Bildquelle: https://www.ardalpha.de/wissen/nobelpreis/nobelpreis-physik-deutsche-nobelpreistraeger-gewinner-100

Es folgt ein Auszug aus Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Paul-Falle

In einer Paul-Falle (auch Paul-Ionenkäfig) werden elektrisch geladene Teilchen mittels eines elektrischen Wechselfeldes gespeichert. Gelegentlich wird sie auch als Quadrupol-Ionenfalle bezeichnet, was sich auf die Geometrie des verwendeten Feldes bezieht. Der deutsche Physiker Wolfgang Paul (1913 – 1993) erhielt für die Entwicklung den Physik-Nobelpreis 1989.

Bildquelle: Wikipedia

Paul-Falle von 1955 im Deutschen Museum Bonn

Die Paul-Falle besteht in ihrer klassischen Bauform aus drei Elektroden: Einer ringförmigen Elektrode und zwei elektrisch verbundenen Endkappenelektroden, die zu beiden Seiten des Rings angebracht sind. Die Elektroden haben hyperbolische Innenflächen. Zwischen Ringelektrode und Endkappenelektroden wird eine Wechselspannung mit einer Hochfrequenz (HF) von meist 1 MHz angelegt, die im Inneren der Falle ein elektrisches Quadrupolfeld erzeugt, das auf die Ionen eine zeitlich periodisch wechselnde Kraft ausübt. Je weiter sich die Ionen vom Zentrum der Falle entfernen, desto größer wird die speichernde Kraft.

Eine Wolke von Ionen im Inneren der Falle erfährt in der Frequenz des Wechselfeldes abwechselnde Kräfte: Fokussierung in der Ringebene (durch die Ringelektrode) bei gleichzeitiger defokussierender Kraft senkrecht dazu (durch die Endkappenelektroden). Beim Phasenwechsel dann eine Fokussierung senkrecht zur Ringebene bei gleichzeitiger Defokussierung in der Ringebene. Beide Effekte wechseln sich mit hoher Frequenz ab und erzeugen eine effektive Fokussierung in allen drei Dimensionen, also eine Speicherung.

Quelle: Wikipedia – Paul Falle

Mit einer Paulfalle können also elektrisch geladene Teilchen durch ein elektrisches Wechselfeld stabil eingeschlossen werden. Ich werde in diesem Experiment versuchen, geladene Bärlappsporen zu „fangen“. Elektrisch geladen werden diese mit einem zuvor elektrostatisch aufgeladenen Stab. Mit dem Stab fährt man dann einfach zu den Bärlappsporen und sammelt diese dann ein, indem die Sporen von selbst auf den geladenen Stab springen. Mit diesem Stab nähert man sich dann der Paulfalle.

Meine Paulfalle besteht aus zwei Kugelelektroden, in deren Zwischenraum sich eine kreisrunde Elektrode befindet. Letztere habe ich aus Kupferdraht geformt und verlötet. Hier der schematische Aufbau meiner Paulfalle:

Die Kugelelektroden (20 mm bzw. 30 mm Durchmesser) habe ich auf Ebay besorgt:

Bärlappsporen hatte ich zum Glück noch zuhause:

Während originale Paulfallen mit einer Wechselspannung um die 1 MHz betrieben werden, verwende ich bei meiner einen 50 Hz – Hochspannungstrafo. Einen passenden hatte ich auf Aliexpress entdeckt. Die Frequenz kann für mein Experiment deshalb so niedrig gewählt werden, da die Bärlappsporen durch ihre verglichen mit Ionen nahezu unendlich größere Masse extrem viel träger sind und bereits bei nur 50 Hz eine Stabilisierung möglich ist. Ionen würden bei einer dermaßen geringen Frequenz natürlich unweigerlich zu den Kugeln oder dem Ring abgesogen werden…

Der ohmsche Widerstand der Primärwicklung beträgt 427 Ω und die Induktivität rund 5.6 H:

Damit ergibt sich bei einer Wechselstromfrequenz von f = 50 Hz eine Gesamtimpedanz von 1810 Ω und somit bei 230 V/AC eine elektrische Leistung von 29 W.

Die Hochspannungssekundärwicklung weist einen ohmschen Widerstand von 87.3 kΩ auf:

Der Trafo ist mit primär 220 V, sekundär 3500 V angegeben. Dies ist deutlich höher als die Sollspannung um die 1.5 kV. Daher werde ich den Trafo mit meinen Stelltrafo/Variac betreiben:

Da ich mich durch die Vielzahl an in meiner Wohnung untergebrachten Physikprojekten in dieser kaum noch bewegen kann, haben mir meine Kinder zu Weihnachten ein IKEA-Regal gekauft. Es kommt ja nicht allzu oft vor, dass ich Weihnachtsgeschenke bekomme, die ich wirklich gebrauchen und über die ich mich dann freuen kann, aber dieses Mal hätte das Geschenk nicht treffender sein können. Das größte Problem bestand allerdings darin, in meiner eben mit Physiksachen vollgeräumten Wohnung noch einen freien Platz für den Zusammenbau zu finden 🙂

Für die Montage der Paulfalle benötigte ich zum Glück weitaus weniger Platz…

Den HV-Trafo habe ich heute einmal getestet:

Die Ausgangsspannung maß ich mit meinem Multimeter plus 1000:1 Spannungsteiler:

3.485 V entsprechen also 3485 V, der Trafo liefert also die versprochenen 3500 V/AC.

Eigentlich hätte ich eine schön lineare Kennlinie erwartet. Stattdessen nimmt die Ausgangsspannung degressiv zu. Die für das Experiment benötigten 1500 V erziele ich bei einer Eingangsspannung von rund 60 V/AC:

Bevor die Bärlappsporen in die Paulfalle gebracht werden, müssen diese wie schon erwähnt elektrostatisch aufgeladen werden. Dazu verwende ich ein billiges Set von Aliexpress, denn ich wollte natürlich keiner Katze nur für diesen Versuch Teile ihres Fells abziehen. Meine Schüler schocke ich aber immer mit diesem, natürlich professionell bearbeiteten Bild meiner leider bereits verstorbenen Katze Rosi:

Zur Beleuchtung der schwebenden Bärlappsporen kommt ein billiger 5 mW Laser zum Einsatz. Diesen betreibe ich mit einer einzelnen 18650 Liion-Zelle, sodass ich kein weiteres Netzteil für das Experiment benötige…

Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…