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StrukturbildStrukturbildungungin derin derNaturNatur

Definition Struktur:Definition Struktur:

• gegliederter Aufbaugegliederter Aufbau

• erkennbare Ordnungerkennbare Ordnung

Strukturbildung in der Strukturbildung in der NaturNatur

Strukturbildung in der Strukturbildung in der NaturNatur

Exemplarische Beispiele:Exemplarische Beispiele:

Exemplarische Exemplarische BeispieleBeispiele

Verschiedenheit der Verschiedenheit der Strukturbildungen anhand von Strukturbildungen anhand von SchneeflockenSchneeflocken

Strukturbildung in der Strukturbildung in der NaturNatur

SchneeflockSchneeflockenen

Verschiedenheit der Verschiedenheit der Strukturbildungen anhand von Strukturbildungen anhand von SchneeflockenSchneeflocken

Strukturbildung in der Strukturbildung in der NaturNatur

SchneeflockSchneeflockenen

Anforderung an ein Anforderung an ein Experiment:Experiment:• relativ einfache relativ einfache physikalische Mittelphysikalische Mittel

• gut messbarer „Input und gut messbarer „Input und Output“Output“

• Phänomen mit alltäglichem Phänomen mit alltäglichem BezugBezug

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

Wasserkonvektion zwischen zwei Wasserkonvektion zwischen zwei Metallflächen unterschiedlicher Metallflächen unterschiedlicher

TemperaturTemperatur

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

Notwendiges Wissen:Notwendiges Wissen:• Warum gibt es Konvektion in Fluiden Warum gibt es Konvektion in Fluiden und Gasen?und Gasen?• Was ist ein Peltier-Element?Was ist ein Peltier-Element?• Wie kann man mittels Bimetallen Wie kann man mittels Bimetallen Temperaturunterschiede messen?Temperaturunterschiede messen?• Wie kann man Wasserkonvektionen Wie kann man Wasserkonvektionen sichtbar machen?sichtbar machen?

Konvektion in Fluiden und GasenKonvektion in Fluiden und Gasen

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

• Wasser erwärmt sich und Wasser erwärmt sich und dehnt sich dadurch aus.dehnt sich dadurch aus.• Aufgrund der geringeren Aufgrund der geringeren Dichte steigt das Dichte steigt das erwärmte Wasser auf.erwärmte Wasser auf.• An der Oberfläche kühl An der Oberfläche kühl das Wasser ab und „fällt“ das Wasser ab und „fällt“ wieder auf den Topfboden wieder auf den Topfboden zurück.zurück.

Das Peltier-ElementDas Peltier-Element

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

Peltier-Peltier-ElementElement

• Das Potential der Das Potential der Elektronen im p-dotierten Elektronen im p-dotierten Halbleiter ist niedriger als Halbleiter ist niedriger als das im Metall.das im Metall.• Das Potential der Elektronen im n-dotierten Das Potential der Elektronen im n-dotierten Halbleiter ist höher als das im Metall.Halbleiter ist höher als das im Metall.• Durch die Durch die Potentialdifferenzen Potentialdifferenzen verringert sich die verringert sich die Temperatur im blau Temperatur im blau gekennzeichnet Material gekennzeichnet Material und erhöht sich im rot und erhöht sich im rot gekennzeichneten gekennzeichneten Material.Material.

ThermospannungThermospannung

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

ThermospannThermospannungung

• Die Bimetallspannung zwischen zwei Die Bimetallspannung zwischen zwei verschiedenen Metallen ist abhängig von der verschiedenen Metallen ist abhängig von der Temperatur der Kontaktstelle (Seebeck-Effekt).Temperatur der Kontaktstelle (Seebeck-Effekt).• Wenn die zwei Leiter an ihren Wenn die zwei Leiter an ihren Enden verbunden sind, gleichen Enden verbunden sind, gleichen sich die Spannungen aus, wenn sich die Spannungen aus, wenn die Temperaturen der die Temperaturen der Kontaktstellen gleich sind.Kontaktstellen gleich sind.• Bei unterschiedlichen Bei unterschiedlichen Temperaturen tritt eine Temperaturen tritt eine allerdings Spannung auf.allerdings Spannung auf.• Über die Spannung lässt Über die Spannung lässt sich die Temperaturdifferenz sich die Temperaturdifferenz bestimmen.bestimmen.

Wie kann man Wasserkonvektion sichtbar Wie kann man Wasserkonvektion sichtbar machen?machen?

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

• Der Brechungsindex von Wasser ist Der Brechungsindex von Wasser ist abhängig von der Dichte und somit von abhängig von der Dichte und somit von der Temperatur.der Temperatur.• In den kalten Strömungen findet In den kalten Strömungen findet aufgrund des höheren Brechungsindexes aufgrund des höheren Brechungsindexes eine Bündelung statt.eine Bündelung statt.• Wenn man die Konvektionszone auf Wenn man die Konvektionszone auf eine Leinwand projiziert, erhält man eine Leinwand projiziert, erhält man dunkle Flecken für die warmen dunkle Flecken für die warmen Konvektionszonen und helle für die Konvektionszonen und helle für die kalten Konvektionszonen.kalten Konvektionszonen.

Ergebnisse des ExperimentsErgebnisse des Experiments

Experiment zur Experiment zur StrukturbildungStrukturbildung

• Unter bestimmten Bedingungen Unter bestimmten Bedingungen verhält sich Vielteilchensysteme nicht verhält sich Vielteilchensysteme nicht turbulent, bzw. chaotisch, sondern turbulent, bzw. chaotisch, sondern entwickeln Strukturen.entwickeln Strukturen.

• Die Temperatur beeinflusst zwar die Die Temperatur beeinflusst zwar die Intensität der Struktur, jedoch nicht ihre Intensität der Struktur, jedoch nicht ihre prinzipielle Form.prinzipielle Form.

• Die Bedingungen für eine Die Bedingungen für eine Strukturbildungen besitzen eine große Strukturbildungen besitzen eine große Toleranz.Toleranz.