Projekt Ionen-Lifter

Von: Benjamin Heidelmeier

... ein Projekt des LK Physik 2010/2012 unter der Leitung von OStR Lindenthal

   

Der Leistungskurs Physik der Jahrgangsstufe 13 an der Winfriedschule Fulda hat unter Aufsicht von OStR Martin Lindenthal in Kleingruppen während zehn Schulstunden sogenannte „Ionen-Lifter“ gebaut. Diese Konstrukte bestehen aus einem stabilen Gerüst, welches mehrheitlich aus dem besonders leichten Balsa-Holz unter Zuhilfenahme von Klebstoff gefertigt wurde. Für den gewünschten Effekt waren außerdem noch Alu-Folie und sehr dünner (<0,1mm Durchmesser) Draht ohne Isolierung nötig. Von oben betrachtet hat der Lifter in unserem Fall eine Dreiecksform, wobei an jeder Ecke eine Stütze nach oben ragt. Über die Spitzen dieser Stützen verläuft der dünne Draht mit ausreichender Spannung, sodass er nicht durchhängt. Am unteren Teil der Stützen wird die Alufolie befestigt und mit Balsaholz-Streben stabilisiert. Dabei werden die Streben umwickelt um die Oberfläche der Folie zu erhöhen. (Bauanleitung)

Nach der Fertigstellung des Lifters verband man den dünnen Draht mit einem Pol eines Hochspannungsgenerators und die Alufolie mit dem anderen Pol. Die Schüler erwarteten, dass das Dreieck vom Boden abheben würde. Bei ersten Versuchen kam es jedoch lediglich zu Lichtbögen zwischen Draht und Alufolie, woraufhin deren Abstand vergrößert wurde. Als weiter nichts passierte und der Strom sehr stark war, mussten Drahtüberstände gekürzt werden um den Kontakt zwischen Alufolie und Draht zu trennen. Mithilfe von Watte, die auf den Lifter fallen gelassen wurde, konnte aber ein Wind sichtbar gemacht werden, denn die Watte sank innerhalb des Lifters schneller. Die Spannung konnte nicht weiter erhöht werden und damit auch der Wind nicht verstärkt werden. Also musste das Gewicht des Lifters verringert werden um das Gerät flugfähig zu machen. Dazu wurden Holzüberstände gekürzt oder Streben entfernt, unter der Einschränkung, dass eine gewisse Stabilität erhalten bleiben musste. Beim nächsten Anlegen der Spannung hob sich der Lifter tatsächlich an, kippte aber sofort um – vermutlich weil das Gewicht am Lifter nicht gleichmäßig verteilt war. Die Masse des Lifters betrug dann ca. 2 Gramm. Um ein Schweben beobachten zu können wurden Nylonfäden am Boden und am Lifter befestigt, um diesen in einer gewissen Höhe stabil zu halten.

Es stellt sich nun die Frage, warum dieses Gerüst fliegen kann. Diese Frage konnte auch ein Physik-Leistungskursler nicht aus dem Stand beantworten und bekam deshalb entsprechend erklärende Materialien vom Kursleiter zur Hand. Darin wird beschrieben, dass ein elektrisches Feld zwischen Alu-Folie und Draht entsteht, dieses in Drahtnähe aber stärker als am Aluminium ist wegen der geringeren Oberfläche. In einem elektrischen Feld werden geladene Teilchen beschleunigt. Und genau diese entstehen am Draht durch Ionisation von Teilchen in der Luft bei genügend großer angelegter Spannung. Das Beschleunigen solcher Teilchen wirkt sich aus, wie als würde man auf einem Rollbrett stehen und einen Ball wegwerfen – dann bewegt man sich selbst nämlich in die entgegengesetzte Richtung. Dies ist eine Folge der Impulserhaltung. Weil die Teilchen nach unten beschleunigt werden, also von Draht in Richtung Alufolie, bewegt sich der Lifter nach oben – falls er leicht genug ist.

Persönliches Fazit: Die Arbeit an dem Lifter war ein gutes Beispiel für physikalisches Arbeiten: Nach einem schnellen und euphorischen Anfang funktionierte nicht alles so wie gewünscht, woraufhin optimiert, probiert und improvisiert werden musste, bis man den erwarteten Effekt letztendlich beobachten konnte. Unter anderem der Konkurrenzgedanke zwischen den Kleingruppen wusste immer zu motivieren, die Freude über den Erfolg war auch wegen der intensiven Arbeit am Ende umso größer, wurde aber trotzdem mehrheitlich als Gemeinschaftsergebnis aufgefasst. Alle Schüler haben dadurch die Erfahrung gewonnen, dass man beim ersten "Rückschlag" bzw. wenn nicht sofort alles funktioniert, nicht aufgeben sollte. Diese Erfahrung ist Teil des Verstehens der Arbeit in der Physik und sollte deshalb vielen Physik-Schülern ermöglicht werden. Der Lifter ist dabei ein sehr eindrucksvolles Gerät, das mit ziemlich kleinem Aufwand realisiert werden kann.