Der Widerstand von Drähten - Abhängigkeit von Länge und Querschnitt mit measureapp (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Der Widerstand von Drähten - Abhängigkeit von Länge und Querschnitt mit measureapp (Artikelnr.: P372568) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-0 Lehrplanthema: Elektrizitätslehre Unterthema: Der elektrische Widerstand Experiment: Der Widerstand von Drähten - Abhängigkeit von Länge und Querschnitt mit measureapp Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 0 Minuten 0 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Apple ipad Schlagwörter: Widerstand, spezifischer Widerstand, Länge, Querschnitt Aufgabe und Material Lehrerinformationen In diesem Versuch soll der spezifische Widerstand als Materialeigenschaft eingeführt werden. Dazu muss festgestellt werden, dass der Widerstand eines Drahtstückes proportional zu seiner Länge und umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche ist. Wenn die Schüler gewandt sind und schnell voran kommen, können sie auch für alle Drahtdurchmesser die Längenabhängigkeit nachmessen oder größere Drahtlängen durch Einstecken der Krokodilklemmen in die Stecker in den Winkelbuchsen ausprobieren. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Der Draht kann sehr heiß werden, insbesondere der 0,2-mm-Draht. Durch die Temperaturerhöhung ergibt sich ein größerer Widerstand bei großen Stromstärken eine hier unerwünschte Nichtlinearität. Also nicht höhere Spannungen und Stromstärken als angegeben verwenden und bei der Berührung des Drahtes Vorsicht walten lassen.

2 Lehrer-/Dozentenblatt Versuchsaufbau

3 Der Widerstand von Drähten - Abhängigkeit von Länge und Querschnitt mit measureapp (Artikelnr.: P372568) Aufgabe und Material Aufgabe Anwendung Stromkabel sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Doch wie sollten diese beschaffen sein um einen möglichst geringen oder einen bestimmten benötigten Widerstand für den Strom zu bieten, der sie durchfließt? Überall sind Stromleitungen zu finden. Doch welchen Widerstand haben sie? Aufgabe Welchen Einfluss auf den Widerstandswert eines Drahtes haben dessen Länge und Querschnittsfläche? Der Widerstand eines kurzen dicken Drahtes unterscheidet sich von dem eines langen dünnen Drahtes. Untersuche, wie der Widerstandswert eines Drahtes von dessen Länge und Querschnittsfläche abhängt.

4 Material Position Material Bestellnr. Menge Cobra4 Wireless/USB-Link 2 inkl. Zubehör Cobra4 Sensor-Unit Electricity, Strom/Spannung ± 6 A, ± 30 V Leitungs-Baustein, gerade, SB Leitungs-Baustein, winklig, SB Leitungs-Baustein, unterbrochen, SB Leitungs-Baustein, gerade mit Buchse, SB Leitungs-Baustein, winklig mit Buchse, SB Ausschalter, SB Krokodilklemme, blank, 0 Stück Verbindungsstecker, 2 Stück Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Konstantandraht, 5,6 Ohm/m, d = 0,2 mm, l = 00 m Konstantandraht, 6,9 Ohm/m, d = 0,3 mm, l = 00 m Konstantandraht, 4 Ohm/m, d = 0,4 mm, l = 50 m PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 2 V, 5 A RiSU-206-konform Position Material Bestellnr. Menge 9 Apple ipad 20 PHYWE measure App

5 Aufbau und Durchführung Aufbau Achtung: Der Draht kann sehr heiß werden, wenn er von Strömen von mehr als A durchflossen wird! Den Draht nicht berühren, wenn Strom fließt! Die Stromstärke immer auf Null zurückdrehen und den Schalter öffnen, wenn nicht gemessen wird! Aufbau Je ein 30 cm langes Drahtstück zuschneiden vom Konstantandraht mit 0,20 mm, 0,30 mm und 0,40 mm Durchmesser. Versuch nach Abb. aufbauen, zuerst den Draht von 0,20 mm Durchmesser einspannen, Krokodilklemme in Position c). Abb. : Versuchsaufbau Abb. 2: Schaltschema

6 Durchführung Das Netzgerät auf 4 V und 0 A stellen und einschalten, den Schalter schließen. Stecke die Sensor-Unit Electricity auf den Wireless/USB-Link und schalte ihn ein. Verbinde das ipad nun über W-LAN mit dem Wireless/USB-Link. Öffne die PHYWE measure App und wähle den Sensor "Electricity" aus. Wähle die Abtastrate deiner Wahl. Je höher diese ist desto genauer wird die Messung. Belege die x-achse mit der Stromstärke und die y-achse mit der Spannung. Die Messwertaufnahme in der measureapp starten und die Stromstärke mit dem Stromreglerknopf langsam und gleichmäßig bis,2 A erhöhen und dann wieder langsam und gleichmäßig auf Null herunterdrehen. Die Spannungseinstellung am Netzgerät nicht verändern! Beende die Messung, speichere sie ab und öffne die Daten unter "meine Messungen" zur weiteren Analyse. Hier sollte nachdem der Graph eingepasst wurde eine Gerade zu sehen sein (Abb. 3) Abb. 3. Beispielmessung Auswertung Wenn das Diagramm Knicke aufweist oder die Kurve eine Fläche einschließt, dann hatten die Krokodilklemmen nicht richtig Kontakt zum Draht und Du solltest die Daten verwerfen und die Messung wiederholen. Miss die Länge des Drahtes zwischen den Krokodilklemmen, die vom Strom durchflossen wurde und notiere diese. Benutze das Regression -Werkzeug der App und lies die Steigung des Graphen ab, notiere Länge und Durchmesser des Drahtes sowie die Steigung in Tabelle. Wiederhole den Versuch auf die gleiche Weise mit dem 0,20-mm-Draht mit der Krokodilklemme in Position b) und Position a) und mit dem 0,30-mm- und 0,40-mm-Draht in Position c). Notiere jedes Mal Länge und Dicke des Drahtes sowie die Steigung in Tabelle im Protokoll.

7 Protokoll: Der Widerstand von Drähten - Abhängigkeit von Länge und Querschnitt mit measureapp Ergebnis - Tabelle Fülle die Tabelle mit deinen Notizen aus. Zusätzlich: Errechne die Querschnittsfläche des Drahtes nach, wobei. Gib nur zwei gültige Ziffern an, denn die Produktionsgenauigkeit des Drahtdurchmessers beträgt 5 %. Ergänze die Tabelle. Die Drähte sind alle aus dem gleichen Material, nämlich Konstantan. Gesucht ist eine Größe, die nicht von der Geometrie des Drahtes abhängt und die Materialeigenschaft beschreibt, die den Widerstand festlegt. Um die Längenabhängigkeit zu entfernen, kann der Widerstand durch die Drahtlänge geteilt werden. Errechne den Widerstand pro Drahtlänge und ergänze Tabelle. Der Widerstand ist aber auch von der Drahtquerschnittsfläche abhängig, nämlich umgekehrt proportional dazu, also muss die materialspezifische Größe noch mit der Drahtquerschnittsfläche multipliziert werden. Errechne den spezifischen Widerstand von Konstantan für alle Messungen gemäß und ergänze die letzte Spalte der Tabelle. Gib immer nur zwei gültige Ziffern an. Durchmesser d / mm Länge l / m Steigung R / Ω Querschnitt A / mm 2 dünner Draht, Krokodilklemme Position a) 0,20 0,053 0,94 0,03 8 dünner Draht, Krokodilklemme Position b) 0,20 0,09,90 0,03 7 dünner Draht, Krokodilklemme Position c) 0,20 0,63 2,66 0,03 6 mittlerer Draht, Krokodilklemme Position c) 0,30 0,63,25 0,07 7,7 dicker Draht, Krokodilklemme Position c) 0,40 0,6 0,69 0,3 4,3 R / l / Ω/m

8 Ergebnis - Frage Welcher Messgröße entspricht die Geradensteigung im Multigraph-Diagramm? (Hinweis: Einheit ) Ergebnis - Frage 2 Schaue dir in der Tabelle in den ersten 3 Zeilen die Länge des Drahtes und Steigung an. Welchen Zusammenhang zwischen Drahtlänge und Drahtwiderstand vermutest Du?

9 Auswertung - Frage Ergänze den folgenden Satz über den Zusammenhang zwischen Drahtquerschnittsfläche und Drahtwiderstand: Je größer die Querschnittsfläche eines Drahtes bei gleicher Länge, desto Auswertung - Frage 2 Verdeutliche Dir an folgender Überlegung, warum nicht der Drahtdurchmesser, sondern seine Querschnittsfläche entscheidend für seinen Widerstand ist: Werden zwei Drähte parallel gespannt, wird eine Halbierung des Widerstandes erwartet. Wenn der Durchmesser eines Drahtes verdoppelt wird, entspricht dies aber wie vielen parallel gespannten Drähten? (Falls Dir das einfacher erscheint, denke an Drähte mit quadratischem Querschnitt.)

10 Auswertung - Frage 3 Welche Fehlerquellen gibt es bei diesem Versuch?