Protokoll - Physikalisches Projektpraktikum

Untersuchung physikalischer Zusammenhänge
bei einem EHD-Thruster
1 Motivation
2 Theoretische Grundlagen
Der Überbegriff für Konstruktionen wie die, die wir hier salopp als Lifter (engl.: to lift
something - etwas hochheben) bezeichnen, lautet eigentlich EHD-Thruster (EHD ist
die Abkürzung für Electro-Hydro-Dynamics). Ins Deutsche übersetzt ist ein Lifter also
ein Gerät, welches durch ein elektrisches Feld eine Bewegung in einem fluiden Medium
hervorruft und damit einen Schub (engl. thrust) generiert.
Die ersten senkrecht abhebenden EHD-Thruster wurden in den 60er Jahren des 20.
Jahrhunderts gebaut und erhielten aufgrund ihrer Funktionsweise den Namen Ionocrafts.
Heute bezeichnet man sie landläufig als ”
Lifter“. Diese Bezeichnung wollen auch wir
der Einfachheit halber im weiteren Verlauf des Protokolls wählen.
Zu einem besseren Verständnis unseres Versuchs möchten wir zunächst einen Überblick
über die nötigsten theoretischen Grundlagen geben. Zu Beginn werden die grundlegenden
physikalischen Einzelphänomene erläutert, im Anschluss wird ihr Zusammenwirken in
der Theorie des Lifters behandelt.
2.1 Ionisation
Da die Ionisation von (Luft-)Molekülen in der Umgebung des Lifters den experimentellen
Ausgangspunkt für das Abheben des Lifters darstellt, folgt zunächst eine Erläuterung
dieses Phänomens.
Ganz allgemein versteht man unter Ionisation die Erzeugung eines geladenen Teilchens
(Ion) aus einem elektrisch neutralen Atom oder Molekül. Dabei gibt es prinzipiell zwei
Möglichkeiten: Entweder werden von dem neutralen Atom Elektronen abgetrennt oder
ihm Elektronen hinzugefügt. Das bei diesem Vorgang entstehende Ion ist elektrisch geladen.
Bei Anlagerung von Elektronen ist diese Ladung negativ, bei Abzug von Elektronen
positiv. Die zur Ionisation nötige Energie (Ionisationsenergie E i ) hängt dabei stark von
der Anordnung der Elektronen in der Atomhülle und der damit verbundenen Abschirmung
der positiven Kernladung, sowie von der Kernladungszahl Z ab. Für Wasserstoff
beträgt sie beispielsweise E i (H) = 13.6 eV, E i (O 2 ) = 14.01 eV und E i (N 2 ) = 15.51 eV.
Unmittelbar in der Natur vorkommende Ionisatoren sind die Umgebungsradioaktivität
und die kosmische Strahlung, welche Atome und Moleküle in Ionen umwandeln. Die Ionisation
lässt sich jedoch von außen durch den Einsatz anderer Ionisatoren forcieren. Dabei
unterscheidet man Volumen- und Oberflächenionisatoren. Volumenionisatoren ionisieren
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