Wikilogie (2): Sensor, Carbid, Hydraulische Kraftverstärkung 29.05.2012, 18:22

Wikilogie ist die Wissenschaft, im Unterricht Anworten auf Fragen zu finden, die im Internetlexikon Wikipedia oder in anderen Nachschlagewerken beschrieben sind.

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Was ist Wikilogie? Informationen dazu erhalten Sie im Beitrag: Wikilogie: Was man damit machen kann

Zu »Wissen beschaffen im Internet« meint der ehemalige Bundespräsident Roman Herzog im FOCUS: »Wir müssen den Kindern beibringen, dass man sich mit dem Internet Wissen beschaffen kann, das die Schule nicht mehr vermittelt.«

Aufgaben  des Typs I

1. Was bedeutet der Begriff »Sensor«?

a) Erklären Sie die allgemeine Bedeutung des Begriffs.
b) Erläutern Sie den Begriff näher am Beispiel
- eines Temperatursensors und
- eines Drucksensors. 

2. Was versteht man unter einem »Karbid«?

a) Erklären Sie die allgemeine Bedeutung des Begriffs.
b) Wo werden Wolframcarbide eingesetzt? 

Anregung 
Wenn die Wiki-Erklärung sehr lang ist: Versuchen Sie den Text zu reduzieren, ohne dass dabei wichtige Aussagen verloren gehen.

Lösungsvorschläge:

1. Sensor:
a) Ein Sensor (von lateinisch sentire, dt. „fühlen“ oder „empfinden“), (Messgrößen-)Aufnehmer oder (Mess-) Fühler ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B.: Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit oder Beschleunigung) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgeformt.

In reduzierter Form könnte man schreiben:

Ein Sensor (von lateinisch sentire, dt. „fühlen“ oder „empfinden“) ... ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B.: Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit oder Beschleunigung) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung ... als Messgröße ... erfassen kann. Diese Größen werden… in weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgeformt.

b)
- Temperatursensor:
Heißleiter verringern ihren Widerstand bei Temperaturerhöhung, sie bestehen aus Keramik oder aus Silizium und heißen, wenn sie zu Messzwecken verwendet werden, auch Thermistor.
Kaltleiter erhöhen ihren Widerstand bei Temperaturerhöhung.

- Drucksensor
Druckmessung mit Silizium-Drucksensor:
Druck
→ Elastische Verformung der Siliziummembran mit Dehnung/Stauchung der eindiffundierten Widerstände
→ positive/negative Widerstandsänderungen
→ Verstimmung einer Wheatstone-Brücke mit Erzeugung einer Brücken-Querspannung
→ Weiterverarbeitung zu standardisierter Signalübertragung (Fernmessung, Automatisierung) – oder
→ Zeigerausschlag (Winkel) an einem Spannungsmessgerät, das in Zusammenhang mit geeigneter Signalaufbereitung mit Werten zu einer Druck-Maßeinheit auf der Skale beschriftet sein kann, so dass der Druck unmittelbar ablesbar ist.

2. Karbid:
a) Carbide sind eine Stoffgruppe binärer chemischer Verbindungen aus einem Element E und Kohlenstoff C mit der allgemeinen Formel ExCy.

b) Wolframcarbid ist eine nichtoxidische Keramik bzw. eine intermediäre Kristallphase. Diese wird aus den chemischen Elementen Wolfram und Kohlenstoff gebildet. Es handelt sich um Einlagerungsmischkristalle. Dabei lagern sich durch Aufkohlen Kohlenstoffatome zwischen die Gitterplätze des Wolframs ein. Die Reaktion verläuft über W2C zu WC. Wolframcarbid entsteht auch durch Reduktion von Wolframoxiden mit Kohlenstoff. Aus diesem Grund wird zur Herstellung von Wolfram Wasserstoff als Reduktionsmittel angewandt. Wolframcarbid ist sehr hart und wird daher als Material für Werkzeuge eingesetzt.

In reduzierter Form könnte man bei b) schreiben: 
Wolframcarbid ist eine nichtoxidische Keramik ... . Diese wird aus den chemischen Elementen Wolfram und Kohlenstoff gebildet. ... Die Reaktion verläuft über W2C zu WC. Wolframcarbid entsteht auch durch Reduktion von Wolframoxiden mit Kohlenstoff. ... (Dabei) wird zur Herstellung von Wolfram Wasserstoff als Reduktionsmittel angewandt. Wolframcarbid ist sehr hart und wird daher als Material für Werkzeuge eingesetzt. 

Aufgaben  des Typs II 

Text Arbeitsblatt:

Die Skizze zeigt ein in der Technik häufig angewandtes Kraftverstärkungsprinzip. Welche Bezeichnung hat die Einrichtung? 

a) Suchen Sie zunächst ohne fremde Hilfe nach der Lösung.

b) Wenn Sie nicht darauf kommen, gehen Sie wie folgt vor:

Kreisen Sie die Problematik schrittweise ein, z. B.
1. Auf welchen Oberbegriff weist die Skizze hin?
2. Welches Medium verstärkt die eingebrachte Kraft?
3. Wie heißen die blau gezeichneten Teile?
4. Geben Sie in Wikipedia die gefundenen Begriffe ein. Wie heißt der gesuchte Begriff?

Das Folgende gilt für a) und b):
5.1 Beschreiben Sie in wenigen Sätzen, wie die Kraftübersetzung funktioniert.
5.2 Beschreiben Sie in wenigen Sätzen, warum die hier vereinfacht dargestellte Einrichtung nur einen Hub lang funktioniert. Suchen Sie nach einem Bild, das die Funktion genauer zeigt.
5.3 Die hydraulische Übersetzung i ist 20:1. Wenn d1 = 24 mm ist, wie groß ist dann d2?
a)  107 mm    b)  214 mm    c) 240 mm 

Lösungsvorschläge:

Problem einkreisen
1. Hydraulik
2. Öl
3. Kolben
4. Hydraulische Presse

5.1 Wird der Druckkolben d1 auf das Öl (rot) gedrückt, entsteht ein bestimmter Druck. Dieser wirkt auf die größere Fläche des Arbeitskolbens d2. Die Kraftübersetzung ist  i = A2 : A1.

5.2  Die Hydraulische Presse benötigt Ventile, die verhindern, dass beim Hochgehen des Druckkolbens das zuvor verdrängte Öl wieder in den Druckraum zurück strömt: Ventile 4 und 5 in der Prinzipzeichnung (WIKIPEDIA

5.3 d2 = 107 mm 

_____________________________ 

In der Antwort 2 b) ist die Rede von einer »intermediären Kristallphase«. Was sagt WIKIPEDIA darüber? 

Lösung: Wir suchen zunächst selbst herausfinden, was intermediär heißen könnte. Die Vorsilbe »inter« bedeutet »zwischen, dazwischen«. Ein Intercity ist ein Zug, der zwischen größeren Städten verkehrt. Ein internationales Ereignis spielt sich zwischen Nationen ab. »... mediär« könnte etwas mit Medium (Mittel, Stoff) zu tun haben. Demnach ginge es um eine Kristallbildung zwischen zwei Stoffen. 

Bei Wikipedia heißt es: »Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin, dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinem Kristallsystem der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut sein kann. Solche Verbindungen sind zudem sehr hart und spröde. ...«

 

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