Sexl Physik 8, Schulbuch

VERTIEFUNG UND WIEDERHOLUNG  Untersuche, überlege, forsche: Aufprallsensoren für Airbags 112.1 W 1  Nimm an, ein Auto fährt mit der Geschwindigkeit v = 10m/s frontal auf ein Hindernis. Bei einem Abstand von 50 cm zum Lenkrad würde es 50ms dauern (nachrechnen!), bis der Fahrer/ die Fahrerin auf das Lenkrad aufschlägt. Ermittle anhand dieser Daten, in welcher Zeitspanne ein Aufprallsensor das Signal zum Zünden des chemischen Treibsatzes zum Aufblasen des Airbags geben muss. Welche zusätzlichen Faktoren spielen dabei eine Rolle? c) Im Bereich der Elektronik ist die Verkleinerung der Komponenten sehr weit fortgeschritten. Die technische Entwicklung läuft darauf hinaus, immer mehr elektronische Funktionen auf einem Bauteil zu vereinigen. Voraussetzungen dazu sind Verfahren, bei denen man geeignete Mikrostrukturen in Halbleitermateriali- en erzeugt (s. Physik 7, S. 28). So lassen sich Transistoren, Dioden, Widerstände, Kondensatoren, Leiterbahnen usw. zu winzigen elektronischen Schaltungen verei- nigen. Auf einem einzigen Chip können Millionen von Transistoren Platz finden. Dadurch entstehen Mikroprozessoren für Computer, die eine enorme Rechenleis- tung auf kleinstem Raum vereinen. Der Informationsgehalt einer ganzen Biblio- thek passt auf einen einzigen Chip. Eine Begrenzung dieser Entwicklung ist durch die Abmessungen des Atoms gegeben, sie liegt also im Nanometer-Bereich. In der organischen Elektronik ( Polymerelektronik ) werden statt Silicium Makro­ moleküle (Polymere) aus ringförmigen Kohlenstoffverbindungen als Halbleiterma- terial verwendet. Aus Polymeren lassen sich Schaltungen, im Unterschied zu Siliciumchips, sogar drucktechnisch als Massenprodukte erzeugen. Dies ist sehr preisgünstig und eröffnet damit neue Anwendungsgebiete. So können z. B. so ge- nannte Transponder-Chips ( RFID-Chips ) in Waren im Supermarkt eingebaut wer- den. Die auf ihnen gespeicherte Information (Ablaufdatum, Preis, …) kann per Funk abgerufen werden und erleichtert das Warenmanagement und das Einkaufen.  Untersuche, überlege, forsche: Smart Labels 112.2 W 1  Smart Labels (Smart Tags) sind RFID-Transponder, die inkl. Antenne auf einer Folie aufgebracht und so in Etiketten integriert werden können (  112.3 ). Sie er- möglichen eine berührungslose Auslesung der gespeicherten Daten. Finde her- aus, wie dabei die Kommunikation zwischen Lesegerät und Smart Label funktio- niert, welche physikalischen Prinzipien werden dabei ausgenützt? Erkundige dich über die Einsatzgebiete von Smart Labels! 2.3 Nanotechnologie – Nanophysik Was haben formstabile Zahnplomben, leuchtende Wandtapeten und verwandlungs- fähige Fenster (diese können je nach Bedarf Spiegel, Lichtquelle, Sonnenschutz oder Fotovoltaikzelle sein) gemeinsam? Es könnte sie nicht geben, wenn man nicht auf die dafür nötigen Materialien zurückgreifen könnte. Vor allem die Materialfor- schung in der winzigen Welt der Nanotechnologie ist ein Grundstein, auf dem die Fortschritte in fast allen Bereichen der Hochtechnologie aufbauen. Dabei werden Strukturen von 1 bis 100nm Größe – das ist etwa tausendmal kleiner als ein rotes Blutkörperchen – manipuliert. Die Nanotechnologie nutzt dabei (neuartige) Effekte allerkleinster Strukturen. Der Gründungsmythos der Nanotechnologie geht angeblich auf einen Vortrag des berühmten Physikers R ichard F eynman unter dem Titel „There is plenty of room at the bottom“ zurück (gehalten 1959 im California Institute of Technology). Er dachte unter anderem darüber nach, ob es möglich sei, alle Bände der Encyclopaedia Bri- tannica auf einen Stecknadelkopf zu schreiben. Er schloss seinen Vortrag damals mit der Aussicht, dass es eines Tages möglich sein werde, völlig neue Stoffe herzu- stellen, indem Physiker/innen Atome dort platzieren, wo Chemiker/innen sie ha- ben wollen. Was die Nanowelt so einzigartig macht, sind zwei besondere Eigenschaften: Zum einen gelten bei Größenordnungen unter rund 50nm nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik, sondern jene der Quantenmechanik. Daher können die Mate- rialien völlig neue optische, magnetische oder elektrische Fähigkeiten annehmen. 112.1 Mikromechanischer Beschleunigungs- sensor für Airbag (1 Deckel, 2 Sensor-Chip, 3 Sensormesszelle, 4 Auswerteelektronik) (Versuche und weitere Informationen zum Thema Airbag unter physikplus.oebv.at) . 1 4 4 2 2 3 5 6 112.2 Funktionsprinzip der Sensormesszelle: Bei Beschleunigung ändert sich die Kapazität. Ist diese Änderung genügend schnell, löst der Sensor aus (1 federnde Masse mit Elektroden, 2 Federung, 3 und 5 feste Elektroden, 4 Al-Lei- terbahn, 6 Siliciumoxid als Trägermaterial). 112.3 Flughäfen experimentieren zurzeit mit Smart Labels zur Gepäckidentifikation. Dabei werden die Resultate der Röntgenuntersu- chung direkt auf einem Chip (auf der Rückseite des Etikettes) gespeichert, wovon man sich ei- nen zusätzlichen Sicherheitsgewinn verspricht.  112 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv