Maker-Technik für den Physikunterricht

50 statt 5000 Euro für eine Versuchsapparatur – Arduino und 3D-Drucker machen es möglich. Die Uni Erlangen-Nürnberg hat eine Anleitung für Experimente mit Mie-Streuung veröffentlicht, die günstig nachzubauen ist.

von Kathrin Grannemann

Praktisches Arbeiten statt grauer Theorie: Ein Team der Uni Erlangen-Nürnberg setzt auf Maker-Technik für den Physik-Unterricht. Mit ihrem einfach nachzubauenden Experiment können Schüler und Studierende den Effekt von Mie-Streuung erforschen. Viele der benötigten Bauteile können mit einem 3D-Drucker selbst hergestellt werden, für den Aufbau reichen ein Schraubendreher und ein bisschen Geschick. Alles weitere lässt sich im Betrieb erarbeiten. Neben den 3D-gedruckten Teilen werden zwei Servomotoren, ein Arduino Uno, ein Laser, eine Photodiode, ein Polarisator sowie Kabel und Schrauben benötigt. Der Gesamtpreis des Projekts liegt bei etwa 50 Euro. Kommerzielle Geräte kosten dagegen 6000 US-Dollar (ca. 5350 Euro). Den Bauplan sowie Druckdaten und Software haben die Forscher des Institute for Multiscale Simulation of Particulate Systems der Uni Erlangen-Nürnberg online bereitgestellt.

Mit der Arduino-Software können die Motoren angesteuert, der Laser an- und ausgeschaltet, der Fotostrom von der Photodiode gemessen sowie alle Messdaten exportiert werden. Der Arduino wird mit der Firmware als serielles Gerät erkannt und kann via Terminal gesteuert werden. Hierfür sind nur einfache Eingaben nötig, die kein Vorwissen erfordern. Die geringe Einstiegshürde und die niedrigen Herstellungskosten machen es Lehrkräften deutlich einfacher, eigene Experimente umzusetzen. Als Mie-Streuung bezeichnen Wissenschaftler die Streuung elektromagnetischer Wellen, wenn sie auf kugelförmige Objekte treffen, deren Durchmesser ungefähr der Wellenlänge der Strahlung entspricht. Der Effekt ist zum Beispiel an regnerischen Tagen für den grauen Himmel verantwortlich.

Die Kalibrierung des Experiments kann mit Hilfe eines CD-Rohlings vorgenommen werden. Hieraus wird die Kalibrierprobe gemacht, die später vor jeder Messung eingesetzt wird. Mittels Python wird das Experiment gestartet, das erst die Kalibrierprobe abfragt und nach dessen Messung das eigentliche Teststück. Gemessen wird erst die parallele Streuintensität, danach dreht sich der Polarisator und erfasst die senkrechte Streuintensität. Zur Auswertung der Daten empfehlen die Wissenschaftler Matlab oder octave. Als Testflüssigkeit eignet sich unter anderem verdünnte Milch, in der die Fetttröpfchen und Proteinmoleküle streuen. Für andere Proben monodisperser Partikel, also Teilchen mit den gleichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften, empfiehlt sich der Weg zur Uni oder Forschungseinrichtungen, da von diesen nur sehr geringe Mengen nötig sind. —hch

www.mss.cbi.fau.de/Mie-experiment

Arduino-Fahrradalarmanlage mit RFID-Sicherung

Diebe knacken Fahrradschlösser innerhalb weniger Sekunden. Zusätzliche Sicherheit bietet die Fahrradalarmanlage „Bikey“ auf Basis eines Arduino Mini Pro. Scharfgeschaltet wird sie mit einem RFID-Tag.

von Oliver Bünte und Helga Hansen

Gerade im Sommer ist das Rad eine umwelt- und gesundheitsfreundliche Alternative zum Auto. Doch der Radspaß ist schnell vorbei, wenn wieder einmal Diebe zuschlagen. Abhilfe verspricht dieses Projekt von Oliver Bünte. Er hat sich die Arduino-basierte Alarmanlage „Bikey“ für sein Zweirad gebastelt. Sie schlägt Alarm, wenn das Rad bewegt wird, ohne vorher mit einem RFID-Chip entsperrt worden zu sein. Auch auf plötzliche Temperaturänderungen reagiert die Anlage. Mit Kosten von rund 40 Euro ist sie noch recht günstig.

Herzstück der Fahrradalarmanlage ist ein Arduino Mini Pro, der von einer Powerbank mit Strom versorgt wird und somit mobil betrieben werden kann. Er ist mit einem RFID-Lesegerät verbunden, der von einem RFID-Tag mit einer einzigartigen Kennung aktiviert oder deaktiviert wird. Dies kann ein Schlüsselanhänger oder eine Karte sein. Ein 3,3 Volt-Spannungsregler und zwei Siebkondensatoren wandeln die 5 Volt Ausgangsspannung des Arduinos passend zum Modul um.

Die Bewegungen des Rads erfasst ein kombinierter Lage- und Beschleunigungssensor. Werden vorher festgelegte Referenzwerte der X-, Y- und Z-Achse überschritten, lösen eine Alarmsirene sowie eine Blitz-LED aus. „Bikey“ registriert zusätzlich schnellen Temperaturabfall. Benutzt ein Dieb beispielsweise Kältespray, um die Alarmanlage berührungslos außer Gefecht zu setzen, setzt ebenfalls sofort der 5-V-Alarm ein. Zusätzlich gibt es einen Piezosummer, der mit einer zweiten LED Feedback beim Entsperren der Anlage und Unterbrechen eines ausgelösten Alarms gibt.

Bikey kann mit einem wasser- und staubdichten Wippschalter an- und ausgeschaltet werden, um möglichst wenig Strom zu verbrauchen. Die Powerbank im Kredikartenformat liefert rund 5 Volt und hält damit rund 26 Stunden durch. Über eine nach außen geführte Micro-USB-Buchse kann sie wieder aufgeladen werden. Die Bauteile hat Bünte in einem Kunststoffgehäuse untergebracht und darin Aussparungen für Sirene, Status- und Alarm-LED und Schalter angebracht. Eine Getränkehalterung wird mit einer Spezialschraube zur Befestigung umfunktioniert. Die vollständige Bauteilliste und den Arduino-Sketch der Alarmanlage hat Bünte auf seiner Webseite zum Download bereit gestellt. —hch

applebrain.de/bikey-arduino-fahrradalarmanlage-mit-rfid-sicherung-im-eigenbau