieser wird ca. 6m vor dem
Spiegel mit gerade noch hörbarer Lautstärke
aufgestellt. Im Parabolspiegel wird das im
Zubehör mitgelieferte Rohr ca. 15mm vom
Brennpunkt zurückversetzt eingespannt (Bild).
Der Schall wird einmal mit dem Ohr durch das
Schallrohr, nachher direkt wahrgenommen.
Dabei wird man feststellen, dass der P-Spiegel
den Schall verstärkt.
ca. 15
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
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