SOLARPANEL-DREHZAHLMESSER - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Im INSTRUCTABLE "Solar Panel as a Shadow Tracker" wurde eine experimentelle Methode vorgestellt, um die Geschwindigkeit eines Objekts aus der Projektion seines Schattens auf ein Solarpanel zu bestimmen. Ist es möglich, eine Variante dieser Methode anzuwenden, um rotierende Objekte zu untersuchen? Ja, es ist möglich. Als nächstes wird eine einfache Versuchsapparatur vorgestellt, die es ermöglicht, die Periode und Frequenz der Rotation eines Objekts zu messen. Diese Versuchsapparatur kann während des Studiums des Faches "Physik:Klassische Mechanik" verwendet werden, insbesondere während des Studiums des Themas "Rotation starrer Objekte". Es ist potenziell nützlich bei Studenten und Doktoranden, bei experimentellen Demonstrationen oder Laborkursen.

Schritt 1: Einige theoretische Hinweise

Wenn sich ein Festkörper um eine Achse dreht, beschreiben seine Teile einen Umfang konzentrisch zu dieser Achse. Die Zeit, die eine dieser Parteien benötigt, um den Umfang zu vervollständigen, wird als Rotationsperiode bezeichnet. Periode und Frequenz sind reziproke Größen. Im Internationalen Einheitensystem wird die Periode in Sekunden (s) und die Frequenz in Hertz (Hz) angegeben. Einige Instrumente zur Messung der Rotationsfrequenz geben die Werte in Umdrehungen pro Minute (U/min) an. Um von Hz in U/min umzurechnen, multiplizieren Sie einfach den Wert mit 60 und Sie erhalten die U/min.

Schritt 2: Materialien und Instrumente

• Kleines Solarpanel (100 mm * 28 mm)

• LED-Taschenlampe

• Reflektierendes Klebeband

• Schwarzes Isolierband

• Stromkabel

• Kabelbinder

• Heiße Silikonpistole

• Lötkolben und Zinn

• Drei Holzstücke (45 mm * 20 mm * 10 mm)

• Digitales Oszilloskop mit Tastkopf

• Rotierendes Objekt, dessen Rotationsfrequenz gemessen werden soll

Schritt 3: Funktionsprinzip

Trifft Licht auf ein Objekt, wird ein Teil absorbiert und ein anderer reflektiert. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche und Farbe des Objekts kann dieses reflektierte Licht mehr oder weniger intensiv sein. Wenn die Eigenschaften eines Teils der Oberfläche willkürlich verändert werden, beispielsweise durch Bemalen oder Aufkleben auf ein silbernes oder schwarzes Klebeband, könnten wir absichtlich eine Änderung der Intensität des dort reflektierten Lichts bewirken. Hier würden wir kein "SHADOW TRACKING" machen, sondern eine Veränderung der Eigenschaften der reflektierten Beleuchtung bewirken. Wenn ein sich drehender Gegenstand von einer Lichtquelle beleuchtet wird und ein Solarpanel richtig platziert ist, so dass ein Teil des reflektierten Lichts darauf fällt, muss an seinen Anschlüssen eine Spannung auftreten. Diese Spannung steht in direktem Zusammenhang mit der empfangenen Lichtintensität. Wenn wir die Oberfläche verändern, ändert sich die Intensität des reflektierten Lichts und damit die Spannung des Panels. Dieses Panel könnte an ein Oszilloskop angeschlossen werden und Spannungsschwankungen in Bezug auf die Zeit erkennen. Wenn wir eine kohärente und sich wiederholende Änderung der Kurve erkennen können, indem wir die Zeit messen, die es braucht, um sich zu wiederholen, würden wir die Rotationsperiode und damit indirekt die Rotationsfrequenz bestimmen, wenn wir sie berechnen. Einige Oszilloskope sind in der Lage, diese Werte automatisch zu berechnen, aber aus Sicht der Lehre ist es für die Schüler produktiv, sie zu berechnen. Um diese experimentelle Aktivität zu vereinfachen, könnten wir zunächst Objekte verwenden, die mit konstanter Drehzahl rotieren und vorzugsweise symmetrisch zu ihrer Rotationsachse sind.

Zusammenfassend:

1. Ein sich ständig drehendes Objekt reflektiert das darauf fallende Licht.

2. Die Intensität des vom rotierenden Objekt reflektierten Lichts hängt von der Farbe und den Eigenschaften seiner Oberfläche ab.

3. Die auf dem Solarpanel angezeigte Spannung hängt von der Intensität des reflektierten Lichts ab.

4. Wenn die Eigenschaften eines Teils der Oberfläche absichtlich geändert werden, ändert sich auch die Lichtstärke des dort reflektierten Lichts und damit die Spannung im Solarpanel.

5. Die Periode des Objekts während der Rotation kann bestimmt werden, indem mit Hilfe eines Oszilloskops die Zeit gemessen wird, die zwischen zwei Punkten mit identischen Werten von Spannung und Verhalten verstrichen ist.

Schritt 4: Design, Konstruktion und Durchführung des Experiments

1. Löten Sie zwei elektrische Leiter an das Solarpanel. 2. Bedecken Sie die elektrischen Kontakte des Panels mit heißem Silikon, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

3. Bauen Sie die Holzstütze, indem Sie die drei Holzstücke mit heißem Silikon oder einem anderen Kleber verbinden, wie im Bild zu sehen.

4. Kleben Sie das Solarpanel mit heißem Silikon auf den Holzträger, wie in der Abbildung gezeigt.

5. Kleben Sie die Laterne wie in der Abbildung gezeigt auf die Holzstütze und befestigen Sie sie mit Plastikbändern.

6. Befestigen Sie die elektrischen Leiter des Paneels mit einem weiteren Flansch an der Holzunterlage.

7. Fügen Sie auf dem Objekt, das Sie untersuchen möchten, ein schwarzes Band und dann ein silbernes Band ein, wie im Bild zu sehen.

8. Starten Sie die Drehung des Objekts, das Sie untersuchen möchten.

9. Schließen Sie die Oszilloskopsonde korrekt an die Leiter des Solarpanels an.

10. Richten Sie Ihr Oszilloskop richtig ein. In meinem Fall waren die Spannungsteilungen 500 mv und die Zeitteilungen 25 ms (es hängt von der Rotationsgeschwindigkeit des Objekts ab).

11. Stellen Sie das soeben zusammengebaute Versuchsgerät in eine Position, in der die Lichtstrahlen auf der rotierenden Oberfläche reflektiert werden und auf das Solarpanel treffen (helfen Sie sich an dem, was Sie im Oszilloskop sehen, um eine Kurve mit ausgeprägteren Veränderungen zu erhalten).

12. Halten Sie die Versuchsapparatur einige Sekunden in der richtigen Position, um zu sehen, ob die Ergebnisse der Kurve konstant bleiben.

13. Stoppen Sie das Oszilloskop und analysieren Sie die Kurve, um festzustellen, welche Positionen dem schwarzen Band und welche dem silbernen Band entsprechen. Da der von mir untersuchte Elektromotor in meinem Fall golden war, wurden die durch das Band verursachten Veränderungen deutlicher.

14. Messen Sie mit den Oszilloskop-Cursors die verstrichene Zeit zwischen den Punkten mit Phasengleichheit, zuerst für das Band und dann für das Silberband und vergleichen Sie sie (sie müssen gleich sein).

15. Wenn Ihr Oszilloskop den Kehrwert der Periode (Frequenz) nicht automatisch berechnet, tun Sie dies. Sie können den vorherigen Wert mit 60 multiplizieren und erhalten so die Drehzahl.

16. Wenn Sie den Wert kv oder Umdrehungen pro Volt haben (falls es sich um einen Motor handelt, der diese Eigenschaften bietet), multiplizieren Sie den Wert kv mit der Eingangsspannung, vergleichen Sie das Ergebnis mit dem, das Sie während des Experiments erhalten haben, und erhalten Sie Schlussfolgerungen.

Schritt 5: Einige abschließende Hinweise und Empfehlungen

• Es ist praktisch, den Kalibrierungsstatus Ihres Oszilloskops zunächst zu überprüfen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten (verwenden Sie das vom Oszilloskop bereitgestellte Kalibrierungssignal, das in der Regel 1 kHz beträgt).
• Stellen Sie Ihren Oszilloskop-Tastkopf richtig ein. Sie sollten Rechteckimpulse nicht verformt sehen, wenn Sie das vom Oszilloskop selbst erzeugte Signal verwenden (siehe Bild).
• Erkundigen Sie sich beim Hersteller Ihres Solarmoduls nach der elektrischen Ansprechzeit (Datenblatt). In meinem Fall war sie viel geringer als die von mir untersuchte Rotationsdauer des Elektromotors, daher habe ich ihren Einfluss auf die von mir durchgeführten Messungen nicht berücksichtigt.
• Vergleichen Sie die mit dieser Methode erhaltenen Ergebnisse mit denen eines kommerziellen Instruments und betrachten Sie die Vor- und Nachteile beider.

Wie immer werde ich auf Ihre Anregungen, Kommentare und Fragen aufmerksam sein. Viel Glück und bleib bei meinen nächsten Projekten!

Zweiter Platz im Klassenzimmer-Wissenschaftswettbewerb