2014 The Floating Water Bridge
Willem Jelle Bellinga & Kaj Sjรถqvist Bogerman Sneek 6VWO Begeleiders: Dhr. J. Reiker (Bogerman) & Dr. E.C. Fuchs (Wetsus) 19-12-2014
1. Samenvatting
The floating water bridge wordt in het Nederlands (zwevende) waterbrug genoemd. Na de ontdekking van dit fenomeen door William George Armstrong aan het eind van de negentiende eeuw, is dit onderwerp min of meer uit de ogen van de wetenschap geraakt. Sinds het begin van deze eeuw doet Dr. Elmar C. Fuchs opnieuw onderzoek naar de waterbrug. Een waterbrug wordt gecreĂŤerd met behulp van extreem hoge spanning. Hierdoor ontstaat een verbinding van water als een soort draad tussen twee gevulde bekerglazen. In zijn onderzoek zoekt Dr. Elmar C. Fuchs de mogelijkheden van dit fenomeen op. Naar aanleiding van ons PWS hebben we onder begeleiding van Dr. Elmar C. Fuchs onderzoek gedaan naar de waterbrug in zout water. We wisten niet wat voor resultaten we konden verwachten, omdat wij leken waren op dit gebied en omdat er nooit eerder onderzoek naar was gedaan. Het bleek dat een waterbrug ook gevormd kan worden met een zoutoplossing, wat verassend was, omdat de oplossing door het zout nu anders reageert op de extreem hoge spanning. Ook kwamen we tot de conclusie dat door het uitvoeren van het experiment er ook verschillen optraden in de samenstelling van de oplossingen. Een waterbrug is dus niet alleen spectaculair, maar het heeft ook effect op de samenstelling van de oplossingen. 1
Bron: 1
The Floating Waterbridge
1
2. Inleiding
Na een lange zoektocht naar een goed onderwerp voor ons profielwerkstuk, kwamen we uit bij Wetsus. Wetsus is een onderzoeksinstituut en deel van WaterCampus Leeuwarden, waar onderzoek wordt gedaan naar duurzame en innovatieve water technologie. We kregen te horen dat zij hulp aanbieden bij profielwerkstukken. Wij konden meewerken aan een experiment van Dr. Elmar C. Fuchs, die bezig is met onderzoek naar de waterbrug. Voor ons was dit fenomeen nieuw en dus zeer spannend en interessant. Meedoen aan een experiment rondom de waterbrug was een uitdaging voor ons, aangezien de theoretische stof op sommige gebieden verder gaat dan de examenstof van het 6VWO. Gelukkig hebben we ons deze stof eigen kunnen maken, een experiment uitgevoerd en de resultaten verwerkt. Hopelijk kunnen wij u ook wat van onze kennis bijbrengen.
The Floating Waterbridge
2
Inhoudsopgave 1.
Samenvatting................................................................................................................................... 1
2.
Inleiding ........................................................................................................................................... 2
3.
De geschiedenis van de waterbrug ................................................................................................. 4
4.
Hoofdvraag ...................................................................................................................................... 6
5.
Theorie ............................................................................................................................................ 7 5.1 Weerstanden tijdens experiment.................................................................................................. 7 5.2 Molaire geleidbaarheid ................................................................................................................. 8
6.
Hypothese ....................................................................................................................................... 9
7.
Experiment .................................................................................................................................... 10 7.1 Opstelling..................................................................................................................................... 10 7.2 Voorbereiding: Berekening ......................................................................................................... 11 7.3 Voorbereiding: Zoutoplossingen maken ..................................................................................... 13 7.4 Waterbruggen maken en waarnemingen ................................................................................... 14 7.5 Verwerking van de meetresultaten ............................................................................................. 22 7.5.1 Bodediagrammen ................................................................................................................. 22 7.5.2 Verwerking Bodediagrammen.............................................................................................. 25 7.5.3 Fasediagrammen .................................................................................................................. 26 7.5.4 Verwerking Fasediagrammen............................................................................................... 29 7.5.5 Nyquistdiagrammen ............................................................................................................. 30 7.5.6 Verwerking Nyquistplots ...................................................................................................... 35
8.
Conclusie ....................................................................................................................................... 36
9.
Discussie ........................................................................................................................................ 37
10.
Evaluatie .................................................................................................................................... 39
11.
Dankwoord ................................................................................................................................ 40
12.
Bronnen ..................................................................................................................................... 41
12.1 Afbeeldingen ............................................................................................................................. 41 12.2 Boeken ....................................................................................................................................... 41 12.3 Wetenschappelijke Artikelen .................................................................................................... 41 12.4 Websites .................................................................................................................................... 42
The Floating Waterbridge
3
3. De geschiedenis van de waterbrug
William George Armstrong (1810–1900; Afb. 1) was de eerste persoon die melding maakte over de vorming van een waterbrug. Hij heeft in 1893 een experiment gedaan waarbij een waterbrug werd geconstateerd. Dit deed hij door twee wijnglazen met puur water te vullen. Er zat dus in deze glazen een vloeistof die alleen bestond uit H2O-moleculen. Tussen de wijnglazen werd een katoenen draad gespannen waarvan de uiteinden in het water hingen. Daarna deed hij in beide glazen een elektrode en zette hier een hoge spanning op, waarschijnlijk rond de 15kV. Het fenomeen dat ontstond was een schijnbaar stabiele verbinding van water tussen de twee glazen door middel van een waterbrug. De draad werd door de elektrische stroom plotseling in een van de twee glazen getrokken, maar de waterbrug bleef voor een paar secondes bestaan. Meneer Armstrong was zo enthousiast over de waterbrug, dat hij het wilde demonstreren in Londen. Dit experiment mislukte helaas, waardoor hij niet kon laten zien dat hij de ontdekker was van dit fenomeen. Door zijn nauwkeurige omschrijving van zijn eerdere experiment, kreeg William George Armstong toch de eer voor het ontdekken van de waterbrug.
Afb. 1: William George Armstrong 2
Het fenomeen werd in de 19e en 20e eeuw niet nader onderzocht en werd vergeten tot in 2005 W. Uhlig van de ETH Zurich de waterbrug weer onder de aandacht bracht. Hij schreef hier geen artikel over, dus de waterbrug bleef alleen bekend binnen een geringe kring. In 2007 werd de waterbrug onder wereldwijde aandacht gebracht door Dr. E.C. Fuchs. Hij publiceerde op 21 September 2007 in Journal of Physics D: Applied Physics. In dit artikel werden verschillende bevindingen beschreven die Fuchs tijdens het creëren van waterbruggen ondervond. Hij heeft dit experiment destijds uitgevoerd met drievoudig gedeïoniseerd water. Hij ontdekte dat er tijdens het experiment warmte vrij kwam en dat deze temperatuur hoger werd naarmate de brug langer was. Fuchs had tijdens het experiment echter geen draad tussen de glazen gespannen, maar
Bron: 2,5-13,17
The Floating Waterbridge
4
vormde de waterbrug door een spanning op te bouwen tussen 60 ml glazen en concludeerde dat wanneer de glazen 25 mm uit elkaar stonden er 25.000 Volt nodig is om de waterbrug in stand te houden. Met deze publicatie was het onderwerp weer onder de aandacht gebracht en begonnen ook andere onderzoekers er mee te experimenteren. Ze probeerden verklaringen te vinden voor het feit dat de waterbrug in stand bleef zonder het draadje zoals William G. Armstrong suggereerde. In 2010 demonstreerde Fuchs dat een waterbrug niet alleen in water gevormd kan worden: ook in methanol (CH3OH) kwam een waterbrug tot stand. F. Saija, A.G. Marin en D. Lohse vormden ook waterbruggen in andere polaire stoffen en publiceerden hierover een wetenschappelijk artikel in 2010. J. Woisetschl채ger, K. Gatterer en E.C. Fuchs publiceerden in 2010 een verslag over de bevindingen die zij hadden ondervonden bij het maken van een waterbrug. Zij hebben het fenomeen waterbrug verder onderzocht met visualisatie en optische meettechnieken (Afb. 2).
Afb. 2: Floating Water Bridge met 35 kV hoogspanning
The Floating Waterbridge
5
4. Hoofdvraag
Onderzoek naar de waterbrug wordt meestal uitgevoerd met gede誰oniseerd water. In dit onderzoek wordt echter de waterbrug met zoutoplossingen onderzocht. De hoofdvraag luidt:
Hoe werkt een waterbrug wanneer er een zout in het water is opgelost? Deze vraag wordt beantwoordt met behulp van de waarnemingen die waar te nemen zijn wanneer er een hoge spanning op het water met het zout erin wordt gezet. Deze hoge spanning wordt op acht verschillende oplossingen gezet met elk een andere concentratie zout om zo een vergelijking tussen de gevormde waterbruggen te kunnen maken. Nadat er geprobeerd is voor een bepaalde tijd een waterbrug in het water te vormen, worden de samenstelling van de verschillende oplossingen onderzocht met behulp van meetapparatuur. Deze apparatuur stuurt een wisselstroom door een monster van een oplossing en zal tegelijk gegeven registreren over de oplossing. Met behulp van de volgende diagrammen zal er zich een duidelijk beeld van de samenstelling van het water ontstaan: - Bediagrammen, die de weerstand t.o.v. de frequentie weergeven. - Fasediagrammen, die de fasehoek t.o.v. de frequentie weergeven. - Nyquistplots, die aangeven in hoevere de energie in de oplossing wordt opgeslagen in een elektrisch of magnetisch veld of hoeveel energie wordt opgeslagen in warmte. Met behulp van deze gegevens wordt er geprobeerd om de hoofdvraag te beantwoorden. Hier wordt in meegenomen wat de verschillen zijn tussen de verschillende concentraties en de verbanden die er uit de diagrammen en waarnemingen zijn te halen.
The Floating Waterbridge
6
5. Theorie
5.1 Weerstanden tijdens experiment Tijdens het opzetten van de waterbruggen, maken we gebruik van gelijkstroom. Gelijkstroom is een elektrische stroom met een constante stroomrichting. We werken met gelijkstroom om zo een spanning op te bouwen voor de vorming van een waterbrug. Er is voor de vorming van een waterbrug namelijk sprake van een condensator. Een condensator is een soort weerstand die pas stroom doorlaat boven een bepaalde waarde. Tussen de bekerglazen bevindt zich een niet-geleidend materiaal, lucht. Wanneer de waterbrug wordt gevormd, is de spanning hoger geworden dan de condensator kan tegenhouden. Er ontstaat daardoor een weerstand tussen de twee bekerglazen: namelijk de waterbrug. Dit is een normale weerstand die afhangt van de geleidbaarheid van de oplossing waaruit de brug is gevormd. Terwijl er een waterbrug is, zal er nog steeds een condensator weerstand bestaan tussen de twee bekerglazen. Deze weerstand komt tot stand doordat de waterbrug zich wil uitbreiden over de hele breedte van het bekerglas (Fig. 1).
Fig. 1: Schematisch bovenaanzicht van een opstelling met een waterbrug (blauw) tussen de bekerglazen (golvend lichtblauw) met de plekken waar de condensator (rood) optreedt. De anode (plus) en de kathode 3 (min) staan in verbinding met elkaar door de waterbrug.
De condensator en de Ohmse weerstand zijn parallel geschakeld en aangesloten op een gelijkspanning. Na het vormen van de waterbruggen, willen we de impedantie van de verschillende oplossingen meten om zo te achterhalen hoeveel zout-ionen er verplaatst zijn naar het bekerglas waar de anode (de positief geladen elektrode) zich bevindt. Hetzelfde geldt voor het bekerglas waar de kathode in heeft gezeten (de negatief geladen elektrode). In beide bekerglazen wordt evenveel van dezelfde oplossing gedaan. Het meetapparaat dat we gebruiken bepaald de waardes in dit geval met een wisselspanning, er is dus sprake van een impedantie weerstand (Z). Deze impedantie weerstand is gelijk aan đ?‘? =
đ?‘ˆ đ??ź
met
eenheid Ί. Door te werken met een wisselspanning, zal er bij gelijkstroom geen elektrolyse optreden in de oplossingen. We bruiken KCl en daardoor zullen er Cl–-ionen naar de anode trekken en K+-ionen naar de kathode. Bron: 3, 4, 14,17,18
The Floating Waterbridge
7
5.2 Molaire geleidbaarheid Molaire geleidbaarheid is een maat voor de efficiĂŤntie waarmee een elektrolytoplossing stroom geleidt. De molaire geleidbaarheid is te berekenen met behulp van de volgende formule: Λđ?‘š = Λđ?‘š Ďƒ c
đ?œŽ đ?‘?
staat voor de molaire geleidbaarheid van de oplossing, met als eenheid S¡m2¡mol-1 staat voor de elektrische geleidbaarheid van de oplossing, met als eenheid S¡m-1 staat voor de molariteit van het elektrolyt, met als eenheid mol¡L-1
Om de waterbrug stabiel te houden, moet de elektrische geleidbaarheid zich tussen de 1,0¡10-4 S¡m-1 en de 1,0¡10-2 S¡m-1 bevinden. De molaire geleidbaarheid van een ion heeft een vaste waarde onder dezelfde omstandigheden. Zo heeft elk ion dus zijn individuele waarde. In de tabel hieronder (Tabel 1) is een aantal ionen gegeven. K+ (gearceerd met blauw) en Cl– (gearceerd met groen) zijn speciaal uitgelicht, want deze vormen samen het zout dat we hebben gebruikt voor het experiment. Tabel 1: Molaire geleidbaarheden behorende tot verschillende ionen.
4
Molaire geleidbaarheid van ionen bij 298 K in gedestilleerd water + 2 -1 − 2 -1 Kation Λ0 (S¡cm mol ) Anion Λ0 (S¡cm mol ) K+ 349,8 OH– 198,6 Li+ 38,7 F– 55,4 Na+ 50,1 Cl– 76,8 K+ 73,5 Br– 78,1 Rb+ 77,8 I– 76,8
De ‘wet van onafhankelijke migratie van ionen’ stelt dat: “Bij voldoende verdunning bewegen ionen volledig afhankelijk van elkaar. De wet stelt ook dat de molaire geleidbaarheid van een zout in oplossing volgt uit de som van de geleidbaarheden van de afzonderlijke ionen.� Deze wet is belangrijk voor de berekening van de hoeveelheid benodigd zout. De molaire geleidbaarheid van een zout is dus de waarden van de individuele ionen opgeteld.
Bron: 15,16
The Floating Waterbridge
8
6. Hypothese
De verwachtingen zijn dat een waterbrug die zich vormt, wanneer een zout in het water is opgelost, instabieler zal zijn dan een waterbrug met alleen gedeĂŻoniseerd water. Dit wordt vermoed omdat de geleidbaarheid van de oplossing toeneemt wanneer er een zout in is opgelost. Door een hogere geleidbaarheid zal de stroom makkelijker door het water heen kunnen gaan, de weerstand is immers kleiner en de geleidbaarheid hierdoor groter. Waarschijnlijk zal de kracht van de condensator nu kleiner worden en hierdoor wordt de waterbrug instabieler. Doordat de geleidbaarheid toeneemt naarmate de zoutconcentratie stijgt, is het vermoeden dat er minder spanning of meer stroom nodig zal zijn om een waterbrug te vormen en in stand te houden. De lagere weerstand (hogere geleidbaarheid) van het water zal dus een lagere spanning oftewel een grotere stroom opleveren. Dit is af te leiden uit de formule van de Wet van Ohm: đ?‘ˆ = đ??ź ∙ đ?‘…, oftewel de spanning (V) is gelijk aan de stroom (A) maal de weerstand (Ί). Ook is de verwachting dat er een concentratieverschil van K+ en Cl– ionen tussen de kathode en anode zal optreden, doordat in het ene bekerglas een kathode zit en in de andere een anode. De kathode zal de Cl– ionen afstoten en de K+ ionen aantrekken, want de stelregel is dat positieve polen negatieve polen aantrekken en andere positieve polen afstoten. Negatieve polen trekken positieve polen aan en stoten negatieve polen af. Bij de positieve elektrode (de anode) zal dus de concentratie Cl– ionen hoger zijn.
The Floating Waterbridge
9
7. Experiment 7.1 Opstelling
Ter voorbereiding van het experiment moeten de acht verschillende oplossingen gemaakt worden met verschillende concentraties KCl. Per oplossing wordt 500 ml gedeĂŻoniseerd water gebruikt. Hier wordt een (vooraf bepaalde) massa zout aan toegevoegd tot een (vooraf uitgerekende) molariteit. Er is gekozen voor 500 ml water, omdat er dan grotere hoeveelheden zout toevoegd moeten worden om de gewenste molariteit te krijgen. Deze grotere hoeveelheden zijn makkelijker af te meten waardoor er preciezere concentraties kunnen worden verkregen. Per oplossing worden twee bekerglazen met 66 Ă 67 gram van deze oplossing gevuld. In beide oplossingen wordt een platina elektrode geplaatst die verbonden is met een variabele gelijkstroom (Fig. 2). Via een regelkast wordt de grootte van de spanning (U) en stroom (I) bepaalt.
+
Cl-
Cl-
K+
K
+
-
Fig. 2: Schematische weergave van de schakeling voor het experiment.
5
Nadat de elektrische stroom is aangezet, zou er na een paar secondes al een waterbrug moeten ontstaan. Het is de bedoeling dat elke waterbrug voor 10 minuten in stand wordt gehouden. Deze tijd wordt gehanteerd om duidelijke gegevens uit de proef te kunnen krijgen. De oplossing is dan namelijk lang genoeg blootgesteld aan deze spanning om de vergelijkbare gegevens te verkrijgen. Van de ontstane oplossingen wordt de impedantie gemeten om zo te kijken wat de waterbrug voor verandering heeft veroorzaakt. Ook van deze beginoplossingen wordt de impedantie gemeten om zo een vergelijkbaar nulpunt te krijgen waar we de gegevens mee kunnen vergelijken. De impedanties en fasehoeken worden door een apparaat gemeten op frequenties van 100 Hz tot 10 MHz. De oplossing wordt gemeten tussen twee vergulde elektrodes. Elke oplossing wordt drie keer gemeten om zo foute metingen eruit te halen, die altijd op kunnen treden.
Bron: 6
The Floating Waterbridge
10
7.2 Voorbereiding: Berekening Voor het experiment moeten de molariteiten vast worden gesteld. Om de juiste hoeveelheid zout te krijgen, moeten de gewenste molariteiten omgerekend worden, zodat de hoeveelheid zout, dat wordt toegevoegd aan een bepaalde hoeveelheid water, kan worden vastgesteld in gram. Berekening: Minimale molariteit KCl volgt uit:
Λđ?‘š,đ??žđ??žđ??ž = •
đ?œŽđ??žđ??žđ??ž đ?‘?đ??žđ??žđ??ž
Λ đ?‘š,đ??žđ??žđ??ž volgt uit:
Λ đ?‘š,đ??žđ??žđ??ž = Λđ?‘š,đ??ž+ + Λđ?‘š,đ??śđ??śâˆ’
-
inv. geeft: Λ đ?‘š,đ??žđ??žđ??ž = 73,5 + 76,8 = 150,3 S¡cm2¡mol-1 = 1,503¡10-2 S¡m2¡mol-1 • inv. geeft:
1,503 ∙ 10−2 =
1,0∙10−7
1,0∙10−7 đ?‘?đ??žđ??žđ??ž
Λ đ?‘š,đ??ž+ = 73,5 S¡cm2¡mol-1
Λ đ?‘š,đ??śđ??śâˆ’ = 76,8 S¡cm2¡mol-1
đ?œŽđ??žđ??žđ??ž,đ?‘šđ?‘šđ?‘š = 1,0¡10-7 S¡m-1
đ?‘?đ??žđ??žđ??ž = 1,503∙10−2
cKCl = 6,65¡10-6 mol¡m-3 KCl cKCl = 6,65¡10-6 mol¡dm-3 KCl
Dus voor 1,0 liter water geeft de berekening een minimale molariteit van 6,653¡10-6 KCl. Bij de gebruikte hoeveelheid van 0,5 liter, betekent dit een aantal mol KCl van 3,327¡10-6 (de helft). De hoeveelheid van de stof volgt uit deze formule: â„Žđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œđ?‘œâ„Žđ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’đ?‘’(đ?‘šđ?‘šđ?‘š) =
inv. geeft:
massa(g) molaire massa(g/mol)
•
aantal mol = 3,327¡10-6 mol KCl
•
molaire massa (van KCl) = 74,55 g¡mol-1
3,327¡10-6 = massa / 74,55 massa = 3,327¡10-6 x 74,55 massamin. = 2,48¡10-4 gram
De minimale molariteit KCl is 6,65¡10-4 mol¡L-1, want de elektrische geleidbaarheid is 1,0¡10-5 S¡m-1 in plaats van 1,0¡10-7 S¡m-1 waardoor de molariteit ook ¡10-2 groter is. De molaire geleidbaarheid blijft hetzelfde, dus moet de molariteit evenredig groter worden met de elektrische geleidbaarheid (zie formule vorige pagina). De massa is ¡10-2 groter en dus: massamax = 2,48¡10-2 gram. De gegevens van de acht oplossingen zijn in Tabel 2 verwerkt.
The Floating Waterbridge
11
-7
-1
-5
-1
Tabel 2: Acht oplossingen tussen die grenswaarden: 1,0·10 S·m en 1,0·10 S·m .
Oplossing Elektrische geleidbaarheid (S·m-1) 1,00∙10-7 A 2,00∙10-7 B 5,00∙10-7 C 1,00∙10-6 D 1,50∙10-6 E 3,00∙10-6 F 4,00∙10-6 G 8,00∙10-6 H
The Floating Waterbridge
Molariteit KCl oplossing (mol·L-1) 6,65∙10-6 1,33∙10-5 3,33∙10-5 6,65∙10-5 9,98∙10-5 2,00∙10-4 2,66∙10-4 5,32∙10-4
12
Aantal mol KCl
Massa KCl (gram)
3,33∙10-6 6,65∙10-6 1,66∙10-5 3,33∙10-5 4,99∙10-5 9,98∙10-5 1,33∙10-4 2,66∙10-4
2,48∙10-4 4,96∙10-4 1,24∙10-3 2,48∙10-3 3,72∙10-3 7,44∙10-3 9,92∙10-3 1,98∙10-2
7.3 Voorbereiding: Zoutoplossingen maken
Afb. 3: Zoutoplossingen in maatkolfen
Afb. 4: Weegschaal (links) en pot met KCl (rechts)
Bij het maken van de oplossingen wordt één voor één de hoeveelheden zout per oplossing afgewogen. Dat is het handigst met behulp van een weegschaal (met een nauwkeurigheid van vijf decimalen in gram. Hoe nauwkeuriger hoe beter, maar deze meet vijf decimalen). Tabel 3: Gegevens over de verkregen oplossingen
Oplossing
Massa KCl (gram)
Aantal mol KCl
Molariteit (mol·L-1)
A B C D E F G H
2,5∙10-4 4,90∙10-4 1,22∙10-3 2,44∙10-3 3,72∙10-3 7,41∙10-3 1,00∙10-2 1,98∙10-2
3,4∙10-6 6,57∙10-6 1,64∙10-5 3,27∙10-5 4,99∙10-5 9,94∙10-5 1,34∙10-4 2,66∙10-4
Elektrische geleidbaarheid (S*m-1)
6,7∙10-6 1,32∙10-5 3,27∙10-5 6,55∙10-5 9,98∙10-5 1,99∙10-4 2,68∙10-4 5,31∙10-4
1,0∙10-7 1,98∙10-7 4,92∙10-7 9,84∙10-7 1,50∙10-6 2,99∙10-6 4,03∙10-6 7,98∙10-6
Deze afgewogen zoutmassa’s komen ieder in een maatkolf van 500mL. De volgende stap is iedere maatkolf vullen met gedeïoniseerd water tot de 500mL-streep. Het water heeft een weerstand van 18,2 MΩ·cm bij een temperatuur van 25 ºC. Dit is gegeven.
The Floating Waterbridge
13
7.4 Waterbruggen maken en waarnemingen
Afb. 5: De opstelling
Afb. 6: Een waterbrug van 8 mm
Afb. 7: Stabiele waterbrug gevormd. Er is te zien dat het waterpeil bij de kathode hoger is dan het waterpeil bij de anode.
The Floating Waterbridge
14
Tabel 4: Begingewichten van de oplossingen (zonder gewicht bekerglas)
Oplossing A B C D E F G H
Gewicht Anode (gram) 66,38 66,34 66,98 67,09 66,41 66,00 66,48 66,33
Gewicht Kathode (gram) 67,07 66,68 66,05 66,07 66,65 66,13 66,15 66,30
We hebben voor alle oplossingen een zo nauwkeurig mogelijke vergelijkbare hoeveelheid water genomen zodat de waterbrug zich elke keer onder dezelfde omstandigheden moest vormen. De gewichten van deze hoeveelheden water zijn tussen de 66 en 67 gram (zie Tabel 4). Twee hoeveelheden, namelijk bij oplossing A en bij oplossing D zijn buiten dit bereik, maar ze wijken niet meer dan 10 procent van de marge af. Door de hoeveelheden gelijk te houden, wilden we de omstandigheden waar het experiment zich in af speelde gelijk houden. Tabel 5: Evenwichtsspanning voor een stabiele waterbrug. Experiment B werd 2 keer gedaan, een keer met 2 mm en een keer met 0 mm bekerafstand.
Oplossing
Evenwichtsspanning na 10 min(kV)
Afstand tussen bekerglazen (mm)
A B B C D E F G H
7,97 8,00 10,30 9,00 6,98 7,03 4,50 7,06 5,04
8 2 0 0 0 0 0 0 0
Wat opvallend is aan deze resultaten is dat de evenwichtsspanning daalt (zie tabel 5). Dus naarmate de geleidbaarheid van het water toeneemt is er minder stroom nodig om de waterbrug constant te houden. Een verklaring hiervoor is dat de stroom door de hogere geleidbaarheid makkelijk door het water kan. Ook is er te zien dat er minder spanning nodig is naarmate de afstand tussen de bekerglazen vergroot wordt. Men zou juist verwachten dat er meer spanning nodig was omdat er meer zwaartekracht op de waterbrug werkt.
The Floating Waterbridge
15
Bij oplossing B bleek dat na 5 minuten de waterbrug niet meer in stand was te houden met een afstand van 2 mm. Er ontstond namelijk bliksem tussen de waterglazen in. Deze bliksem konden we niet wegkrijgen door de spanning naar beneden te draaien. Daarom hebben we de afstand tussen de bekerglazen weggenomen. Het blijkt dat hoe puurder het water is, hoe groter de afstand tussen de bekerglazen kan zijn om een stabiele waterbrug tot stand te laten komen. Tabel 6: Temperaturen oplossingen na afloop
Oplossing A B C D E F G H
Temperatuur Anode ( 0C )
Temperatuur Kathode ( 0C )
27,5 30,5 28,6 26,3 24,8 23,7 21,7 22,6
27,7 37,5 32,0 28,8 27,2 25,5 21,8 24,2
De temperaturen zijn ongeveer 15 minuten na het einde van de waterbrug gemeten (zie tabel 6). Dit in verband met het niet vervuilen van de oplossing voor het meten van de impedantie weerstand. De vloeistoffen zijn hierdoor 15 minuten blootgestaan aan een omgevingstemperatuur van rond de 21 0 C. Toch is te zien de dat het water rond de kathode warmer is dan het water rond de anode. Dit zou dus kunnen betekenen dat er tijdens een waterbrug meer warmte naar de kathode is gegaan. Een mogelijke verklaring hiervoor zou zijn dat het water van de anode naar de kathode stroomt en hierdoor dus ook de warmte. Aan de stoom is te zien dat er een warmteomzetting is in de waterbrug. Deze warmte wordt door de stroming naar het kathode bekerglas getransporteerd. We hebben de stoom die tijdens het experiment ontstond vastgelegd door de kamer te verduisteren en met een lamp tegen de camera in te schijnen, hierdoor werd de stoom zichtbaar (zie Afb. 8 op de volgende pagina).
The Floating Waterbridge
16
B
A
Afb. 8: Deze foto’s laten zien dat er tijdens het in stand houden van een waterbrug warmte vrij komt in de vorm van stoom. Dit fenomeen was niet bij elke waterbrug waar te nemen.
Het ‘Pomp-effect’ Diagram 1: Het ‘Pomp-effect’: Water stroomt naar de kathode-kant, waardoor het waterspiegel in de kathode hoger komt te liggen dat die aan de anode-kant totdat er plotseling een waterstroom terug gaat stromen. 7
Stroomverloop van 3 oplossingen
6
Stroom (mA)
5 4 Oplossing E
3
Oplossing G
2
Oplossing H
1 0 0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600
The Floating Waterbridge
17
Tijd (s)
Bij de oplossingen met een lage concentratie KCl is er sprake van, wat genoemd, een pomp-effect. De waterbrug transporteert water naar de kathode-kant, waardoor het waterspiegel in de kathode hoger komt te liggen dan die aan de anode-kant. Het verschil wordt groter totdat er plotseling een waterstroom terug gaat stromen. Deze blijft een paar seconden bestaan, waarna de oude situatie zich weer herstelt en het waterpeil bij de kathode weer stijgt en het waterpeil bij de anode daalt. De stroom laat een verband zien met het verschijnsel. Dit is te zien in de lijn van oplossing G van het figuur hierboven. De stroom daalt tot 1 mA wanneer het waterpeil van de anode daalt en die van de kathode stijgt. Wanneer de stroom een bepaalde tijd rond de 1mA heeft gefluctueerd, schiet de stroom plotseling tot 6 mA en stroomt er water vanuit het kathode-glas naar het anode-glas. Nadat er geen water meer terugstroomt begint de stroom vanaf 5,5 mA weer langzaam te dalen naar de 1mA. Het fenomeen wordt hieronder weergegeven. Dit terugpompeffect vind echter alleen plaats bij de 4 laagste zoutconcentraties oplossingen. Bij de hogere zout concentraties was er geen sprake van dit pomp-effect.
Afb. 9: Het pomp-effect weergegeven. Eerste is er alleen een water brug (A). Daarna ontstaat de terugstroom van water (B) de waterbrug neemt toe in dikte (C) en het waterspiegel van het anode-glas stijgt (D).
Bij de twee laagste zout concentraties werkt dit terugpomp-effect niet perfect. Het water wat wil terugstromen wordt deels tegengehouden, dit waarschijnlijk door het elektrisch veld dat zich om de stroom vormt, waardoor er een deel van het water dat terug wou stromen naast het glas belandt. Dit is te zien in Afb. 10 . Er is veel water naast het anode glas te komen.
The Floating Waterbridge
18
A
B
-6
-5
Afb. 10: Oplossing A met 6,71∙10 mol/L (a) en oplossing B met 1,32∙10 mol/L (b). Het terugstromen werkt niet, het water loopt uit de bekerglazen.
Dit is zeer opmerkelijk omdat bij Afb. 10b de bekerglazen tegen elkaar aan staan. Het water zou dus zonder moeite terug moeten kunnen stromen in het anode glas. Bij Afb. 10a is dit begrijpelijker, omdat de glazen hier 8 mm uit elkaar staan. Het water dat dan terug wil stromen zal tussen de bekerglazen in vallen. Een verklaring voor het feit dat er water naast de bekerglazen terecht komt terwijl de bekerglazen tegen elkaar aan staan kan zijn dat er door de stroom die er door het water loopt zich een magnetisch veld vormt dat het water afstoot. Het water naast het bekerglas vindt niet bij elke oplossing plaats, naarmate de zoutconcentratie toe neemt komt er steeds minder water naast de bekerglazen, dit kan komen doordat de spanning lager is bij de hogere concentraties, waardoor zich een zwakker magnetisch veld zal vormen.
The Floating Waterbridge
19
Luchtbellen
Afb. 11: Gasbellen op de elektrodes. Kathode (links) en anode (rechts)
Bij elke waterburg zijn er duidelijk meer luchtbellen op de anode te zien dan op de kathode(zie Afb. 11). Deze gasbellen duiden op ontleding van het water. Bij de kathode komt waarschijnlijk zuurstof vrij en bij de anode komt waarschijnlijk waterstof vrij. Dit komt doordat bij de kathode een teveel aan elektronen is, dus zal hier H2 ontstaan uit H+-ionen. En bij de anode is juist een tekort aan elektrodes en zullen de O2+-ionen O2 vormen. Dit kan de gasbellen rond de elektrodes verklaren (zie eq. 1 en 2). Bliksem
Afb. 12: Soms was er een blijvende bliksemstraal waar te nemen. Deze verdween weer wanneer de spanning terug werd gedraaid of er weer een waterbrug ontstond.
Wanneer de stroom van een waterbrug boven de 4 mA kwam ontstaat er in plaats van een pompeffect bij sommige oplossing een bliksemschicht tussen de bekerglazen in. Op het moment dat er bliksem was heeft de stroom een hoge waarde van rond de 6 mA. Blijkbaar heeft de bliksem een kleinere weerstand dan een waterbrug want tijdens de bliksem kunnen we op de meetapparatuur zien dat de stroom een hogere waarde krijgt.
The Floating Waterbridge
20
Nadat de bliksem is verdwenen doordat we de spanning verlagen, heeft de stroom tijd nodig om weer stabiel te worden. Er is bliksem ontstaan bij oplossingen B en F. Waarschijnlijk was er bij oplossing G ook sprake van bliksem, alleen voor ons slechts hoorbaar. We hebben de bliksemschicht bij G niet waargenomen met onze ogen, zelfs niet bij verduistering van de ruimte. De vraag blijft waardoor deze bliksem ontstaat. Een mogelijke verklaring hiervoor kan zijn dat het te maken heeft met het protonenverschil dat zich tussen de twee bekerglazen heeft gevormd. Bij de anode kant is een overschot van protonen en bij de kathode kant een vraag naar protonen, dit komt door de stroom die er loopt en de daarmee verbonden elektrolyse. Een bliksemschicht is een elektronenovergave. Er zal dus geen protonen over gegeven worden. De protonen verplaatsen zich alleen door de waterbrug. Dit betekent dat wanneer er bliksem is, elektrolyse op vier plekken zal plaatsvinden. Namelijk bij beide elektrodes, en bij de grensvlakken waar de bliksem het water raakt. Bij de vorming van een waterbrug zal alleen elektrolyse optreden bij de elektrodes. De reacties die plaatsvinden zijn oxidatie (“O” eq. 1) en reductie (“R” eq. 2). De pijlen geven de richtingen van de ladingstransporten aan: O: 2 H2O → O2↑ + 4 H+ + 4 e- (1) R: 2 H2O + 2 e- → H2↑ + 2 OH-
(2)
Deze twee situaties worden weergegeven in Fig. 3 electronen
electronen
+
10.0 kV
5.0
1.0 mA
+
kV
6.0 mA electronen
O R
protonen
R
R
O
protonen
protonen
O
Fig. 3: Ladingtransport ten tijde van de waterbrug (links) en ten tijde van de bliksem (rechts). Als er bliksem is, vindt elektrolyse op 4 plekken plaats en de lading stroomt dan deels als protonen en deels als elektronen door het systeem. Wanneer er een waterbrug is (links) stomen er alleen protonen door de vloeistof.
The Floating Waterbridge
21
7.5 Verwerking van de meetresultaten Door de impedantie weerstand van de ontstane oplossingen te meten kunnen we ontdekken wat de geleidbaarheid(Y) van de oplossingen is. Immers Z= 1/Y. De eenheid van Y is Siemens (S). Met deze geleidbaarheid kunnen we weer ontdekken wat de molariteit van het zout in de oplossingen is en in welke verhouding de Cl- en de K+ in de ontstane oplossingen zitten. De impedantie weerstand staat uitgebreider uitgelegd bij theorie. 6
7.5.1 Bodediagrammen Alle waardes (behalve de frequentie) zijn bepaald door het gemiddelde van drie metingen per oplossing te berekenen. De frequentiewaarden zijn ingesteld door het meetapparaat zelf. Deze frequenties lopen van 100 Hz tot 10MHz. Bij een bodediagram kun je aflezen wat de impedantiewaarde is bij een bepaalde frequentie. Bij ons zijn de impedantiewaardes gemeten bij frequenties tussen 100 Hz en 10 MHz.
Bodediagram van alle oplossingen 600000
500000 A
|Z| (Ohm)
400000
B C
300000
D E
200000
F G
100000
H
0 100
1000
10000
100000
Freq. (Hz) Diagram 2: Bodediagram van alle oplossingen voor experiment
Bron: 14
The Floating Waterbridge
22
1000000
10000000
Bodediagram van alle anode-oplossingen 200000 180000 160000 A
|Z| (Ohm)
140000
B
120000
C
100000
D
80000
E
60000
F
40000
G
20000
H
0 100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Freq. (Hz) Diagram 3: Bodediagram van alle anode-oplossingen na experiment
Bodediagram van alle kathode-oplossingen 500000 450000 400000 A
|Z| (Ohm)
350000
B
300000
C
250000
D
200000
E
150000
F
100000
G
50000
H
0 100
1000
10000
100000
Freq. (Hz) Diagram 4: Bodediagram van alle kathode-oplossingen na experiment
The Floating Waterbridge
23
1000000
10000000
Bodediagram referentie oplossing A 600000 500000
|Z| (Ohm)
400000 Oplossing A
300000
Anode A 200000
Kathode A
100000 0 100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Freq. (Hz) Diagram 5: Bodediagram referentie oplossing A
Bodediagram referentie oplossing D 80000 70000 60000
|Z| (Ohm)
50000 Oplossing D
40000
Anode D 30000
Kathode D
20000 10000 0 100
1000
10000
100000
Freq. (Hz) Diagram 6: Bodediagram referentie oplossing D
The Floating Waterbridge
24
1000000
10000000
Bodediagram referentie oplossing H 12000
|Z| (Ohm)
10000 8000 6000
Oplossingn H
4000
Anode H Kathode H
2000 0 100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Freq. (Hz) Diagram 7: Bodediagram referentie oplossing H
7.5.2 Verwerking Bodediagrammen Voortdurend zijn de waardes van de kathode hoger dan die van de anode. Wij denken dat dit komt doordat de K+ ionen worden aangetrokken door de kathode en de Cl- ionen worden aangetrokken door de anode. Hierdoor is er steeds een verschil opgetreden in de samenstelling van de oplossingen in beide bekerglazen (anode- en kathode-kant). Het feit dat in de anode-oplossing de geleidbaarheid het hoogst is komt mogelijk doordat de anode een hogere concentratie Cl- zal hebben. De anode is immers positief. Om dezelfde reden is de K+-concentratie aan kathode-kant het hoogst. De geleidbaarheid van Cl- ionen is hoger dan die van de K+ ionen (dit volgt uit tabel 1). Dus de anodeoplossingen hebben een kleinere impedantieweerstand. Wanneer we de waardes van de anode en kathode bij elkaar optellen, komen we op een hogere impedantieweerstand uit dan de beginoplossing. De impedantieweerstand van de anode- en kathode-oplossingen samen is (per frequentie) hoger dan die van de beginoplossing. Dit geeft aan dat de oplossingen door het experiment wel degelijk van samenstelling zijn veranderd. Dit komt mogelijk door ‘’migratie’’ van de ionen. Die migratie ontstaat door het ladingsverschil tussen de anode en kathode. De anode-waardes en kathode-waardes zijn opgeteld per frequentie steeds hoger dan die van de beginoplossing. Dit geeft aan dat de samenstelling veranderd is. Het feit dat de kathode en anode oplossingen een kleinere weerstand hebben dan de beginoplossing komt waarschijnlijk door de extra ionen die in het water zijn gevormd, namelijk H3O+ en OH-. 7
Bron: 15,16
The Floating Waterbridge
25
7.5.3 Fasediagrammen In een fasediagram kun je aflezen wat het faseverschil is bij een bepaalde frequentie. De frequenties die zijn gebruikt om te meten lopen van 100Hz tot en met 10MHz. Het faseverschil geeft aan hoeveel de weerstand achterloopt op de stroom bij wisseling van de stroomrichting.
Fasediagram van alle oplossingen 0 -10 -20
A
phi (ยบ)
-30
B
-40
C
-50
D
-60
E
-70
F
-80 -90
G
-100
H 100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Freq. (Hz) Diagram 8: Fasediagram van alle oplossingen voor experiment
Fasediagram alle anode-oplossingen 0 -10 -20 A
-30
B
phi (ยบ)
-40
C
-50
D
-60
E
-70
F
-80
G
-90
H
-100 100
1000
10000
100000 Freq. (Hz)
Diagram 9: Fasediagram van alle anode-oplossingen
The Floating Waterbridge
26
1000000
10000000
Fasediagram van alle kathode-oplossingen 0 -10 -20
A
-30
B
phi (ยบ)
-40
C
-50
D
-60
E
-70
F
-80
G
-90
H
-100 100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Freq. (Hz) Diagram 10: Fasediagram van alle kathode-oplossingen
Fasediagram referentie oplossing A 0 -10 -20
phi (ยบ)
-30 -40 -50
Oplossing A
-60
Anode A
-70
Kathode A
-80 -90 -100 100
1000
10000
100000
Freq. (Hz) Diagram 11: Fasediagram referentie oplossing A
The Floating Waterbridge
27
1000000
10000000
phi (ยบ)
Fasediagram referentie oplossing D 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
Oplossing D Anode D Kathode D
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
Freq. (Hz) Diagram 12: Fasediagram referentie oplossing D
phi (ยบ)
Fasediagram referentie oplossing H 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90
Oplossing H Anode H Kathode H
100
1000
10000
100000
Freq. (Hz) Diagram 13: Fasediagram referentie oplossing H
The Floating Waterbridge
28
1000000
10000000
7.5.4 Verwerking Fasediagrammen Het faseverschil is bij de anode-oplossingen het kleinst, bij de kathode-oplossing groter en bij de beginoplossingen het grootst. Dit betekent dat de moleculen in de anode-oplossingen zich sneller opnieuw kunnen rangschikken, wanneer de spanningsrichting wisselt. Voor hogere concentraties zout geldt hetzelfde als voor de anode oplossing ten opzichte van de lagere concentraties. Er bevindt zich nu namelijk een hogere concentratie ionen in het water, die een hogere geleidbaarheid hebben dan puur en alleen H2O. Hierdoor is het faseverschil is kleiner. De kathode heeft meer ionen in de oplossing dan de beginoplossing. Dit is af te leiden uit de lagere impedantieweerstand. Het is vanzelfsprekend dat KCl een ionisatiegraad heeft van 100%, dus deze valt buiten beschouwing, aangezien dit zout volledig oplost in water. Bij hogere zoutconcentraties is hetzelfde waar te nemen ten opzichte van lagere zoutconcentraties. De hogere zoutconcentraties hebben een kleiner faseverschil bij dezelfde frequenties. Dit komt doordat er een hogere concentratie K+ en Cl- ionen zijn, want er is natuurlijk meer zout opgelost in het water..8
Bron: 3,4
The Floating Waterbridge
29
7.5.5 Nyquistdiagrammen In een Nyquistplot is af te lezen hoeveel energie verloren gaat aan warmte en hoeveel energie wordt opgeslagen in de oplossing. Het reële getal op de x-as geeft aan hoeveel energie wordt omgezet in warmte. Het imaginaire getal op de y-as geeft de grootte aan van de hoeveelheid energie die wordt opgeslagen in een elektrisch of magnetisch veld. We werken hier met een imaginaïr getal omdat de impedantieweerstand een complex getal is. Complexe getallen bestaan uit een reëel deel, dus de getallen die we kennen, en een imaginair deel, is geen concreet getal maar een denkbeeldig iets.
Nyquistplot van alle oplossingen 300000 250000 A
-Im (Z)
200000
B C
150000
D E
100000
F G
50000
H
0 0
100000
200000
300000 Re (Z)
Diagram 14: Nyquistplot van alle oplossingen voor experiment
The Floating Waterbridge
30
400000
500000
600000
Nyquistplot van alle oplossingen 80000
60000
A
-Im (Z)
B C
40000
D E F
20000
G H
0 0
20000
40000
60000
80000
100000
Re (Z) Diagram 15: Diagram 14 ingezoomd
Nyquistplot met alle anode-oplossingen 100000 90000 80000
A
-Im( Z)
70000
B
60000
C
50000
D
40000
E
30000
F
20000 10000
G
0
H 0
20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 Re (Z)
Diagram 16: Nyquistplot van alle anode-oplossingen
The Floating Waterbridge
31
Nyquistplot met alle anode-oplossingen 20000 18000 16000
A
-Im (Z)
14000
B
12000
C
10000
D
8000
E
6000
F
4000 2000
G
0
H 0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
Re (Z) Diagram 17: Diagram 16 ingezoomd
Nyquistplot van alle kathode-oplossingen 250000
-Im (Z)
200000
A B
150000
C D
100000
E F
50000
G H
0 0
50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000 500000 Re (Z)
Diagram 18: Nyquistplot van alle kathode-oplossingen
The Floating Waterbridge
32
Nyquistplot van alle kathode-oplossingen 100000
80000 A B
60000 -Im (Z)
C D 40000
E F G
20000
H
0 0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
Re (Z) Diagram 19:Diagram 18 ingezoomd
Nyquistplot referentie oplossing A 300000 250000
-Im (Z)
200000 Oplossing A
150000
Anode A
100000
Kathode A
50000 0 0
100000
200000
300000 Re (Z)
Diagram 20: Nyquistplot referentie oplossing A
The Floating Waterbridge
33
400000
500000
600000
Nyquistplot referentie oplossing D 40000 35000
-Im (Z)
30000 25000 20000
Oplossing D
15000
Anode D
10000
Kathode D
5000 0 0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Re (Z) Diagram 21: Nyquistplot referentie oplossing D
Nyquistplot referentie oplossing H 6000 5000
-Im (Z)
4000 Oplossing H
3000
Anode H
2000
Kathode H
1000 0 0
2000
4000
6000
8000
Re (Z) Diagram 22: Nyquistplot oplossing H
The Floating Waterbridge
34
10000
12000
7.5.6 Verwerking Nyquistplots Hoe groter de zoutconcentratie van een oplossing, hoe kleiner de halve cirkel van de plot is. Dit betekent dat de hoeveelheid energie die nodig is voor de omzetting van de reĂŤle waarde, het magnetisch of elektrisch veld, van de impedantieweerstand naar imaginaire waarde, warmte, kleiner is naarmate de zoutconcentratie groter is. In de referentiediagrammen is te zien dat de waarde van de weerstand van de anode het laagst is. En de beginoplossing het hoogst. In de Anode is het makkelijkst energie op te slaan, omdat hier de weerstand het kleinst is (zie diagram 16,17,18,19) . Uit de Nyquistplots blijkt dat naarmate de geleidbaarheid van een oplossing toeneemt, wordt er minder energie opgeslagen (zie diagram 20,21,22). Ook gaat minder energie verloren aan warmte naarmate de zoutconcentratie toeneemt, want de halve cirkel in de Nyquistplots worden kleiner naar mate de zoutconcentratie stijgt. 9
Bron: 14
The Floating Waterbridge
35
8. Conclusie
De hoofdvraag die we ons voor het experiment stelden was: Hoe werkt een waterbrug wanneer er een zout in het water is opgelost? Uit het experiment is ten eerste gebleken dat wanneer de geleidbaarheid van een oplossing tussen de 1,0路10-7 S路m-1 en 1,0路10-5 S路m-1 ligt. De afstand tussen de bekerglazen was echter wel 0mm anders zou zich geen waterbrug gevormd kunnen hebben. Hoewel zich een waterbrug kon vormen in water met kaliumchloride erin bleek dat de brug wel veel instabieler was geworden. Zoals gezegd moesten de bekerglazen tegen elkaar aan staan. Bij de eerste twee zoutoplossingen kon zich nog een afstand tussen de bekerglazen bevinden voor een waterbrug, maar naarmate de zoutconcentraties toenamen was dit niet meer mogelijk. Uit de metingen is op te maken dat er warmte ontstaat tijdens een waterbrug. Zo waren zowel de anode- als kathode-oplossing opgewarmd en zagen we stoom ontstaan boven de waterbrug. De kathode was in elke meting warmer dan de anode. Het water bij de kathode warmt dus meer op dan bij de anode. Bovendien blijkt uit de fasediagrammen, bodediagrammen en nyquistplots dat de concentraties zout zijn veranderd. In het ene bekerglas was namelijk de geleidbaarheid hoger geworden dan in het andere bekerglas. Dit duidt er dus op dat een waterbrug zout kan transporteren.
The Floating Waterbridge
36
9. Discussie
Aan de hand van de gevonden resultaten tijdens het experiment hebben we verschillende aannames hieronder opgesteld. Deze aannamen kunnen we niet bewijzen aangezien we ons tijdens het experiment hier niet op gefocust hebben. In een vervolg onderzoek zullen we ons kunnen specificeren op een van de volgende punten om de vermoedens die we hebben te bewijzen.
1) Een verder onderzoek kan uitwijzen of de impedantiewaarde weer hersteld wordt naar zijn oorspronkelijke waarde wanneer de anode- en kathode-oplossingen weer bij elkaar worden gedaan. Dit hebben we echter niet onderzocht en verder onderzocht moeten worden.
2) Een verder onderzoek kan uitwijzen waarom de anode- en kathode-oplossingen van oplossing B en C in alle diagrammen zijn omgewisseld in volgorde (zie bodediagrammen, fasediagrammen en nyquistplots van na het experiment). Een alfabetische volgorde zou namelijk logisch zijn. Niet A, C, B, D, E, F, G, H. Een mogelijke verklaring kan zijn hiervoor hebben is dat door bliksem meer ionen in het water zijn gekomen. Bij oplossing B was sprake van bliksem en bij C was dit niet het geval. Door de bliksem zal ionisatie van lucht optreden. De ionen die zijn gevormd uit de moleculen uit de lucht zullen hoogstwaarschijnlijk in het water oplossen, waardoor de samenstelling van de oplossingen be誰nvloed zal worden. De waarde van F zal in verhouding dus ook meer ionen hebben, want hier heeft ook bliksem plaats gevonden. Het feit dat de lijn van oplossing F nog tussen die van E en G zit, komt waarschijnlijk door de grotere verschillen in zoutconcentraties.
3) Een verder onderzoek kan uitwijzen waardoor er bij verschillende oplossingen water naast het bekerglas stroomt, terwijl hier geen enkele reden toe was. De bekerglazen stonden immers tegen elkaar aan. Onze hypothese is dat dit komt door een magnetisch veld. Wanneer men bijvoorbeeld stroom door een draad laat lopen ontstaat er ook een magnetisch veld om deze draad heen. Bij een waterbrug stroomt er ook stroom door het water. Deze stroom zal hoogstwaarschijnlijk ook een magnetisch veld veroorzaken waardoor er water naast het glas stroomt.
The Floating Waterbridge
37
4) Uit onze waarnemingen en meetresultaten hebben we geen verband kunnen leggen tussen de hoeveelheid opgelost zout en stabiliteit van de brug. Er lijkt geen aantoonbaar verband te leggen tussen de evenwichtsspanning en de zoutconcentratie (tabel 4). Mogelijk komt dit door de opstelling van ons experiment. Voordat men hier een conclusie uit kan trekken zal dit verder onderzocht moeten worden.
5) Nyquistplot in diagram 22 wijkt een beetje af van de standaardvorm hij gaat namelijk aan het eind van de halve cirkel weer omhoog. Die concentratie zou opnieuw gemeten moeten worden. Wij weten niet waardoor dit komt. Dit zou verder onderzocht kunnen worden en misschien ontstaat er wel een patroon door bijvoorbeeld nog hogere zoutconcentraties te nemen.
6) Uit de nyquistplots bleken dat er energie zit opgeslagen in het water. Dit kan duiden dat het water kan dienen als opslag van energie, oftewel als een batterij. Dit zal echter verder onderzocht moeten worden.
The Floating Waterbridge
38
10. Evaluatie
Proces Tijdens het proces naar dit profielwerkstuk toe zijn ons enige punten opgevallen. Zo willen we de volgende keer een laser gebruiken om de temperatuur van de kathode- en anode-oplossing te meten gebruiken. Dit omdat de meetresultaten die we nu hebben vergaart niet goed genoeg zijn om een conclusie uit te trekken, aangezien we de temperaturen niet gelijk na het stop zetten van de waterbrug konden meten. Wanneer we dit wel hadden gedaan zouden we de oplossing vervuilen. Het was zorgvuldiger geweest het stroomverloop van alle oplossingen bij te houden. Wij hebben dit nu alleen ter indicatie gedaan bij oplossing E, F en G. Dit hadden we het beste voor alle oplossingen kunnen doen en met kleinere tijdsintervallen. Op die manier hadden we een completer beeld gekregen van de werking van een waterbrug, specifiek met zoutconcentraties. Wij zijn erg tevreden over de meetresultaten. Er is ruimte voor verbetering in kwaliteit van onderzoek doen, voor vervolgonderzoek. De resultaten geven echter wel een indicatie voor de werking van een waterbrug met zoutoplossingen. Product We zijn zeer tevreden over het resultaat van ons Profielwerkstuk. Tijdens het proces kwamen we erachter dat we iets aan het onderzoeken waren wat nauwelijks tot niet onderzocht was. Er was weinig informatie te vinden over het fenomeen waterbrug. Hierdoor moesten we ons verplaatsen in de basisformules en regels binnen de natuurkunde om zo een beeld te krijgen van wat zich allemaal afspeelt bij de waterbrug. Het onderzoek naar de waterbrug was zeer interessant en we hebben geproefd aan het doen van een wetenschappelijk onderzoek.
The Floating Waterbridge
39
11. Dankwoord
We zijn Wetsus zeer dankbaar voor de mogelijkheden de ons geboden zijn om begeleiding te krijgen voor ons profielwerkstuk. We vonden het bijzonder dat we betrokken mochten zijn bij zo’n speciaal onderzoek. In het bijzonder willen we Dr. E.C. Fuchs bedanken voor al zijn tijd en dat we hem mochten ondersteunen in zijn onderzoek. Wij hebben veel profijt gehad van zijn suggesties en
commentaar bij het verwerken van de resultaten en met het schrijven van ons profielwerkstuk. Dhr. J. Reiker willen we bedanken voor zijn begeleiding bij ons PWS. Hij heeft ons kunnen helpen bij de basis van ons PWS, maar ook bij ingewikkeldere natuurkundige stof. Als laatste willen we ook Dhr. Axel S.L. SjĂśqvist bedanken voor zijn hulp en uitleg bij het opstellen van de diagrammen in Excel.
The Floating Waterbridge
40
12. Bronnen 12.1 Afbeeldingen
1. Dunster, I. (2006, Januari 12). Wiliam George Armstrong. Opgeroepen op Augustus 16, 2014, van Wikipedia: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/41/William_george_armstrong.jpg 2. Gmaxwell. (2007, September 29). Floating water bridge. Opgeroepen op Augustus 16, 2014, van Wikipedia: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Floating_water_bridge.jpg
12.2 Boeken 3. Griancoli, D. C. (2000). Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics. New Jersey: Prentice Hall. 4. McGraw-Hill. (1965). Electricity and magnetism berkely physics course - volume 2. New York: McGraw-Hill.
12.3 Wetenschappelijke Artikelen 5. Eisenhut, M., Guo, X., Paultisch-Fuchs, A., & Fuchs, E. (2011). Aqueous phenol and ethylene glycol solutions in electrohydrodynamic liquid bridging. Central European Journal of Chemistry, 391-403. 6. Fuchs, E. (2010). Can a Century Old Experiment Reveal Hidden Properties of Water? Water, 381-410. 7. Fuchs, E., Wexler, A., Paulitsch-Fuchs, A., Agostinho, L., Yntema, D., & Woisetschl채ger, J. (2014). The Armstrong experiment revisited. The European Physical Journal Special Topics, 959-977. 8. Griancoli, D. C. (2000). Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics. New Jersey: Prentice Hall. 9. McGraw-Hill. (1965). Electricity and magnetism berkely physics course - volume 2. New York: McGraw-Hill. 10. Nishiumi, H., & Honda, F. (2009). Effects of Electrolyte on Floating Water Bridge. Research Letters in Physical Chemistry, 1-3. 11. Piatkowski, L., Wexler, A., Elmar C., F., Schoenmaker, H., & Bakker, H. (2012). Ultrafast vibration energy relaxation of the water bridge. Physical Chemistr Chemical Physics, 61606164. 12. Woisetschl채ger, J., Gatterer, K., & Fuchs, E. (2010). Experiments in a floating water bridge. Exp Fluids, 121-131. 13. Woisetschl채ger, J., Wexler, A., Holler, G., Eisenhut, M., Gatterer, K., & Fuchs, E. (2012). Horizontal bridges in ploar dielectric liquids. Exp Fluids, 193-205.
The Floating Waterbridge
41
12.4 Websites 14. Impedantie. (2014, November 11). Opgeroepen op Augustus 16, 2014, van Wikipedia: http://nl.wikipedia.org/ 15. Molaire geleidbaarheid. (2013, Maart 16). Opgeroepen op Augustus 16, 2014, van Wikipedia: http://nl.wikipedia.org/ 16. Molare Leitf채higkeit. (2014, December 10). Opgeroepen op Augstus 16, 2014, van Wikipedia: http://de.wikipedia.org/ 17. Water thread experiment. (2014, November 25). Opgeroepen op Augustus 16, 2014, van Wikipedia: http://en.wikipedia.org/ 18. Waterbrug. (2013, April 7). Opgeroepen op Augustus 16, 2014, van Wikipedia: http://nl.wikipedia.org/
The Floating Waterbridge
42