Versuche des Schülerlabors

Inhalt

Reise ins Innere der Werkstoffe

Jeder Gegenstand (z.B. Schmuck, Möbel) bzw. jedes Bauteil (z.B. aus einem Auto oder Flugzeug) wird aus bestimmten Werkstoffen hergestellt (z.B. Stahl, Aluminium, Hartmetall, Beton, Holz).

Die Zusammensetzung dieser Werkstoffe, d.h. ihr inneres Aussehen, bestimmt deren Eigenschaften. Dieser Versuch unternimmt eine Reise in dieses Innere von Werkstoffen. Mittels Präparation, d.h. Schleifen, Polieren und Ätzen, wird die Mikrostruktur verschiedener Materialien unter dem Mikroskop sichtbar.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I

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Mechanische Eigenschaften - Zugversuch

Werkstoffe können durch äußere Kraft beansprucht und verändert werden. Dabei unterscheidet man zeitlich begrenzte (elastische) und dauerhafte (plastische) Formänderungen. Elastische Verformungen und Dehnungen gehen nach Wegnahme der Beanspruchung zurück. Aufgabe der Werkstoffprüfung mittels Zugversuch ist es, Festigkeits- und Verformungskennwerte von Werkstoffen zu berechnen. Unter Festigkeit versteht man eine Spannung, also eine Kraft bezogen auf einen bestimmten Querschnitt, die der Werkstoff ertragen kann, bis er sich dauerhaft(plastisch) verformt oder zerreißt. Solche Verformungskennwerte belegen die Verformbarkeit (auch Zähigkeit genannt) eines Werkstoffs und damit sein Einsatzspektrum.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I, II

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Mechanische Eigenschaften - Kerbschlagbiegeversuch

Der Kerbschlagbiegeversuch bietet die Möglichkeit mechanische Werkstoffgrößen zu erfassen. Dies geschieht bei hohen Geschwindigkeiten durch eine schlagartige Belastung (wie beispielsweise das Durchfahren eines Schlaglochs). Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung verschiedener Werkstoffe, ihrer Herstellung und Verarbeitung, Mikrostruktur und den beim Versuch realisierten Beanspruchungsbedingungen ergeben sich variierende Kennwerte und Brucharten. An Versuchen mit Stahl und Aluminium wird demonstriert, dass sich Werkstoffe unterschiedlich verhalten und damit unterschiedliche Einsatzanforderungen erfüllen. Das selbständige Vermessen und Begutachten der Proben ist ein Teil der Auswertung und soll ein besseres Verständnis des Versuches ermöglichen.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I, II

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Physikalische Eigenschaften - Elektrische Leitfähigkeit

Im Versuch soll die elektrische Leitfähigkeit verschiedener metallischer Werkstoffe mit einer speziellen Sonde gemessen werden. Anschließend sind diese Messwerte mit Tabellenwerten von reinen Metallen zu vergleichen. Ziel soll es sein, zu erkennen, woraus die vorliegenden Bauteile und Metallstücke bestehen und wodurch die Leitfähigkeit beeinflusst werden kann.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I

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Wärmebehandlung von Stahl

Stahlwerkstoffe können auch bei festgelegter chemischer Zusammensetzung in ihren Eigenschaften variieren. Aus diesem Grund sind sie flexibel einsetzbar, weil man diese Eigenschaften gezielt einstellen kann. Für diese „Wärmebehandlung“, wie auch für den Umgang mit Stählen bei hohen Temperaturen, soll ein Verständnis geschaffen werden. Verschiedene Stahlsorten werden geglüht und in verschiedenen Medien abgekühlt. Veränderungen in der Stahlstruktur werden demonstriert und anhand von selbständig erfassten Härtewerten überprüft. Die Ergebnisse der verschiedenen Stahlsorten sollen innerhalb des Protokolls ausgewertet und miteinander verglichen werden. Das Protokoll umfasst weiterhin einige Berechnungen, welche mathematische und physikalische Grundkenntnisse erfordern. Anhand gezielter Fragen im Auswertungsteil soll der Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung, Wärmebehandlung und den mechanischen Eigenschaften deutlich gemacht werden.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe II

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Korrosion & Korrosionsschutz

Um Werkstoffe vor Korrosion (Angriff durch bestimmte Medien, z.B. Säuren) zu schützen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit ist die Beschichtung der Materialien, wobei die Schichten gegenüber dem Angriffsmedium resistenter sind. Es können organische (z.B. Lack), anorganisch nichtmetallische (Keramik, Email) oder metallische Schichten aufgebracht werden. Eine Variante um metallische Beschichtungen zu erzeugen ist die galvanische bzw. elektrochemische Abscheidung.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I, II

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Gießversuch

Mit Hilfe dieses Versuches soll gezeigt werden, dass Werkstoffe (hier eine Aluminiumlegierung) während der Änderung des Aggregatzustandes sowohl ihre Dichte, als auch ihr Volumen ändern. Dazu soll zweimal eine Aluminiumlegierung erschmolzen und in eine metallische Dauerform (Kokille) gegossen werden. Hierfür werden die Geometrien der entstehenden Form variiert, um das während der Erstarrung entstehende Volumendefizit (Lunker) einmal in dem Gussstück und einmal außerhalb des Gussteiles zu erzeugen. Das anschließende Protokoll befasst sich mit Berechnungen und Fragen, welche mathematische und physikalische Kenntnisse voraussetzen. Gezielte Fragen sollen dabei helfen den technischen, aber auch den alltäglichen Nutzen zu verstehen.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I

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Solarzelle

Die Energieerzeugung durch regenerative Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Dabei steht die Energieumwandlung der Sonnenstrahlung, sowohl die solar-thermische (Heißwasserbereitung) als auch die photovoltaische (Elektroenergie-Erzeugung), im Vordergrund. Dieser Versuch erklärt die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrischen Strom unter Ausnutzung des physikalischen Photoeffektes mithilfe von Solarzellen.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe I, II

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Brennstoffzelle

Wasserstoff und Sauerstoff sind sehr häufig vorkommende Elemente und gebunden im Wassermolekül praktisch unbegrenzt verfügbar. Durch Elektrolyse des Wassers können beide Gase gewonnen werden. Die elektrische Energie, welche bei der Elektrolyse aufgewendet wird, wird als Reaktionsenthalpie bei der Verbrennung des Wasserstoffs wieder frei und kann genutzt werden. Wasserstoff eignet sich aufgrund seines Brennwertes sehr gut als Energiespeicher.

Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kann in einer Brennstoffzelle nutzbar gemacht werden. Diese Zelle erzeugt dabei direkt einen elektrischen Strom. Es existieren viele unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen, die sich hinsichtlich ihrer Materialien, der Betriebstemperatur und der Edukte unterscheiden. In diesem Versuch wird eine PEM-Brennstoffzelle eingesetzt.

Empfohlen für:

  • Sekundarstufe II

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