Ion motor & Faraday motor

Datum: November - December 2011

Principe:

Bij toeval op het web een artikel tegengekomen over de "ion motor", dat experiment uitgevoerd en toen bedacht ik me dat de opstelling wel heel makkelijk om te bouwen was om Faraday's motor met wat kleine modificaties na te bouwen.

Materiaal:

  • Magneten (Neodynium, plat)
  • Petrischaal
  • Statief
  • Gelijkspanningsvoeding
  • Kopersulfaat
  • Koperdraad (dik en dun)
  • Stukje koperen buis
  • Water
  • Verbindingskabels
  • Peper

Uitvoering:

Ion motor
  • Maak een oplossing van kopersulfaat in water (concentratie niet zo belangrijk).
  • Plaats een petrischaaltje op twee platte Neodinyum magneten dusdanig georiënteerd dat deze elkaar afstoten.
  • Neem dikke koperdraad en vouw deze in een cirkel die in de petrischaal past, laat daarbij een stuk omhoogsteken zodat men daar een contact kabel aan kan bevestigen.
  • Plaats de koperdraad en het stukje koperen pijp in de petrischaal zoals aangegeven in nevenstaande foto.
  • Verbind de pijp en de draad met een voedingsbron.
Faraday motor  
  • Vul de petrischaal met de kopersulfaat oplossing.
  • Sprenkel wat fijngemalen peper op het oppervlak van de oplossing.
  • Zet de spanning aan, observeer, zet de spanning uit en observeer weer.

 

 

 
   

Resultaten:

Ion Motor  
In nevenstaande filmpje kan men het resultaat waarnemen. Bij het inschakelen van de spanning begint de oplossing te roteren zoals men aan de beweging van de peper kan zien. De oplossing begint steeds sneller re draaien. Bij het uitschakelen van de spanning neemt de snelheid af.  

YouTube link: Ionen motor
Motor van Faraday  
In nevenstaande filmpje kan men het resultaat waarnemen. Bij het inschakelen van de spanning begint de draad te roteren om de centrale magneet heen. De snelheid neemt toe terwijl deze weer afneemt na het uitschakelen van de spanning.  

YouTube link: Faraday motor

Discussie en conclusie:

Ion Motor

Indien we spanning zetten op een systeem waar koper gebruikt wordt als elektrode materiaal en kopersulfaat als elektrolyt dan hebben we met een elektrochemisch proces te maken waar we niet veel van zien. Het systeem is nl dusdanig in evenwicht dat koperionen die gevormd worden uit het metaal gecompenseerd worden door koperionen die neerslaan als metaal.  

Cu —> Cu2++ 2e-
Cu2++ 2e-—> Cu
 -------------------------
Cu2+ + Cu <=> Cu + Cu2+

De beweging van geladen deeltjes in een magnetisch veld genereert een kracht. In een elektrische motor zijn het de elektronen die door de draad bewegen die rond een kern gewonden is en zo een draaimoment produceert die het anker laat draaien.

In dit experiment worden koperionen geproduceerd aan de positieve elektrode en bewegen door de oplossing om gereduceerd te worden aan de negatieve elektrode. De ionen bewegen door het magneetveld dat gegenereerd wordt door de magneten die zich onder de kopersulfaat oplossing bevinden. Op deze manier wordt een draaimoment uitgeoefend op de vloeistof. Het gevolg daarvan is dat na korte tijd de oplossing begint te draaien.

Het elektrisch veld tussen de elektrodes zorgt ervoor dat de positieve koper ionen radiaal naar de negatieve elektrode bewegen en de negatieve sulfaat ionen naar de positieve elektrode. Aangezien de positieve en negatieve ionen in tegengestelde richtingen bewegen wordt de magnetische kracht op beide type ionen in dezelfde richting uitgeoefend (Lorentz kracht). 

Samengevat: Koperionen worden geproduceerd aan de positieve kathode en bewegen door de oplossing naar de negatieve elektrode om daar gereduceerd te worden. Een  beweging van geladen deeltjes door een magneetveld produceert een kracht. De kracht die uitgevoerd wordt op de koperionen oefent een draaimoment uit op de oplossing. 
 
Motor van Faraday
Faraday was de eerste die in 1821 een beweging opwekte die men tegenwoordig de "Lorentskracht" noemen. Hij zetten een magneet verticaal midden in een beker met kwik en liet een staafje in het kwik zakken. Dat staafje begon te draaien als hij de stroom inschakelde. 

Het moge duidelijk zijn dat men in dit experiment te maken heeft met een systeem dat nagenoeg gelijk is aan het "ion-motor" experiment. De verklaring veranderd niet wezenlijk.
 
 

Literatuur:

  • Colin A. Vincent; "The Motion of Ions in Solution under the Influence of an Electric Field"; Journal of Chemical Education; 53 8 1976; p. 490-493.
  • Marian Kires, Zuzana Jeskova; "Magnetic Force in an Electrolyte"; The Physics Teacher; 45 Januari 2007; p. 50,51.
  • Ian M. Ritchie, Bregory P. Power, Daniel Haworth; "Classroom Demonstration of Fluid Flow as a Result of an Ionic Current in a Magnetic Field"; Journal of Chemical Education; 71 2 1994; p. 158,159.
  • Thomas B. Greenslade Jr.; "Devices to Display Electromagnetic Rotation"; The Physics Teacher; 34 October 1996; p. 412-416.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Dikke koperdraad heb ik verkregen door het plastic van elektriciteitsdraad  af te strippen.

Achtergrondinformatie:

Michael Faraday
Een van de iconen van de moderne wetenschap is Michael Faraday. Deze Britse natuur- en scheikundige werd geboren in 1791 en stierf in 1867. Faraday kreeg zijn fascinatie in de wetenschap door een baan bij een boekbinderij in Londen. In 1823 ontdekte hij hoe chloor vloeibaar gemaakt kon worden en in 1825 ontdekte hij de onbekende verbinding benzeen. De theorieën van Faraday over magnetische inductie stelden Maxwell in 1865 in staat om zijn samenvattende Wetten van Maxwell te postuleren. Faraday legde ook de basis voor de elektrochemie met een aantal experimenten met elektrolyse. Er zijn een aantal dingen naar Michael Faraday vernoemd: de eenheid van elektrische capaciteit, de Farad, de kooi van Faraday en de wet van Faraday. Hij was ook de man die woorden zoals ion, elektrode, kathoden en anode in onze taal introduceerde.

Faraday was niet alleen een groot wetenschapper maar ook communicatief zeer begaafd. Hij bracht zijn kennis naar de mensen toe door in 1826 op Vrijdagavond presentaties over zijn werk te geven met een speciale Kerstmis Lezingen voor jonge mensen op het Koninklijk Genootschap. Beide waren zeer populair, en werden bijgewoond door honderden mensen. Deze Kerstmis Lezingen zijn heden ten dage omgedoopt naar de  "Faraday Christmas Lectures" en worden jaarlijks georganiseerd en uitgezonden op TV.

Royal Institution Christmas Lectures - Wikipedia, the free encyclopedia
 
 
 

De magnetische inductie

De magnetische inductie B geeft de sterkte van het magnetisch veld aan. De eenheid is tesla (T). Bij de polen van een magneet is de magnetische inductie het sterkst, in het midden van een magneet is die het minst sterk. De magnetische inductie is een vectorgrootheid, wat inhoudt dat hij een richting heeft. Deze richting is van de noordpool van een magneet naar de zuidpool.

De magnetische flux

De magnetische flux F is een maat voor het aantal magnetische veldlijnen dat loodrecht door een oppervlak gaat. De eenheid is de weber (Wb). De grootte van de flux wordt berekend met de formule F = Bn·A, Hierin is Bn de component van B loodrecht op het oppervlak en A het oppervlak in m2 waar de veldlijnen doorheen gaan.

Des te meer veldlijnen door een bepaald oppervlak gaan, des te groter wordt de flux.

Fluxverandering krijgt men als:

  • het aantal veldlijnen door een oppervlak groter wordt, bijvoorbeeld als een magneet dichter naar het oppervlak toegeschoven wordt,
  • door het oppervlak groter te maken, bijvoorbeeld door uitschuiven, zodat er meer veldlijnen door gaan.

16/01/2017