Interessante Experimente mit einer preisgünstigen und genauen Integratorbox für das CASSY-E, das S-CASSY und das POCKET-CASSY

von Gerhard Höhne

Transformatorspulen, Blechröhren und andere elementare Experimentiermittel einer Physiksammlung können in Verbindung mit einem Spannungsintegrator als Sensoren für beeindruckende Messungen genutzt werden. Vom Verfasser wurde deshalb eine zu den CASSYs der Firma Leybold passende, preisgünstige, genaue Integratorbox (Kennzahl 62) entwickelt.

Abb.1

Empfindlichkeit: +1 V am Ausgang entspricht -10 mV*s oder 1 µC

Nach Aufstecken der Box auf den Eingang A oder D des CASSY-E wird vom Programm „MAuS (Höhne-Meßtechnik)“ der Meßbereich ±10 mV*s oder ±1 µC angezeigt. Der Messbereich kann mit dem Knopf „Zeigerempfindlichkeit“ verkleinert werden.

Mit dem Leybold-Programm „CASSY-LAB“ sind zur Integratorbox die Meßbereiche ±1000mV, ± 300 mV, ±100 mV, ±30mV, ± 10 mV und ± 3 mV wählbar.

Achtung !

Vor jeder Ladungsmessung muß die auf einem Kondensator vorhandene Ladung durch Druck auf einen an der Box erkennbaren Taster abgeleitet werden !

Sollte das Signal bei der Eingangsspannung 0 nicht konstant sein, dann kann die Konstanz an einem Potentiometer eingestellt werden , welches durch ein Loch auf der linken Schmalseite der Box mit einem Schraubendreher erreichbar ist.

Anwendungen:

1. Aufnahme eines Ballistokardiogramms

Abb.2

Eine Person liegt auf einem Brett -Tisch einer Festzeltgarnitur mit eingeklappten Beinen - , welche mit Hartplastikrollen (PVC) unterlegt ist. Wenn Blut aus einer Herzkammer gepumpt wird, dann bewegt sich der Körper zur Erhaltung des Schwerpunkts entgegen der Strömungsrichtung des Bluts. Zur Registrierung dieser Bewegung ist am einen Ende des Bretts ein Hufeisenmagnet befestigt, dessen einer Pol von einer Transformatorspule mit 10000 Windungen (Leybold) umgeben ist. Dieser Pol erregt in dieser Spule eine zu seiner Geschwindigkeit proportionale Spannung. Die Integration liefert ein zur Verschiebung proportionales Signal. Dieser Versuch ist völlig unproblematisch und eignet sich daher sehr gut für eine Vorführung an einem „Tag der offenen Tür“.

2. Demonstration zum Wechselwirkungsgesetz

Zur Erläuterung des Wechselwirkungsgesetzes wird darauf hingewiesen, dass jeder Körper unter Einwirkung einer Kraft eine Verformung erfährt, die sich in einer Gegenkraft auswirkt. Schüler schauen zunächst etwas ungläubig, wenn ihnen gesagt wird, die Wand des Klassenraumes werde unter dem Druck der Hand verbogen und erleben die Demonstration dieser Verformung als eine beeindruckende Überraschung.

Abb. 3

In Abb. 3 ist die Messung einer Wandverformung unter dem Händedruck eines Schülers skizziert. Ein Schüler drückt gegen eine 18 cm dicke Wand eines Klassenzimmers und verursacht hierdurch eine Wandverformung. Das Diagramm der Abb. 4 zeigt die Verformung an, das Diagramm der Abb. 5 beschreibt die Schwingung der Wand nach einem kräftigen Stoß.

Abb. 4

Abb. 5

3. Eine Transformatorspule als Sensor zur Messung von Kräften und Beschleunigungen

Abb. 6

Ein am Ende einer Blattfeder mit Klebeband befestigter Stabmagnet taucht in eine Transformatorspule mit 24000 Windungen (Leybold), die an den Integrator angeschlossen ist.

Wird die Feder unter der Last des Körpers K nach unten gebogen, dann hat dies eine Induktionsspannung im Spulenkreislauf zur Folge. Mit dem Integrator wird der zugehörende Spannungsstoß gemessen, der im Rahmen kleiner Auslenkungen der Verschiebung des Magneten proportional ist. Auf diese Weise kann man Kräfte auf 0,001 N genau messen.

Da die Blattfeder mit dem angehängten Magnet leicht in Schwingungen gerät, wird in die Spule ein mit Maschinenöl gefülltes Filmdöschen so gestellt, dass der Magnet in das Öl eintaucht. So werden die Eigenschwingungen gedämpft. Das Diagramm in Abb. 7 beschreibt die gedämpfte Eigenschwingung der Blattfeder.

Abb. 7

Wird die Spule der in Abb. 6 skizzierten Anordnung mit dem Stativstab fest verbunden, dann kann diese Anordnung als Beschleunigungsmesser eingesetzt werden. In Abb. 8 ist ein t-a-Diagramm zu sehen, welches beim Anheben dieses Systems um 20 cm entstand. Die Diagramme zur Geschwindigkeit und zum Weg wurden durch Integration aus dem t-a-Diagramm gewonnen. Die Integration kann bei Verwendung des Programms „MAuS für das CASSY-E“ sofort durchgeführt werden. Beim Arbeiten mit dem „CASSY-LAB“ ist die Integration auch ohne Umstände möglich.

Abb. 8

4. Ein Blechrohr als Sensor zur Aufnahme eines t-s-Diagramms an einer fallenden Plastikröhre

Beruht eine Meßmethode auf einem bekannten Effekt, der aus der Sicht eines Schülers nicht für eine sinnvolle Anwendung in Frage kommt, dann findet die Methode in der Regel viel Interesse im Schulunterricht. Ein Beispiel hierfür ist das in Abb. 9 angedeutete Verfahren zur Aufnahme eines t-s-Diagramms an einem fallenden Plastikrohr.

Abb.9

Ein Plastikrohr wird zunächst durch gleichmäßiges Reiben mit einem Stück Papier elektrisch aufgeladen (eine starke Aufladung ist nicht erwünscht ). Dieses Rohr lässt man in einem Blechrohr (verzinktes Regenabflussrohr ) fallen, wobei aus dem Blechrohr negative Ladung verdrängt wird (Influenz), deren Menge dem Fallweg proportional ist. Die abfließende Ladung wird mit dem Integrator gemessen. Die 43 cm lange Fallstrecke beginnt im Blechrohr 30 cm unterhalb der oberen Rohröffnung . In diesem Fall wirkt sich das inhomogene elektrische Feld am Anfang des Stabes nicht in unerwünschter Weise auf den Verlauf des Diagramms (Abb.10) aus.

Abb.10

5. Messung einer elektrostatischen Ladung

Abb. 11

Zur Messung elektrostatischer Ladungen muss, wie in der Abb. 11 sichtbar, ein Kondensator vorgeschaltet werden. Beim Arbeiten mit „MAuS für das CASSY-E“ werden zu derartigen Messungen Zeigerempfindlichkeiten zwischen 10 und 30 empfohlen.