Ringbeschleuniger

Erste Frage Aufrufe: 110     Aktiv: 29.05.2024 um 18:57

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Wieviel Energie ist nötig um eine 10 Gramm schwere Kugel in einem Ringbeschleuniger auf 100 Km/h zu beschleunigen? Spielt es eine Rolle ob es eine Hohl-, oder Vollkugel ist? Muss die Kugel magnetisch sein? Braucht eine 100 Gramm schwere Kugel genau 10 x soviel Energie? Wenn die Spulen nicht für die Beschleunigung, sondern zum Abbremsen eingesetzt werden, wieviel Energie wird dabei erzeugt?

EDIT vom 28.05.2024 um 12:13:

Ein Versuch:

 

Ekin = 1/2 * m * v2                                                   100 KM/h = 27,78 m/s

10 Gramm = 0,01 KG        /2 = 0,005 KG       *(27,78m/s)2        = 3,86 Jule

100 Gramm = 0,01 KG      /2 = 0,005 KG       *(27,78m/s)2        = 38,6 Jule

 

Abgesehen von den Reibungsverlusten und dem Luftwiderstand komme ich auf dieses Ergebnis. Bei der Beschleunigung, positiv wie negativ, müsste jedoch auch die Zeit eine relevante Rolle spielen. Wenn die Kugel(n) in 1 Sekunde auf 0 abgebremst werden wird sicherlich mehr Energie erzeugt als bei 4 Sekunden. 

Tatsächlich fehlt mir hier die Fachkenntnis – sonst würde ich ja auch nicht fragen.

Beste Grüße Walter

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Punkte: 10

 

Schreibe bitte deine Überlegungen dazu, damit wir deinen Ansatz diskutieren können. Wir rechnen keine fertigen Lösungen vor.   ─   stefriegel 25.05.2024 um 21:36
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Deine Rechnung ist korrekt !
(kleine Schreibfehler, Einheit ist Joule)
Tatsächlich kommt es bei der Berechnung der Energie nicht auf die Zeitdauer an. In 4 Sekunden ist es zwar weniger Energie pro Sekunde, dafür steht sie aber 4 mal so lange zur Verfügung. Die Energie ist also dieselbe, nur die Leistung sinkt auf 0,965 J/s = 0,965 Watt.
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Dankeschön. Das bezieht sich auf die 10 Gramm Kugel? Die „gewonnene“ Energie ist demnach 0,965 Watt x 4? Oder insgesamt 0,965 Watt?   ─   user4e074f 28.05.2024 um 16:30

Mit der 10-g-Kugel bekommst du eine Leistung von 0,965 Watt für 4 Sekunden = 3,86 Joule.
Für die 100-g-Kugel beträgt die Leistung 9,65 Watt für 4 Sekunden = 38,6 Joule.
  ─   stefriegel 28.05.2024 um 17:19

Wer rechnen kann ist klar im Vorteil! Merci   ─   user4e074f 28.05.2024 um 18:08

Bleibt allerdings die Frage offen ob die Metallkugel lediglich magnetisierbar sein muss oder ob es einer bestimmten magnetischen Kraft bedarf um so beschleunigt zu werden. Positiv wie negativ. Und ob es egal ist ob Voll-, oder Hohlkugel?   ─   user4e074f 28.05.2024 um 18:16

Um diese Frage fundiert beantworten zu können, müsste die Funktionsweise des Ringbeschleunigers in der Aufgabe genauer beschrieben sein. Leider ist sie das nicht. Nimmt man an, dass es sich um einen Zyklotronbeschleuniger handeln soll, wie er z.B. an der GSI in Darmstadt betrieben wird, ist diese Aufgabe extrem theoretisch, denn ein solcher Beschleuniger beschleunigt lediglich Atomkerne, aber keine 10-g-Kugen und schon gar nicht auf 100 km/h, sondern auf Lichtgeschwindigkeit. Sorry, aber von daher ist die Fragestellung Schwachsinn. Zumindest für die Atomkerne gilt, dass sie elektrisch geladen, aber nicht magnetisch sein müssen und ob sie hohl sind interessiert auch nicht.   ─   stefriegel 28.05.2024 um 23:06

Entschuldigung für die schwachsinnige Frage. Ich Tischlermeister, 74 Jahre alt und war mit meinen Enkeln (7 & 9) im Technikmuseum. Dort stand so ein Ringbeschleuniger und ich kann mich nicht erinnern ob da ein Datenblatt installiert war. Im Internet findet man die Dinger ab € 80,- und da sind kleine Kugeln bei. Ich habe in meinem Leben viel gelernt, nur halt wenig „elektrisches“, durchaus aber, dass es keine dummen Fragen gibt, sondern nur dumme Antworten. Dankeschön   ─   user4e074f 29.05.2024 um 08:43

Ich danke dir für deine Rückmeldung. Es war nicht persönlich gemeint, wenn du das so verstanden hast, bitte ich dich um Entschuldigung. Zeig mir doch mal diesen "Beschleuniger", den du meinst, im Internet. Vielleicht kann ich da etwas mehr über seine Funktionsweise herausfinden.   ─   stefriegel 29.05.2024 um 10:38

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Ich habe jetzt im Internet das Gerät gefunden, das du meinst. Es handelt sich dabei um ein technisches Spielzeug. Er funktioniert völlig anders als ein Ringbeschleuniger, den man in der Teilchenphysik für Atomkerne verwendet. Der Spielzeug-Beschleuniger hat 4-6 normale Elektromagnete, die abwechselnd an- und abgeschaltet werden, sodass eine Stahlkugel im richtigen Takt magnetisch angezogen und damit beschleunigt wird.

Für ein solches Gerät gilt, dass die Kugel aus magnetisierbarem Material, also aus Eisen, bestehen muss, damitves von den Spulen angezogen wird. Es muss selbst kein Magnet sein. Ob die Kugel voll oder hohl ist, wirkt sich nur auf die Masse aus, macht aber sonst keinen Unterschied.
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Entschuldigung selbstverständlich angenommen. Zum Hintergrund der Fragerei: mein Enkel ist bei einem Fußballkameraden mitgefahren und dessen Vater hat ihm von seinem tollen Elektroauto vorgeschwärmt und erzählt, dass das Auto „Strom macht“. Da wir kurz zuvor im erwähnten Museum waren lag der Vergleich nahe. Um die Sache nun final zu klären:
Wenn die Kugel mit 100 Km/h rollt, können denn diese (oder generell) Kupferspulen die Kugel 1. abbremsen und 2. kann die kinetische Energie tatsächlich in elektrische Energie umgewandelt und z.B. gespeichert werden? Wenn die Kugel mit 27.78 m/s durch die Spule rollt, kann dann 3. eine einzelne Spule die Kugel innerhalb der Spulenstärke auf 0 abbremsen oder wie kann man sich das vorstellen?
Dem wissbegierigen Enkel muss doch geholfen werden und ich finde auch gerade Spaß an dem Thema.
  ─   user4e074f 29.05.2024 um 13:38

Ich finde es ganz super, dass du einen so wissbegierigen Enkel hast und mit ihm ins Technikmuseum gehst und alles mit ihm besprichst!
Also, theoretisch ließe sich mit diesem Spielzeug-Beschleuniger die kinetische Energie der Kugel in elektrische Energie zurückverwandeln. Dazu müsste man aber die Steuerelektronik so umbauen, dass die Kugel beim Eintritt in die Lichtschranke vor jeder Spule nicht angezogen, sondern abgebremst wird. Das geht wiederum nur, wenn die Kugel ihre Magnetisierung vor der vorigen Spule beibehält, was aber mit normalem Stahl nicht möglich ist. Außerdem dürfte die Reibung bei diesem Spielzeug so groß sein, dass man nicht wirklich Energie herausbekommt. Also in der Praxis ist es mit diesem Gerät nicht möglich.
Übrigens, der Effekt, kinetische Energie in elektrische Energie zurückzuverwandeln, nennt sich Induktion und wird z.B. im Fahrraddynamo zur Stromerzeugung genutzt.
  ─   stefriegel 29.05.2024 um 15:27

Dankeschön   ─   user4e074f 29.05.2024 um 16:06

Das ging gerade so gut los…..
Wenn ich den Ringbeschleuniger nun geradebiege und hochkant stelle, die Kugel also quasi mit 27,8m/s hindurchfällt. Wie sieht es dann aus? Die Lichtschranke verwirrt mich etwas. Wenn die Metallkugel durch die Spule „fällt“ muss die Spule doch nicht extra Bescheid bekommen, oder? Wenn nun noch alle Spulen in einem Abstand installiert werden, dass die Magnetfelder (was wäre hier besser) sich gerade überdecken, oder eben gerade nicht überdecken. Läßt sich dann elektrische Energie abgreifen? Trotz (nur) Metallkugel?
  ─   user4e074f 29.05.2024 um 18:19

Wenn die Kugel permanent magnetisch wäre (ein Dauermagnet) würde er beim Durchfallen durch die Spulen eine Induktionsspannung erzeugen (auch ohne Lichtschranke). Da die Stahlkugel aber selbst nicht magnetisch ist, bzw. eine vorige Magnetisierung sofort wieder verliert, passiert leider gar nichts.   ─   stefriegel 29.05.2024 um 18:57

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