Wechselstrom. Versuch 1a Wechselstromgenerator Dynamo Leerlauf. Wasser. Dynamo. Klemme. Oszilloskop (alt) Loch. 5 V/cm 1 ms

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1 Versuch 1a Wechselstromgenerator Dynamo Leerlauf Dynamo Wasser Klemme Loch Oszilloskop (alt) y-shift time 5 V/cm 1 ms Generatorprinzip: Rotiert eine Leiterschleife (Spule) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in einem homogenen Magnetfeld, so wird in ihr eine Wechselspannung induziert V Es sind 6 V eff zu erwarten, das sind für die Scheitelspannung.

2 Versuch 1b Wechselstromgenerator Dynamo Belastung Dynamo Wasser Klemme Fahrradlämpchen 10 V / 50 ma Loch Zuerst nur 1 Lämpchen schalten, dann 2 parallel Drehzahl sinkt bei Belastung.

3 Versuch 2a FI - Schalter Der FI-Schalter enthält einen kleinen Transformator mit zwei Primärspulen, die die gleiche Windungszahl besitzen, aber entgegengesetzt gewickelt sind. Die eine wird vom zufließenden Strom, die andere vom abfließenden durchflossen. Im Regelfall hebt sich der magnetische Fluss im Eisenkern auf. Besteht jedoch zwischen den beiden Stromstärken ein Unterschied von wenigen ma, so reicht das im Trafokern vorhandene Wechselfeld aus, um in der Sekundärspule einen Strom zu induzieren, der über ein Relais augenblicklich den Stromkreis unterbricht.

4 Versuch 2b FI Schalter Test Glimmlampe Glühlampe Steckdose Erdung Phase Null 1 2 1, 2 1) Phasenleiter bleibt, Nullleiter mit Erdung verbinden Lampe blitzt auf, FI schaltet ab. Erklärung: In der ersten Primärspule besteht ein zufließender Strom, in der zweiten aber kein abfließender. 2) Nullleiter bleibt, Phasenleiter mit Erdung verbinden Lampe leuchtet nicht, FI reagiert nicht. Wird Versuch 1 mit einer Glimmlampe durchgeführt, so springt der FI-Schalter nicht an. Erklärung: Die Glimmlampe verbraucht nur wenig Strom.

5 Versuch 3 Nullleiter - Phasenleiter Lehrerversuch! Glimmlampe Steckdose Erdung Phase Null Heizkörper Die Glimmlampe leuchtet, der FI schaltet nicht ab. Die Glimmlampe verbraucht nur wenig Strom, sodass der Stromstärkenunterschied in den beiden Primärspulen des FI-Schalters zu gering ist und daher die in der Sekundärspule induzierte Spannung nicht ausreicht, das Relais zu betätigen. Metallische Einrichtungen (Heizkörper, Badewanne, ) sind geerdet.

6 Versuch 4 Schutzleiter Steckdose Erdung Phase Null Phase Nullleiter Über Erdleitung! Nicht! Elektrogerät Bei Elektrogeräten verbindet man das Metallgehäuse über einen besonderen Schutzleiter (grün-gelbe Isolierung) und Schutzkontakt (Schukostecker) auch mit der Erde. Bei auftretenden Fehlern schaltet der Sicherungsautomat oder FI-Schalter die Spannung sofort ab.

7 Versuch 5a Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Der Mensch im Stromkreis

8 Versuch 5a Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Der Mensch im Stromkreis - Schaltplan

9 Versuch 5b Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Der Nullleiter ist mit der Erdleitung verbunden. Die Spannung (20 V ~) wird nach dem FI-Schalter angelegt.

10 Versuch 5b Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Der Nullleiter ist mit der Erdleitung verbunden. Die Spannung (20 V ~) wird nach dem FI-Schalter angelegt.

11 Versuch 5b Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Der Nullleiter ist mit der Erdleitung verbunden. Die Spannung (20 V ~) wird nach dem FI-Schalter angelegt.

12 Versuch 5c Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Die Spannung (20 V ~) wird vor dem FI-Schalter angelegt. Das Messgerät reagiert kurz. FI schaltet ab.

13 Versuch 5d Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Spannung (20 V ~) nach FI-Schalter. Mensch (mit Erde verbunden) greift auf Elektrogerät passiert nichts.

14 Versuch 5e Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Gehäuse des Elektrogerätes mit Phase verbunden. Spannung nach FI Mensch im Stromkreis!

15 Versuch 5f Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Spannung vor FI FI Schaltet ab Mensch nicht im Stromkreis!

16 Versuch 5e, f Sicherungseinrichtungen Schülerversuchstrafo V ~ 20 V ~ einstellen Schaltplan

17 Versuch 6 Gleichstrommotor Bei Verwendung des 3- oder 12- poligen Ankers Motor läuft von selbst an.

18 Versuch 7a Wechselstromgenerator (mit Lämpchen)

19 Versuch 7b Wechselstromgenerator (mit Lämpchen und Oszilloskop) Einstellungen am Oszilloskop: 2 V/cm und 10 ms.

20 Versuch 8a Wechselstromwiderstände Ohmscher Widerstand (Lämpchen) Frequenzgenerator ~ 2 Veff einstellen 0,1 Hz x 1 Schülerversuchstrafo 100 ma = 10 V = 12 V ~ 10 V / 0,05 A Zuerst nur Amperemeter in den Stromkreis schalten: Zeiger in Mittelstellung Lämpchen leuchtet nicht Zeiger bei Endausschlag (links oder rechts) Lämpchen leuchtet. Amperemeter und Voltmeter Strom und Spannung gleichphasig.

21 Versuch 8a Wechselstromwiderstände Ohmscher Widerstand (Lämpchen) Zuerst nur Amperemeter in den Stromkreis schalten: Zeiger in Mittelstellung Lämpchen leuchtet nicht. Zeiger bei Endausschlag (links oder rechts) Lämpchen leuchtet. Amperemeter und Voltmeter Strom und Spannung sind phasengleich.

22 Versuch 8b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) Frequenzgenerator ~ 2 Veff einstellen 0,1 Hz x 1 Schülerversuchstrafo 3 A = 10 V = 12 V ~ geschlossener Eisenkern Spule N = 1000 Die Spannung eilt dem Strom um 90 voraus.

23 Versuch 8b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) Die Spannung eilt dem Strom um 90 voraus.

24 Versuch 8b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) Die Spannung eilt dem Strom um 90 voraus.

25 Versuch 8c Wechselstromwiderstände Kapazitiver Widerstand (Kondensator) Frequenzgenerator ~ 2 Veff einstellen 0,1 Hz x 1 Schülerversuchstrafo 100 µa = 10 V = 12 V ~ 10 µf (aus Schülerversuchskasten) Die Spannung bleibt gegenüber dem Strom um 90 zurück.

26 Versuch 8c Wechselstromwiderstände Kapazitiver Widerstand (Kondensator) Die Spannung bleibt gegenüber dem Strom um 90 zurück.

27 Versuch 9a Wechselstromwiderstände Kapazitiver Widerstand (Kondensator) Frequenzgenerator ~ 2 Veff einstellen 100 Hz x Schülerversuchstrafo 300 µa ~ / 300 ma ~ Der kapazitive Widerstand nimmt mit der Frequenz ab. Die Stromstärke nimmt mit der Frequenz zu. 12 V ~ 10 µf (aus Schülerversuchskasten) Der kapazitive Widerstand ist frequenzabhängig: 1 X C = ω C

28 Versuch 9a Wechselstromwiderstände Kapazitiver Widerstand (Kondensator) Der kapazitive Widerstand nimmt mit der Frequenz ab. Die Stromstärke nimmt mit der Frequenz zu. Der kapazitive Widerstand ist frequenzabhängig: 1 X C = ω C

29 Versuch 9b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) Frequenzgenerator ~ 2 Veff einstellen 100 Hz x Schülerversuchstrafo 300 ma ~ Der induktive Widerstand nimmt mit der Frequenz zu. Die Stromstärke nimmt mit der Frequenz ab. 12 V ~ N = ) N = ) N = 500 L wird kleiner Widerstand wird kleiner Stromstärke steigt 3) Eisenkern L nimmt zu Widerstand nimmt zu Stromstärke sinkt 4) geschlossener Eisenkern Stromstärke fast Null Der induktive Widerstand ist frequenzabhängig: X L = ω L

30 Versuch 9b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) Der induktive Widerstand nimmt mit der Frequenz zu. Die Stromstärke nimmt mit der Frequenz ab. 1) N = ) N = 500 L wird kleiner Widerstand wird kleiner Stromstärke steigt 3) Eisenkern L nimmt zu Widerstand nimmt zu Stromstärke sinkt 4) geschlossener Eisenkern Stromstärke fast Null Der induktive Widerstand ist frequenzabhängig: X L = ω L

31 Versuch 9b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) 1) Spule mit Eisenkern Lampe leuchtet 2) Spule mit geschlossenem Eisenkern Lampe wird dunkler, da L größer wird 3) N = 500 Lampe wird heller, da L kleiner wird Glühlampe Spule N = 1000 Steckleiste Induktiver Widerstand: X L = ω L Induktivität: 2 N L = µ 0 µ r A l

32 Versuch 9b Wechselstromwiderstände Induktiver Widerstand (Spule) 1) Spule mit Eisenkern Lampe leuchtet hell 2) Spule mit geschlossenem Eisenkern Lampe wird dunkler, da L größer wird 3) N = 500 Lampe wird heller, da L kleiner wird Induktiver Widerstand: X L = ω L Induktivität: 2 N L = µ 0 µ r A l

33 Versuch 9c Wechselstromwiderstände Ohmscher Widerstand (Lämpchen) Frequenzgenerator ~ 4 Veff einstellen 10 Hz x Schülerversuchstrafo 100 ma ~ Der ohmsche Widerstand ist von der Frequenz unabhängig. Die Stromstärke bleibt gleich. 12 V ~ 10 V / 0,05 A Der ohmsche Widerstand ist frequenzunabhängig.

34 Versuch 9c Wechselstromwiderstände Ohmscher Widerstand (Lämpchen) Der ohmsche Widerstand ist frequenzunabhängig.

35 Versuch 10a Versorgung mit elektrischer Energie Schülerversuchstrafo V~ Lampe 20 V Die Lampe leuchtet.

36 Versuch 10b Versorgung mit elektrischer Energie Schülerversuchstrafo V~ Lampe 20 V Zur Lampe wird ein Widerstand mit 330 Ω in Serie geschaltet. Die Lampe leuchtet nicht mehr. In Überlandleitungen wächst der Leistungsverlust mit dem infolge der Länge zunehmenden ohmschen Widerstand und mit dem Quadrat der Stromstärke: P = I² R.

37 Versuch 10c Versorgung mit elektrischer Energie Schülerversuchstrafo V~ Lampe 20 V Schaltung: Schulerversuchtrafo (0..25 V~) -- Trafo (N=125/N=10000) -- Trafo (N=10000/N=125) Lampe Die Lampe leuchtet.

38 Versuch 10d Versorgung mit elektrischer Energie Schülerversuchstrafo V~ Lampe 20 V Schaltung: (0..25 V~) -- Trafo (N=125/N=10000) Widerstand 330 Ω -- Trafo (N=10000/N=125) Lampe Die Lampe leuchtet weiterhin. Eine hohe Spannung bedeutet eine geringe Stromstärke und damit geringe Leistungsverluste. Die Lampe leuchtet auch bei Verwendung von 22 kω oder 100 kω Widerständen.

39 Versuch 11a Hochstromtransformator Steckleiste mit Schalter Netzspannung 230 V ~ Spule N 1 = 500 Spule N 2 = 5 Nagel N N 1 2 = U U 1 2 = I I 2 1 Die Stromstärken verhalten sich umgekehrt proportional den Spannungen. Anwendung: Schweißtrafo (hohe Stromstärke).

40 Versuch 11b Niederspannungstransformator Steckleiste mit Schalter Netzspannung 230 V ~ Spule N 1 = 500 Spule N 2 = 5 N N 1 2 = U U 1 2 = I I 2 1 Lämpchen 3,5 V Die Spannungen verhalten sich direkt proportional den Windungszahlen. Anwendung: Netzgeräte (niedrige Spannungen).

41 Versuch 11c Trenntransformator Steckleiste mit Schalter Netzspannung 230 V ~ Spule N 1 = 500 Spule N 2 = 500 Lampe 230 V / 60 W 1) Erdung an Primärseite FI schaltet ab. 2) Erdung an Sekundärseite FI schaltet nicht ab - getrennter Stromkreis Der Trenntrafo dient als Schutzvorrichtung, z. B. bei Badezimmersteckdosen.

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