Vers. 3: Elektrizität 1 (Strom, Spannung, Leistung, Widerstände)

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1 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 ers. 3: Elektrizität (Strom, Spannung, Leistung, Widerstände) orbereitung Literatur zu den Stichworten Ohmsches Gesetz, Strom, Spannung, Leistung, Widerstandsschaltungen, metallische Leitung, Halbleiter finden Sie z.b. im Heywang. Teilversuche:. Ohmsches Gesetz. Reihenschaltung 3. Parallelschaltung 4. Herdkochplatte mit Siebentaktschaltung 5. Temperaturabhängigkeit eines Metallwiderstandes Ohmsches Gesetz Ziel: Im ersten ersuch sollen den Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand erarbeiten (Ohmsches Gesetz: R=/I ). Sie werden für zwei unterschiedliche Widerstandsbauelemente den Zusammenhang zwischen Stromfluss und Spannungsstärke bestimmen. ufbau: Wählen Sie für den ersuchsaufbau die Experimentierplatte mit der Beschriftung Ohmsches Gesetz und verwenden Sie ein Widerstandsbauelement mit einem Widerstandswert von R =000Ω (ufdruck). Sie verwenden heute ein Gleichspannungsnetzteil, demgemäß messen Sie den Strom I in mpere (bzw. m) mit einem Digitalmultimeter (kurz DMM) in der Gleichstrombetriebsart (DC). Die Spannung in olt messen Sie mit einem zweiten (gleichen) DMM, das Sie in der Betriebsart Gleichspannung (DC) benutzen. chten Sie darauf, die richtigen nschlussbuchsen zu verwenden. Orientieren Sie sich für den ufbau auch an Skizze auf der letzten Seite dieser nleitung (bb.7). Diese Skizze können Sie als eine Übersetzung des Schaltbildes (bb.) auffassen. + - I R bbildung Bevor Sie das e einschalten, drehen Sie das Spannungspotentiometer ganz

2 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 nach links ( = 0)! Nachdem Sie die Schaltung komplett aufgebaut haben, schalten Sie die DMM ein, dabei wählen Sie gleichzeitig die richtige Betriebsart. Kontrollieren Sie zunächst noch einmal, bevor Sie das einschalten, ob sich das Potentiometer für die Spannungseinstellung im "Linksanschlag" befindet, und stellen Sie sicher, dass das Potentiometer für die Strombegrenzung im "Rechtsanschlag" steht. Durchführung: Erhöhen Sie die Spannung in -Schritten von 0 bis 0 und protokollieren Sie den fließenden Strom in m und die Spannung. Wiederholen Sie dies in einem zweiten Durchgang mit einem weiteren Widerstandsbauelement R = 0.000Ω. uswertung: Tragen Sie in einem EXCEL- Diagramm für die beiden Widerstände den fließenden Strom in bhängigkeit von der Spannung auf. Zeichnen Sie die usgleichsgeraden ein. Bestimmen Sie den Ohmschen Widerstand aus der Geradensteigung. Die Geradensteigung ( I/ ) in diesem Diagramm entspricht dem Leitwert (in Siemens), dessen Kehrwert den Ohmschen Widerstand ergibt. Wie erklärt sich der nterschied zum auf dem Widerstand aufgedruckten Wert? Reihenschaltung Ziel: nhand einer Reihenschaltung, die Sie aus zwei Widerständen R und R (s. Schaltskizzen bb. ) aufbauen, sollen Sie die Gültigkeit der folgenden Gesetzmäßigkeiten nachweisen: a) Die Summe der Teilspannungen ist gleich der Gesamtspannung.: ges = + b) Das erhältnis der Teilspannungen ist gleich dem erhältnis der Einzelwiderstände: : =R :R c) Der Gesamtwiderstand entspricht der Summe der Einzelwiderstände. ges Rges = = + = R + R I I I ufbau und Durchführung: Benutzen Sie die zweite Experimentierplatte. Wählen Sie aus dem orrat am rbeitsplatz anhand der aufgedruckten Widerstandswerte zwei Widerstandsbauelemente aus und prüfen Sie die Werte mit dem Ohmmeter nach (DMM in Stellung 'Ω'). Die Widerstandswerte sollten sich deutlich (Faktor 0), voneinander unterscheiden. Stellen Sie am eine Spannung von maximal ein und schließen Sie zur erifizierung der Formeln (a) und (b) ein oltmeter nacheinander wie folgt an:

3 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 I. II. III. + R + R + R - gerät - Netz- - R R R bbildung Legen Sie anschließend zur Messung des fließenden Stroms I an beliebiger Stelle ein mperemeter in den Stromkreis. Bei dieser Reihenschaltung fließt der Strom durch das Messinstrument und durch die beiden Widerstände hindurch - der Strom ist überall gleich groß. Messen Sie schließlich den Gesamtwiderstand R ges unmittelbar mit dem Ohmmeter. Dazu verbinden Sie das Ohmmeter an Stelle des es mit der Schaltung. uswertung: Berechnen Sie nach Formel (a) die Gesamtspannung, überprüfen Formel (b) und überzeugen Sie sich, dass R ges nach Formel (c) im Rahmen der Messgenauigkeit mit der Summe der Teilwiderstände übereinstimmt. 3 Parallelschaltung Ziel: Prüfen Sie folgende Zusammenhänge, die sich durch die Parallelschaltung von zwei Widerständen (gem. bb.3) ergeben, rechnerisch und experimentell. a) Die Summe der Teilströme ist gleich dem Gesamtstrom I ges. = I + I b) Die Teilströme verhalten sich umgekehrt proportional zu den Teilwiderständen I : I = R : R c) Der Gesamtwiderstand ergibt sich als Quotient aus Spannung und Strom R R Rges = = = = = I I + I / R + / R / R + R R + R ges / ufbau und Durchführung: Weisen Sie Gleichung (a) nach, indem Sie ein mperemeter nacheinander gemäß folgender Skizzen (bb.3) in den Stromkreis legen (die Spannung sollte nicht größer als 0 gewählt werden): 3

4 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 I. II. III. + I ges. + I + I R - gerät R - Netz- - R R R R bbildung 3 m Beziehung (b) nachzuweisen, setzen Sie die gemessenen Ströme für I und I ein und bestimmen die Widerstandswerte von R und R mit dem Ohmmeter. Zur erifizierung von Gleichung (c) schließen Sie ein oltmeter parallel zum an die Schaltung an, messen ges und berechnen R ges = ges. / I ges. Überzeugen Sie sich schließlich, dass der so berechnete Wert für R ges im Rahmen der Messgenauigkeit mit dem rechnerischen R R / ( R + R ) übereinstimmt. Wenn Sie wollen, können Sie R ges auch ermitteln, indem Sie das Ohmmeter (Multimeter in der Betriebsart Ω) anstelle des es mit der Experimentierplatte verbinden. 4 Herdkochplatte mit Siebentaktschaltung Erläuterung: Die elektrische ufnahmeleistung ergibt sich als Produkt aus Strom, Spannung und Kosinus des Phasenwinkels P = * I *cosϕ;[ P] = * = W. Der Phasenwinkel ist für Ohmsche erbraucher mit 0 anzunehmen, der cos(0 ) beträgt und wird deshalb bei solchen erbrauchern meist weggelassen. ufgabe: In einer haushaltsüblichen Herdkochplatte mit Siebentaktschaltung (bb.4) werden durch einen geeignet Schalter die drei Heizwiderstände entweder einzeln, in Reihe oder parallel an die Netzspannung = 30 gelegt. Dadurch lassen sich unterschiedlich Heizleistungen wählen. Sie sollen in diesem Teilversuch die Kaltwiderstände und die Leistungswerte für unterschiedliche Schaltstufen ermitteln. Für die Stufen ergeben sich folgende Schaltungen der Widerstände (grau Füllung bedeutet Strom durchflossen): bbildung 4 ufbau und Durchführung: Messen Sie an der bereitstehenden Herdkochplatte die Widerstandswerte für die Schaltstufen ½,, ½,, ½, 3. erwenden Sie dazu ein Digitalmultimeter, das Sie über Messleitungen mittels Krokodilklemmen an die Stiftkontakte des Schukoste- 4

5 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 ckers anschließen (bb.5). bbildung 5 Messen Sie anschließend mit einem Leistungsmessgerät (Fabrikat WSE) die bei der jeweiligen Schaltstufe aufgenommene elektrische Leistung. Dazu verbinden Sie zunächst das Leistungsmessgerät mit dem ersorgungsnetz. m Messgerät schließen Sie dann die Herdkochplatte an. Nun betätigen Sie am Leistungsmessgerät noch die Taste 'Watt', um die Betriebsart 'Leistungsmessung' auszuwählen - der ufbau ist jetzt versuchsbereit. Bestimmen Sie nun für die einzelnen Schaltstufen (beginnend mit ½) die aufgenommene Leistung, indem Sie die Schaltstufe wählen, den Wert protokollieren und dann die Platte schnell wieder abschalten. Wichtig ist, dass Sie den jeweiligen Wert zügig protokollieren, sobald Sie die Leistung auf ca. 0W genau ablesen können. Warten Sie nicht, bis sich ein wirklich stabiler Wert einstellt (aufgrund der Temperaturabhängigkeit metallischer Widerstände müssten Sie lange warten, und Netzspannungsschwankungen stören leider zusätzlich). uswertung: Errechnen Sie den Widerstandswert von R. Berechnen Sie aus den gewonnenen Widerstandswerten den Strom und die Scheinleistung (P = * I), wobei Sie eine Netzspannung von 30 eff. zugrunde legen. Erstellen Sie zwei Diagramme:. Strom I und Widerstand R in bhängigkeit von der Schaltstufe. Gemessene Leistung und berechnete Leistung in bhängigkeit von der Schaltstufe Geben Sie eine Erklärung dafür, dass bei den höheren Schaltstufen die bweichungen zwischen gemessener und berechneter Leistung größer werden (Stichworte: Spannungsabfall in der Zuleitung, Temperaturabhängigkeit des Widerstands metallischer Leiter). 5 Temperaturabhängigkeit eines Metallwiderstandes ufgabe: Bestimmen Sie den Temperaturkoeffizienten α (TK) von Platin, indem Sie die Widerstandswerte R ϑ eines Pt-00-Widerstands (Platin) für verschiedene Temperaturen messen und geeignet auswerten. ufbau und Durchführung: erbinden Sie den bereitliegenden Pt-00 Widerstand (bb. 6) 5

6 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 über das nschlussstück mit dem Digitalmultimeter. Benutzten Sie dieses in der Betriebsart Widerstandsmessung (Ω). Für die Temperaturmessung verwenden Sie ein Digitalthermometer mit einem eigenen Temperaturfühler. Befüllen Sie einen Topfkocher mit ca. l Wasser. Erhöhen Sie die Wassertemperatur schrittweise, indem Sie die Heizung des Gerätes jeweils nur für kurze Zeit einschalten. Bestimmen Sie Widerstandswerte für Temperaturen zwischen 0 C und 00 C in 0K Schritten (Tabelle!). Messen Sie in den Heizpausen die Temperatur und den zugehörigen Widerstand. Wichtig ist, dass Sie beide Fühler gleichzeitig nahe beieinander eintauchen und dass Sie umrühren. Nachdem Sie die Werte abgelesen haben, können Sie auf den nächsten Temperaturwert hoch heizen. PT 00- Widerstand erbindungsstück Digitalmultimeter Temperaturfühler Thermometer bbildung 6 uswertung: Erstellen Sie ein EXCEL- Diagramm. Stellen Sie den Widerstand R ϑ als Funktion der Temperatur grafisch dar. erwenden Sie die Trendlinienfunktion von EXCEL um eine usgleichsgerade durch die Messwerte zu legen. Lassen Sie sich die Trendkurven- Funktion anzeigen, um dieser die Steigung der Geraden ( R/ T) und den Schnittpunkt mit der Y-chse (R 0 ) entnehmen zu können. Den Temperaturkoeffizienten ermitteln Sie, indem die Formel Rϑ = R 0 ( + α T ) wie folgt umgestellt wird: Rϑ = R0 + R0 α T R R0 R R α = ϑ = = R0 T R0 T T R0 ergleichen Sie den Wert mit Literaturangaben (chtung der Wert für Platin im Heywang ist falsch!). 6

7 Praktikum Technische Grundlagen ersuch 3 ufbau einer elektrischen Schaltung im Praktikum technische Grundlagen + - I R Kurzschlußstecker Widerstand Laborkabel Schaltbild Bauteile mperemeter OFF 300m oltmeter 0 Ω 300 m COM OFF m 0 Ω 300 m CO M Laborkabel Widerstand Experimentierplatte Kurzschlußstecker ufbau ~ ~ Ω ~ ~ Ω bbildung 7 7

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