Genau, so schwer wird es hier sicher nicht.tja, aber bei 100pm ist auch mit einem Interferometer nur mit Mühe was zu machen.
...Strahl geht einige (hundert?) mal hin und her ...
Die Mehrfachreflexion zur genauen Bestimmung einer Strecke ist bei der genannten Anforderung sicher empfehlenswert.
Man sollte bei einfacheren Messungen anfangen. Ich glaube, häufig, wenn gerade einen Strom auf 100pA genau mißt, macht man dabei sich gar nicht klar, dass es einen Unterschied machen kann, ob das Kabel mit dünner Kuststoffisolation dabei auf einer isolierten oder leitenden und geerdeten Fläche liegt.
Manfred
Mit _sehr_ dünner Isolation ? zB 100pm ? Dann hat man den Tunneleffekt am Hals. Der Tunnelstrom dürfte dann so hoch sein, dass man kaum von einer Isolation sprechen kann. Bei 100pm passt da eh kein "Isolieratom" mehr zwischenZitat von Manf
ciao .. bernd
Hier bei der Messung des Stroms ist mit dünner Isolation der Kunststoff der Krokoklemmenkabel (10Stck 1,25€ z.B. 11-830251 von Pollin) gemeint.Mit _sehr_ dünner Isolation ? zB 100pm ? Dann hat man den Tunneleffekt am Hals.
Wenn man sie auf eine leitende Unterlage legt, drückt, dann kann man in dem Bereich schon auch Abweichungen messen.
Die eigentliche Frage ist die nach einem Weg und Hilfsmitteln, einen so kleinen Strom (100pA) zu messen.
Manfred
Für den Teil d.) 100pA möchte ich die Lösung hier schon angeben, um zu zeigen dass, es nicht zu aufwändig oder zu kompliziert sein muss, in den Bereich der Pico Technologie vorzudringen. Die hierfür benötigte Ausrüstung kann man fertig kaufen, und sie wird auch in vielen Haushalten schon vorhanden sein.
Sehr günstiges Einsteigermodell mit hervorragenden Ausstattungsmerkmalen. Best.Nr. 830 194
3,95 EUR
Messbereiche:
- Widerstand 200 , 2 k, 20 k, 200 k, 2 M
- Gleichstrom 2 mA, 20 mA, 200 mA, 10 A
- Gleichspannung 200 mV, 2 V, 20 V, 200 V, 600 V
- Wechselspannung 200 V und 600 V
Interessant ist der 200mV Bereich in dem mit einem Widerstand von 10MOhm gemessen wird.
Liegt an Eingang eine Spannung von 1mV an, dann fließt über den 10MOhm Widerstand gerade ein Strom von 100pA. Er wird mit 1,0mV angezeigt. Entsprechend werden 20pA auch mit 0,2mV angezeigt.
Manfred
c.) 100ps:
Ein wesentlicher Teil ist damit gesagt, es soll nur noch die Verbindung zur Messung hergestellt werden.Wäre eine Antwort wie "das Licht schaft es in 100ps gerade mal 3cm weit" (in Luft, in Glas weniger) im Sinne der Frage? 3cm kann man sich ja vorstellen, allerdings Lichtgeschwindigkeit nicht so recht.
Das Licht und elektrische Wellen legen 300.000km pro Sekunde zurück. In einem dichtem Medium wie Licht in Glas oder elektrische Signale in Leitungen mit Dielektrikum etwas langsamer. In einem üblichen Koaxialkabel sind das 20cm pro ns.
Die Zeit von 100ps wird benötigt, um 2cm zurückzulegen. Im einfachsten Fall kann man also eine Leitung um 2cm kürzen, um das Signal 100ps eher eintreffen zu lassen.
In Pulsformern wird diese Technik genutzt, um aus einer Flanke einen Impuls von definierter Dauer zu erzeugen. Eine kurzgeschlossene Stichleitung die eine Impuls von 100ps Dauer erzeugt hat eine Länge von 1cm. Den Nachweis kann man am eindruckvollsten mit einem Oszilloskop mit 100ps Auflösung führen.
Zur Demonstration mit einfachen Mitteln wird man eher eine Leitung von 10m Länge nehmen, die als Lamda/2 Resonator auf 10MHz schwingt. Bei einer Kürzung um 10 mm wird die Frequenz auf 10,01 MHz erhöht, die Periodendauer also um 100ps verkürzt.
Im Sinne der Aufgabe mißt man dann die Änderung der Periodendauer und dazu die Frequenz mit einem Frequenzzähler. Es geht zur Not auch mit einem Transistorradio mit digitaler Frequenzabstimmung.
Manfred
b.)100pkg = 100ng:
Die Litze in hochflexiblen Messleitungen ist aus 0,05mm Kupferdraht aufgebaut der sich einigermaßen zur Herstellung kleiner Gewichte eignet. 17µg pro mm sind schon recht wenig aber für die 100ng braucht man nur 5,7µm davon. Es geht also nicht bis in den gewünschten Bereich.
Bei Papier mit 80g/m² würde ein Quadrat der Seitenlänge 35µm benötigt. Bei 11µm Alufolie wären es schon 60µm und bei Blattgold mit 2g/m² hätte man mit 0,22mm Kantenlänge noch eine Chance eine solche Masse zu veranschaulichen. Mit Folien geht es also auch nicht leicht.
Bild hier - - - NUhuepqdDAJ:www.sign-lang.uni-hamburg.de/HLEX/IllusGR/L1/L1300.jpg" rel="nofollow" target='_blank'>Bild hier
Der nächste Ansatz ist, die Dichteänderung von etwas Leichtem. Zum Test einer Waage kann man recht fein den Auftrieb eines Körpers über den Umgebungsdruck variieren. Ein Körper mit 80mm² Volumen verdrängt bei Normaldruck 100µg Luft und hat damit einen entsprechenden Auftrieb. Eine Luftdruckänderung um 1HPa oder 10mm Wassersäule ändert die Masse der verdrängten Luft um 100ng. Die Methode funktionert zwar, ist aber etwas indirekt und deshalb unbefriedigend.
Bild hier - - - -mke0zUqMkJ:https://www.imageshop.de/images/spd-thermometer.jpg" rel="nofollow" target='_blank'>Bild hier - - - Bild hier
Die Dichteänderung wird auch dann wirksam, wenn ein Stoff in einem Lösungsmittel zur Dosierung verteilt wird und das Lösungsmittel dann ohne große Rückstände verdunstet werden kann. Verteilt man 1g Masse in einem Liter Lösungsmittel und entnimmt 0,1ml mit einer Pipette dann bleibt nach dem Verdunsten 100µg.
Mit der Kapillare eines Haushaltsthermometers (Alkoholthermometer, kein Quecksilber, geöffnet) kann man etwa 1mm³, also 1mg Lösung und 1µg gelöste Substanz (7mm Steighöhe) dosieren. Wenn der 10te Teil davon benötigt wird, dann ist eine weitere Verdünnung der ersten Lösung um den Faktor 10 nötig. Die Homöopathie liefert erprobte Methoden dafür. Man wird mit einer kleinen Menge Lösungsmittel beginnen und die Konzentration schrittweise senken um die gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Etwas kritisch ist das rückstandsfreie Verdunsten des Lösungsmittels, Alkohol ist dafür Wohl am besten geeignet.
Eine Dosierung im 3 Dimensionalen ist da doch leichter. Ein Tintenstrahldrucker druckt mit Tropfen der Größe 2picoLiter, was einigermaßen 2ng entspricht. Die Tropfen kann man leicht steuern und zählen. 50 davon ergeben die gesuchten 100ng. Leider trocknen sie und man wird ermitteln müssen, wie groß ihr Trockengewicht ist. Dann ist man aber auch schon gut vorbereitet für die nächste Runde wenn es um Femto-Technologie geht.
Manfred
Das war aber schon recht schwierig ...
Aber interessanter als multiple-choice Aufgaben (womit wir wieder bei der Kritik am Bildungssystem wären)
ciao .. bernd
a.) 100pm: Als letzter Teil der Lösung soll noch die Messung der Strecke angegeben werden. Die Strecke wurde schon mit Atomen beschrieben. Ein Tunnelmikroskop mit guter Hebelübersetzung wäre vielleicht ein Weg dahin.
Interessant ist auch die Überlegung wie hoch ein Stück Stahl sein muss, ein Stab, oder eine Säule, damit sie beim Aufrichten, der unter der Last des eigenen Gewichts um 100pm in sich zusammensinkt: knapp 32mm.
Damit wäre die Strecke schon mal als Änderung reproduzierbar. Andererseits wird die Änderung bei einer Temperaturerhöhung von 0,00026°C schon wieder ausgeglichen.
So könnte man es eher mit einer Kupferleiterbahn von 35µm versuchen. Die schafft die Dickenänderung von 100pm auch schon bei 0,17°C.
Wenn man also die relative Änderung bei kleinen Abmessungen beobachtet, kommt man leichter auf reproduzierbare kleine Werte. Die Lichtwellenlänge von 650nm braucht sich nur um 1/6500 zu ändern um die gesuchte Längenänderung zu erreichen.
Einen Laserpointer kann man ja nach einem Eingriff mit einstellbarem Strom betreiben. Laut Datenblatt der Laserdiode hat man dann durch die unterschiedliche Ladungsträgerdichte eine Wellenlängenänderung von etwa 1nm bei 10mA Stromänderung. Es ist also leicht, den Laserstrom um 1mA zu ändern, um eine Wellenlängenänderung von 100pm zu erreichen.
Doch wie misst man das mit nahezu haushaltsüblichen Mitteln?
Von dem etwas aufgeweiteten Laserstrahl wird mit einer Glasscheibe zweimal ein etwa gleich großer Anteil in die gleiche Richtung abgespalten, von der Vorderseite und von der Rückseite. Der Strahl wird gegen die Strahlrichtung gespiegelt, mit einem kleinen Winkel aus dem Strahlengang heraus, damit man auf einem Schirm das Bild sehen kann.
Die beiden Anteile werden miteinander interferieren wobei sie einen Gangunterschied von 6500 Wellenlängen haben sollen. Es ist dann bei der Abstimmung der Wellenlänge eine Verschiebung des Interferenzmusters um eine Periode des Streifenmusters zu beobachten. Die Dicke der Scheibe soll damit 1,4mm sein. (3250 x 650nm / 1,5).
Ist nur ein Stück Glas in anderer Stärke vorhanden, dann kann die Änderung auch rechnerisch korrigiert werden. Wegen des kleinen Winkels zur Auskoppelung ist nicht der erste Interferenzstreifen zu sehen sondern erst der 10. oder 20.
Strahl aufweiten, an der Scheibe spiegeln und Interferenzmuster durch Stromänderung um eine Periode verschieben dann erhält man eine nachgewiesene Wellenlängenänderung um 100pm.
Mit einer dickeren Glasscheibe oder einem kleinen Glasblock und einer höheren Auflösung durch elektronische Kamera und Übertragung der Bilddaten in ein Korrelationsprogramm kann man mit diesen relativ einfachen technischen Mitteln auch eine Auflösung der Wellenlängenänderung auf 1pm erreichen.
Das war's zum Einstieg in die Pico Technologie. Die Aufgaben sind so von der Art, dass man vielleicht nicht gleich drauf kommt, aber wenn man es mal brauchen kann, dann hat man auf alle Fälle schon mal davon gehört.
Manfred
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