Elektrischer Widerstand und Strom-Spannungs-Kennlinien

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1 Versuch 6 Elektrischer Widerstnd und Strom-Spnnungs-Kennlinien Versuchsziel: Durch biochemische ektionen ufgebute Potentildifferenzen (Spnnungen) bewirken elektrische Ströme im Orgnismus, die n einer Vielzhl physiologischer Vorgänge beteiligt sind. Andererseits lösen von ußen ngelegte Spnnungen, durch den so erzeugten Stromfluß, ektionen des Körpers us. Die Hnd- und Armmuskultur wird beispielsweise durch Stromstärken b 5 ma erregt. D Beuger und Strecker gleichzeitig erregt werden, der Beuger ber immer stärker ist, führt die Erregung zu einem Zusmmenkrmpfen der Finger (Kleben m Leiter!). Bei höheren Stromstärken knn sich die Atemmuskultur verkrmpfen, ws zum Tod durch Ersticken bei vollem Bewußtsein führt. Bei Stromstärken b etw 25 ma werden die Herzmuskelfsern, die in Stromrichtung liegen, strk erregt, ws den irreversiblen Zustnd des Kmmerflimmerns uslöst (Stromtod). Bei hohen Stromstärken und kurzzeitiger Einwirkung bleibt ds Herz stehen und springt nch einiger Zeit - nch erneutem Aufbu der Potentildifferenz - wieder n (Blitzschlg). In diesem Bereich tritt der Tod, bei genügend lnger Einwirkungszeit bzw. hoher Stromstärke, huptsächlich durch Verbrennung (Joulesche Wärme) ein. Neben der Stromstärke und der Einwirkungsduer ist noch die Frequenz von Bedeutung. Ab 10 5 Hz werden physiologische Vorgänge nicht mehr beeinflußt und der Körper regiert wie ein Ohm`scher Widerstnd, in dem Joulesche Wärme erzeugt wird (Dithermie). Der elektrische Strom ist die pro Zeiteinheit trnsportierte Ldung. D die elektrische Ldung immer n Mterie gebunden ist, ist der Stromfluß immer mit einem Mterietrnsport verknüpft. In Metllen, Hlbleitern und der Brun`schen öhre sind Elektronen die Ldungsträger. In Elektrolyten erfolgt der Ldungstrnsport durch Ionen und in Gsentldungen durch Ionen und Elektronen. Den Zusmmenhng zwischen ngelegter Spnnung und Stromfluß in Metllen und Hlbleitern und, wenn von Polristionserscheinungen bgesehen wird, in Elektrolyten, beschreibt ds Ohm`sche Gesetz. U I U : Spnnung I : Stromstärke Die Proportionlitätskonstnte ist der Ohm`sche Widerstnd, der ußer von der Geometrie noch vom spezifischen Widerstnd des Mterils bhängt. U = I = ρ l A ρ : spezifischer Widerstnd l : Länge Der spezifische Widerstnd ist eine Temperturfunktion. Mit steigender Tempertur wird er für Metlle größer und für Hlbleiter kleiner. Für bestimmte Legierungen (Konstntn) bleibt er in einem größeren Temperturbereich konstnt.

2 Dieses unterschiedliche Verhlten von Metll und Hlbleiter knn leicht n der Strom- Spnnungs-Chrkteristik einer Kohlefdenlmpe (Grphit) und einer Metllfdenlmpe (Wolfrm) demonstriert werden. An der Strom-Spnnungs-Chrkteristik einer Glimmlmpe ist sofort ersichtlich, dß in diesem Fll die Stromleitung nicht dem Ohm`schen Gesetz gehorcht. Bei sorgfältiger Messung knn dbei sogr eine negtive Chrkteristik, d.h. ein steigender Strom bei bnehmender Spnnung beobchtet werden. Neben dem Ohm`schen Gesetz ist noch die Kenntnis der Kirchhoff`schen egeln und der Spnnungsteiler-Schltung (Potentiometer) zur Vermeidung der gröbsten Fehler beim Umgng mit Elektrizität nötig. In der Whetstone-Brücke werden diese Gesetzmäßigkeiten kombiniert ngewendet. Es sollen dher unbeknnte Widerstände mit der Whetstone-Brücke gemessen werden. Versuchsteile: 1) Messung zweier Widerstände mit der Whetstone-Brücke und dem Drehspulgerät 1b) Messung des Körperwiderstnds der Gruppenmitglieder 2) Messung der Strom-Spnnungs-Chrkteristik von Kohlefden-, Metllfden- und Glimmlmpe Durchführung: Teil 1: In dem usstehenden Plexiglsgehäuse ist eine Whetstone-Brückenschltung ufgebut, deren Schltbild die Skizze widergibt. Auf einer großen Trommel ist ein Konstntndrht mit einem Gesmtwiderstnd von 100 Ω ufgewickelt. An diesem knn mit einem Schleifkontkt ein Teilwiderstnd bgegriffen werden. Die Größe von ist m eingebuten Zählwerk uf 0,1 Ω genu blesbr. Auf der rechten Seite ist ein Vergleichswiderstnd o fest eingelötet. Der Meßwiderstnd x ist zwischen die beiden Buchsen uf der linken Seite zu schlten Einstellung des Meßgeräts: Der schwrze Schiebeschlter unten m Meßgerät ist nch links, uf Gleichstrom, zu stellen. Dnn wird mit dem Drehschlter in der Mitte des Geräts der Meßbereich 5 A gewählt. Ds Gerät zeigt nun den Vollusschlg bei einem Stromfluß von 5 A. Je nchdem, welche Ziffernfolge der gewählte Einstellbereich zeigt, gilt die entsprechende Skl des Meßgeräts. Ist ds Gerät uf den Meßbereich 5 A gestellt worden, muß uf der Skl, die mit 50 endet, bgelesen werden. 50 Teilstriche entsprechen dnn 5 A. Entsprechendes gilt für die nderen Einstellbereiche. 2

3 X I 0 = 300 ς ges - ges = 100 ς + - Achtung: Ds Gerät drf nicht während des Betriebs von Strommessung (A) uf Spnnungsmessung (V) und umgekehrt geschltet werden. Vorher müssen die Kbel usgesteckt werden. Verbinden Sie nun ds Meßgerät über die beiden schwrzen Buchsen mit den Buchsen Amperemeter n der Whetstone-Brücke. Jetzt muß nur noch die Spnnungsquelle n die Brücke ngeschlossen werden (10 V Gleichspnnung). Lssen Sie die Schltung vom Betreuer überprüfen und über den Netzstecker ktivieren. Flls Ihr Meßgerät keinen Ausschlg nzeigt, erhöhen Sie die Empfindlichkeit, indem Sie stufenweise kleinere Meßbereiche wählen. Schlägt ds Meßgerät nch links us, müssen die beiden Kbel m Amperemeter vertuscht werden. Gleichen Sie nun die Brücke b, indem Sie durch Drehen der Trommel den bgegriffenen Widerstnd solnge ändern, bis kein Strom durch ds Meßgerät fließt. Dbei ist die Empfindlichkeit des Geräts schrittweise bis zur mximlen Empfindlichkeit zu steigern. Vor Ausstecken des Meßwiderstnds muß ds Gerät wieder uf 5 A gestellt werden! Der unbeknnte Widerstnd knn nch der Beziehung x o = gesmt berechnet werden. Messen Sie nch diesem Verfhren die beiden usliegenden Widerstände. Teil 1b: Bestimmen Sie nun den Körperwiderstnd der Mitglieder Ihrer Prktikumsgruppe, indem Sie sich mit den beiden Aluminiumhndgriffen und zwei Prüfkbeln ls x in die Whetstone-Brücke schlten. Es sollten sich deutlich unterschiedliche Körperwiderstände ergeben. Ntürlich können ds nicht Ihre Innenwiderstände (Elektrolytwiderstände) sein. Ds skizzierte Erstzschltbild zeigt Ihnen, dß Sie die Summe von drei hintereinnder geschlteten Widerständen gemessen hben. Übergngswiderstnd Innenwiderstnd Übergngswiderstnd Hnd 1 i 800 Ω Hnd 2 3

4 D der Innenwiderstnd (von Hnd zu Hnd) etw 800 Ω beträgt, hben Sie huptsächlich die Übergngswiderstände gemessen. Diese sind leicht veränderbr (Feuchtigkeit, Hndcreme, Anpressdruck) und können schnell zusmmenbrechen. In diesem Fll schützt Sie nur noch Ihr Innenwiderstnd. Wieviel Strom fließt dnn durch Sie bei einer effektiven Netzspnnung von 230 V? Teil 2: Auf einem Schltbrett sind eine Kohlefdenlmpe, eine Metllfdenlmpe und eine Glimmlmpe montiert. Zur Messung der Strom-Spnnungs-Chrkteristik stellen Sie beide Meßgeräte mit dem Schiebeschlter uf Wechselstrom. Stellen Sie ds Amperemeter mit dem Drehschlter uf 5 A und ds Voltmeter uf 250 V und verbinden Sie die Meßgeräte mit den entsprechenden Buchsen der Kohlefdenlmpe (linke Glühbirne). Schlten Sie über den Spezilstecker den egeltrfo zu und lssen Sie die Schltung vom Betreuer überprüfen und ktivieren. Erhöhen Sie nun die Spnnung n der Lmpe von V in Schritten von 10 V und messen Sie die zugehörigen Stromstärken. Wählen Sie den dfür günstigsten Meßbereich. Vorsicht beim Ablesen! Der häufigste Meßfehler besteht im Verwechseln der Sklen! Notieren Sie die Ergebnisse in einer Tbelle und stellen Sie grphisch die Stromstärke ls Funktion der Spnnung dr. Drehen Sie den Stelltrfo zurück und nehmen Sie nlog die Strom-Spnnungs-Chrkteristik der Metllfdenlmpe uf. Trgen Sie die Meßkurve ebenflls in obige Grphik ein. Zur Aufnhme der Kennlinie der Glimmlmpe muß mit Gleichspnnung gerbeitet werden, dmit definierte Zünd- und Löschspnnungen gemessen werden können. In ds Schltbrett ist dher im Meßkreis der Glimmlmpe ein Gleichrichter eingebut. Die Meßgeräte müssen dher wieder uf Gleichstrom gestellt werden. Der Innenwiderstnd der Glimmlmpe und der Vorwiderstnd sind so hoch, dß ein prllel geschltetes Voltmeter die Messung des Lmpenstroms erheblich verfälschen würde. Nch den Gesetzen der Stromverzweigung würde ein erheblicher Teil des Stroms durch die Spule des zur Lmpe prllel geschlteten Anzeigeinstruments fließen. Außerdem besitzt die Gsentldung in der Glimmlmpe uch eine negtive Chrkteristik. Der Lmpenstrom wird durch einen eingebuten Vorwiderstnd begrenzt. In diesem Fll ist der Spnnungsbfll über die Glimmlmpe durch eine indirekte Messung zu ermitteln, wie sie in der folgenden Skizze ngegeben ist. Vor Beginn der Messung sollte die Lmpe c. 5 bis 10 min brennen! =300kς Glimmlmpe U 0 Voltmeter Amperemeter 4

5 Mn erhöht die gleichgerichtete Spnnung U o mit dem egeltrfo von Null lngsm in Schritten von 20 V bis zur sichtbren Zündung der Lmpe. Drehen Sie die Spnnung nun wieder etws unterhlb der Zündspnnung und messen Sie in 5 V Schritten die zugehörige Stromstärke I bis die Lmpe zündet (Welchen Wert ht I hier?). Nch der Zündung wird die Spnnung dnn weiter in Schritten von 10 V bis 200 V erhöht und die zugehörigen Stromwerte bgelesen. Anschließend regelt mn die Spnnung stufenweise (pro Stufe 10 V) bis kurz oberhlb der Zündspnnung zurück und misst weiterhin die Stromstärke I. Ab einem Bereich von c. 20 V oberhlb der Zündspnnung wird die Spnnung in Schritten von 5 V lngsm weiter verringert bis die Lmpe verlöscht, ebenflls unter Messung von I. Notieren Sie die Löschspnnung. Entsprechend der ufgebuten Schltung gilt für den Spnnungsbfll n der Glimmlmpe: U = U o - I = 300 kω Nch dieser Beziehung wird nun von jedem einzelnen Meßwert U o ds Produkt I bgezogen und in einem Digrmm der Lmpenstrom I ls Funktion der Lmpenspnnung U drgestellt. Frgen zum Versuch: 1. Wie lutet ds Ohm sche Gesetz? 2. Ws besgen die Kirchhoff schen egeln? 3. Wie wird der elektrische Strom im metllischen Leiter bei Gleich- und Wechselspnnung trnsportiert? 4. Wie wird der elektrische Strom im Hlbleiter trnsportiert? 5. Wie wird der elektrische Strom in einem flüssigen Elektrolyten trnsportiert? 6. Wie funktioniert ein Drehspulgerät? 7. Wie müssen Spnnungs- und Strommesser geschltet werden? 8. Wie knn mn Widerstände bestimmen? 9. Wie groß ist der Widerstnd zweier hintereinnder geschlteter Widerstände? 10. Wie groß ist der Widerstnd zweier prllel geschlteter Widerstände? 11. Wie funktioniert eine Spnnungsteilerschltung? 12. Ws knn mn us der Spnnungsteilerschltung für ds Verhlten bei Gewittern im Freien bleiten? 13. Wie ist ds Schltschem der Whetstone-Brücke? 5

6 14. Ws ist eine Kompenstionsschltung? 15. Wovon ist der Widerstnd eines Leiters bhängig? 16. Wie ändert sich der Widerstnd eines metllischen Leiters - eines Hlbleiters - eines flüssigen Elektrolyten mit der Tempertur? 17. Ws ist eine Glimmlmpe? 18. Wie funktionieren Glühlmpe und Leuchtstoffröhre (Energiesprlmpe)? 19. Ws sind die drei Huptwirkungen des elektrischen Stroms? 6