Čolniček na magnetni pogon

Opis eksperimenta:

Nastajanje našega čolnička na magnetni pogon ni bilo enostavno, težko si je bilo tudi predstavljati, kako naj bi vse skupaj izgledalo, predvsem sam motor, zato smo se lotili izdelave čolnička (oblike katamarana) in se odločili sproti reševati probleme, na katere bi naleteli.
Ideja je bila, da bi motor sestavili iz kondenzatorja priklopljenega na napetost 9 V, pravokotno nanj pa ob robu postavili magnetke, tako da bi bila električno in magnetno polje pravokotna drug na drugega. Pri enosmernem toku skozi kondenzator, ki je potopljen v slano vodo, naj bi tok vode, ki bi ga tak motor ustvarjal, tekel v tretji smeri, pravokotni na obe polji. Ta tok vode naj bi, zaradi zakona o ohranitvi gibalne količine, v nasprotni smeri poganjal naš čolniček.
Čolniček smo sicer uspeli izdelati, vendar smo s poskusi ugotovili, da z nekaj magnetki ne bomo uspeli ustvariti takšnega toka vode, da bi motor uspel pognati naš čolniček v tek.
Zato smo vse naše poskuse, da bi čoln deloval, prekinili in se raje posvetili ugotavljanju kaj vse vpliva na tok vode.

Potek dela in poskusov:

Najprej smo se lotili izdelave magnetnega motorja. Odločili smo se, da ga sestavimo iz dveh bakrenih plošč kondenzatorja, priklopljenih na enosmerno napetost. Pravokotno na ravnino plošč kondenzatorja, na njegov rob, pa bi na vsako stran postavili magnetke tako, da sta smeri električnega in magnetnega polja med seboj pravokotni. S tem naj bi po teoriji v tretji smeri, pravokotni na obe polji, dobili tok naelektrenih delcev v slani vodi (ioni kuhinjske soli).

Tako smo najprej prišli do problema, kako magnetke zaščititi pred neposrednim stikom s slano vodo, saj bi drugače prišlo do korozije.
To smo rešili s tem, da smo uporabili gumijasto cev, ki smo jo narezali na kratke koščke, v katere smo položili magnetke in cevke zaprli z lepilnim trakom, tako da so bili magnetki popolnoma izolirani od okolice.
Izrezali smo ploščici za kondenzator in na vsako zacinili žico, da bi kondenzator lahko povezali z enosmernim napajanjem.
Na vsako stran kondenzatorja (na rob plošč) smo želeli vzporedno pritrditi tri magnetke zaprte v cevke zlepljene skupaj (glej skico spodaj).

Pri tem smo naleteli na težavo, kako to izvesti, da bo motor dovolj trdno zgrajen.
Sam čolniček smo izdelali iz stiropora, zato da bi bil čim lažji, in sicer v obliki katamarana. Oba stiroporna kraka katamarana smo nato oblekli še v gumijast trak, da bi s tem dobili bolj gladko plovno površino.
Magnetni motor smo nameravali postaviti med oba kraka čolnička, zato smo na notranji strani obeh krakov izdolbli luknje, v katere bi potem sedle cevke z magnetki, s tem pa bi bil motor fiksiran na čolniček. Da bi bila konstrukcija stabilna, smo kraka med seboj prečno povezali z nekaj lesenimi palčkami po dolžini čolnička.
Na prvem srečanju delovanja motorja še nismo testirali, saj nam ga še ni uspelo sestaviti.

Na naslednjem srečanju smo do konca sestavili motor in ga namestili v čolniček. Problem, kako narediti zgradbo motorja dovolj trdno, smo poskusili rešiti s tem, da smo cevke z magnetki prilepili direktno na plošči, vendar lepilo ni dovolj dobro držalo in motor nam je kmalu razpadel. Nastal je problem, kako motor fiksirati, da bi bil stabilen, hkrati pa naj bi bil tudi enostavno razstavljiv, da bi lahko menjavali količino magnetkov. Ker nismo vedeli, kako bi ta problem dolgoročno rešili, smo začasno vse skupaj oblepili z lepilnim trakom, ki je stvar zadovoljivo stabiliziral.
Uporabili smo 6 magnetkov, na vsako stran kondenzatorja smo postavili tri vzporedno postavljene magnetke (glej sliko spodaj).

Ko smo čolniček postavili v slano vodo in kondenzator priklopili na napetost 9 V, se je začela elektroliza na kondenzatorju, vendar ni bilo opaziti, da bi vodni tok stekel, čolniček pa se seveda ni premaknil. Pri elektrolizi so nastajali mehurčki plina, ki so bili verjetno mešanica vodika in klora (klor je drugače zelo dobro topen v vodi).
Poleg tega smo opazili, da se je, na anodi (pozitivna elektroda) in ob njej, začela izločati zeleno rumena snov, ki bi lahko bila mešanica bakrovega hidroksida (Cu(OH)_2 (s)) in bakrovega diklorida (CuCl_2 (aq)), ali kakšnega njegovega iona (za pojasnilo glej spodnje reakcije).

Nabiranje te snovi je bilo nezaželeno in še en problem - kako se temu izogniti, oziroma kako poskrbeti za čiščenje. To smo storili z brušenjem ploščic vsake toliko časa, kar pa pomeni, da smo morali motor venomer razdirati.
Da bi preprečili nabiranje te snovi na kondenzatorju, smo ploščici oblekli v gumo in ponovno poskusili, vendar elektroliza sploh ni stekla, saj je guma delovala kot izolator. Odstranili smo gumo in poskusili motor samo držati v vodi, ne da bi bil v čolničku, z namenom, da bi opazili kakršenkoli tok vode med ploščama kondenzatorja, a nismo opazili ničesar (kasneje smo ugotovili, da je bilo magnetno polje prešibko - premalo magnetkov, oziroma je bila površina plošč kondenzatorja prevelika).
Po neuspelem poskusu smo se odločili, da je nadaljnja gradnja čolnička nesmiselna in da je potrebno raziskati, kaj vse vpliva na vodni tok in kakšne morajo biti razmere, da je ta najmočnejši.

Na tretjem srečanju smo torej začeli sistematično z raziskovanjem vplivov na hitrost vodnega toka med ploščama kondenzatorja. Poskuse smo izvajali v petrijevki s slano vodo, pod katero smo postavili magnetke in nadnje poveznili milimetrski papir, vanjo pa smo (nad magnetke) v raztopino postavili kondenzator.

Kondenzator smo se odločili priklopiti na enosmerno napetost 12 V. Milimetrski papir smo uporabili kot merilo, saj smo se odločili tok vode posneti na video, kot indikator toka pa smo uporabili plastične koščke, ki so plavali v raztopini in jih je tok nesel s seboj.
Videoposnetke smo nato analizirali v programu Logger Pro, da bi dobili hitrosti koščkov plastike in posredno toka vode skozi kondenzator.
Pri poskusih smo spreminjali različne parametre, ki bi lahko vplivali na hitrost toka. Spreminjali smo slanost vode, površino kondenzatorja in razmerje med dolžino in širino plošč kondenzatorja, uporabili smo različno število magnetkov (jakost magnetnega polja) ter uporabljali različne materiale za plošče kondenzatorja.

Na našem četrtem srečanju smo naredili še nekaj poskusov z različnim številom magnetkov z aluminijastimi elektrodami, pri tem pa smo tudi merili temperaturo plošč kondenzatorja.
Z aluminijastimi ploščicami smo dosegli veliko večji tok vode kot pri bakrenih. To je lahko posledica tega, da je aluminij paramagneten za razliko od bakra, ki je diamagneten.

Pri poskusih z aluminijastimi ploščicami se raztopina ni tako hitro "zamazala" in ni bilo veliko nalaganja snovi na ploščicah. Poleg vodika in klora, so tu še drugi produkti elektrolize, ki so po vsej verjetnosti mešanica aluminijevega klorida (AlCl_3 (aq)) in aluminijevega hidroksida (Al(OH)_3 (s)).
Ker ima aluminij večje oksidacijsko število kot baker, je zato potrebno večje število kloridnih ionov, da nastane enaka količina molekul, kar lahko razloži, zakaj je tu manj "umazanije". (Za pojasnilo glej enačbi spodaj.)

Temperatura bakrenih ploščic se je ob sklenitvi tokokroga povišala za kakšno stopinjo Celzija, medtem ko se je temperatura aluminijastih ploščic, v času ene minute povišala tudi za več kot 10°C in se še vedno ni ustalila.