FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilGauss riffel

Forsøg nr.: 98
Formål: At demonstrere 1) hvordan energi kan akkumuleres, 2) hvordan magneter kan anvendes til at accelerere en stålkugle, 3) hvordan en lineær accelerator virker og 4) hvordan et rent stød virker.
Resume: Stålkugler tiltrækkes af magneter. Dette udnyttes i flere led og al bevægelsesenergi overføres til én kugle via elastiske stød.
Nøgleord: Stjerner, magnetfelter, magnetisk kraft, acceleration, ballistik, bevægelse, energi, energibevarelse, impuls, impulsbevarelse, kollisioner, kræfter, mekanik, Newtons Love, kernefysik.

Beskrivelse:

En lineær accelerator virker ved, at en partikel sendes igennem et rør, hvor det passerer en lang række accelerationssystemer, der hver giver partiklen et lille "skub". Hvis partiklen får nok skub, kan sluthastigheden blive ganske stor.

En "Gauss riffel" er en slags magnetisk lineær accelerator, der ved hjælp af en række magneter accelererer en lille kugle af rustfrit stål op til en stor hastighed.

Først bygges en kuglebane af et umagnetisk materiale. Det kan f.eks. være et træbræt med en rille, hvori kuglerne kan trille, en gardinstang, en plastiklineal eller lignende. På gardinstangen tapes nogle stærke magneter godt fast. På højre side af hver af magneterne placeres to kugler af rustfrit stål (for eksempel stål-kuglelejer).

Man placerer nu en ekstra stålkugle helt til venstre for alle magneterne. Kuglen trilles langsomt ind imod den første magnet:

Diagram over en Gauss riffel
Kuglen til venstre rulles meget langsomt hen imod den første magnet, som den accelereres hurtigt hen imod.

Diagram over en Gauss riffel
Når den rammer magneten, overføres energien til kugle nummer 3, som sendes af sted med stor hastighed. Denne kugle tiltrækkes så af den anden magnet...

Diagram over en Gauss riffel
...og processen gentager sig, indtil den sidste kugle skydes afsted med meget stor hastighed.

Hver gang en kugle støder ind i en magnet, sendes en ny kugle afsted med stor hastighed. For at forstå forsøget skal man første gøre sig det klart, at når en kugle rammer magneten, vil den kinetiske energi (på nær en lille smule tab) overføres til den fjerneste kugle.

Forsøget virker, fordi den indkommende stålkugle tiltrækkes af magneten, og dermed omsættes den potentielle energi til kinetisk energi. Den udgående kugle befinder sig en større afstand fra magneten, og dermed er den bundet til magneten med meget mindre energi end det, den får overført fra den indkommende stålkugle.

Diagram over den potentielle energi for en stålkugle nær en magnet
Diagram over den potentielle energi for en stålkugle nær magneten. Kuglen til venstre har ramt magneten og fået omsat sin potentielle energi til kinetisk energi, der overføres til kuglen yderst til højre.

På denne måde opnår hver kugle mere og mere kinetisk energi efter hver magnet i den lineære accelerator, og kuglerne vil bevæge sig hurtigere og hurtigere.

Billede af færdigbygget Gauss riffel med tre magneter
Billede af færdigbygget Gauss riffel med tre magneter, der er tapet fast på en gardinstang. Kuglen til venstre rulles langsomt ind mod magneten, hvilket efter en række kollisioner får kuglen yderst til højre til at skyde hurtigt væk (se filmen i referencerne).

Nærbillede af magnet og kugler
Nærbillede af de første tre kugler og den første magnet, som er sat fast med tape.

Man kan eksperimentere med at variere antallet af magneter, afstanden mellem magneterne samt antallet af stålkugler til højre for de enkelte magneter. Den øvre grænse for, hvor meget man kan accelererer stålkuglerne op, bestemmes formentligt af, at kuglerne kan få så megen fart på, at magneterne går i stykker under kollisionerne.

Det er oplagt at lade elever bygge hver deres Gauss riffel, og så konkurrere om, hvem der kan skydes længst.

Tak til Mads Møgelmose Kjeldsen fra Fysikshowet i Århus for dette forsøg.

Forsøget kan eventuelt opbygges på en gennemsigtigt plastiklineal eller lignende. Dermed kan forsøget udføres på en overheadprojektor, således at et stort publikum kan se, hvad der foregår.

Robert Jensen fra Fysikshowet i Århus har bemærket, at Gauss Riflen i øvrigt er en glimrende illustration af mekanismen bag energifrembringende kernefysiske processer. Når Solen fusionerer brint til helium sker der netop det, at løst bunde brintkerner finder sammen til de stærkere bunde heliumkerner, hvorved der frigives en stor mænge energi, som kan bruges til nye sammenstød.

Præcist det samme sker i Gauss Riflen, hvor en indkommende partikel med meget lille energi bindes til et andet partikelsystem, så der frigives en stor mængde kinetiske energi på bekostning af bindingsenergi. I Solen frigives energien som en foton; i Gauss Riflen frigives energien i form af en løst bundet stålkugle.

Hvis man virkelig vil få forsøget til at beskrive fussionsprocesserne helt korrekt, kan man naturligvis også inkludere det frastødende Coulombpotential. Dette kan gøres ved at bygge en bakketop før magneterne, da der således vil fremkomme en bestemt minimal energi for den indkommende kugle, før processen kan gå i gang, præcist som i rigtige kernefysiske processer. Eksempelvis er Jupiter på mange måder opbygget ligesom Solen, og ville i princippet kunne gennemløbe kerneprocesser, men den langt mindre størrelse i forhold til Solen gør, at brintkernerne her aldrig opnår en tilstrækkelig stor hastighed til at starte fusionsprocessen.

Selvom Gauss Riflen beskriver et fusionssystem, skal der ikke stor abstraktionsevne til for at anvende samme beskrivelse for et fissionssystem såsom et atomkraftværk.

Spørgsmål og svar:

Har man så ikke lavet energi ud af ingenting?

Nej. Det er nødvendigt at lade kanonen hver gang, den skal affyres, og i den proces opbygger man potentiel energi i systemet. Når riflen affyres, omsættes denne potentielle energi blot til kinetisk energi. Det svarer til at placere en fodbold på en høj bakke. Når man skubber forsigtigt til bolden, triller den ned ad bakken og omsætter sin potentielle energi til kinetisk energi, hvorved den får en stor fart.

Hvad gør jeg, hvis stålkuglerne ikke er magnetiske?

Rustfrit stål findes i mange forskellige typer, og ikke alle er magnetiske (ferromagnetiske). Sørg for at undersøge på forhånd, om kuglerne er magnetiske, da forsøget ellers ikke vil virke.

Hvorfor virker forsøget ikke?

Måske sidder stålkugler og magneter ikke helt sammen, eller måske sidder de ikke på en lige linje, så der går energi tabt i stødene. Husk at det gælder om at overføre mest muligt kinetisk energi fra den indkommende til den udgående stålkugle. Magneter og stålkugler skal helst have samme størrelse, så stødet sker lige midt på magneten.

Udstyr og materialer:

grøn pil Stærk magnet
grøn pil Stålkugler
grøn pil Kuglebane

Referencer:

grøn pilBeskrivelse af forsøget på Scitoys.com.
grøn pilLink til forsøg i database på University of Iowa.
grøn pilJ.A. Rabchuk: "The Gauss Rifle and Magnetic Energy", The Physics Teacher 41, 158 (2003). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilD. Kagan: "Energy and Momentum in the Gauss Accelerator", The Physics Teacher 42, 24 (2004). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilQuick Time film af Gauss riffel (1,48 MB).
grøn pilN. Goodman: "Magnet demo attracts pupil's attention", Phys. Educ. 40, 314 (2005).

PIRA DCS: 5G10.00 (Elektricitet og magnetisme: Magnetiske materialer) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 31.01.2006