Allgemeine Anmerkungen zur Organisation

Transkript

1 Betreuung : Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Assistenten : Dr. Marcus Iberler / Prof. Dr. Jacoby Jannet Schmidt Anschrift: Max von Laue-Str. 1 Max von Laue Str Frankfurt am Main Frankfurt am Main aum: Zi Telefon: 069/ Fax: 069/ iberler@physik.uni-frankfurt.de Johannes Schwenk Anschrift: Max von Laue-Str Frankfurt am Main aum: Zi. Telefon: 069/ Fax:069/ schwenk@stud.uni-frankfurt.de Alexander Mayr Anschrift: Max von Laue-Str Frankfurt am Main aum: Zi Telefon: 069/ Fax:069/ a.mayr@physik.uni-frankfurt.de Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 1

2 Allgemeine Anmerkung zur Organisation Praktikumsanleitung kann erworben werden für 0 Eintrag in die Listen mit Studentenausweis o. Ä Wenn möglich -Adresse angeben Unterschrift für Sicherheitsbelehrung Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 2

3 Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Versuchsvorbereitung Gründliche Vorbereitung 1.) Durchlesen der Versuchsanleitung 2.) Zusätzliche Kenntnisse durch Lehrbücher 3.) Kenntnisse zum Messverfahren 4.) Zusammenfassung der theoretischen Kenntnisse. 5.) Abnahme und Abfrage durch den jeweiligen Assistenten Bei unzureichender Vorbereitung ist keine Versuchsdurchführung möglich!!! Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 3

4 Anfertigung und Abnahme des Protokolls Protokolle sind Voraussetzungen zum Erhalt des Scheins - Abgabe der Protokolle spätestens zwei Termine nach der Versuchsdurchführung - Alle Protokolle von den Betreuern als in Ordnung bewertet - Mündliche Prüfung am Ende des Praktikums Anfertigung der Protokolle (siehe Versuchsanleitung) unbedingt beachten 1. Thema 2. Vorbereitung 3. Versuchsbeschreibung 4. Messergebnisse 5. Auswertung und Fehlerrechnung 6. Zusammenfassung Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 4

5 Sicherheitsbelehrung Bitte in die Liste eintragen und unterschreiben Ohne Unterschrift keine Versuchsdurchführung Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 5

6 Sicherheitsbelehrung Gefahren durch elektrischen Strom an der Einsatzstelle Ohne Unterschrift keine Versuchsdurchführung Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 6

7 Verschiedene Berührungsarten Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 7

8 Gefahrenpotential Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen - Elektrolytisch : Zersetzung von Zellsubstanzen (Gleichstrom *). - Wärmewirkung : Verbrennungen, Eiweißgerinnung (Hohe Ströme ; Wechselstrom > 100 khz). - Beeinträchtigung des Nervensystems : Atmungsbehinderung, Herzrhythmusstörungen, - stillstand. (50 Hz Wechselstrom Netzversorgung *). *) Hz sind Frequenzen, welche in der natürlichen Herzstromkurve vorkommen. Ansteuerung mit Dosen-Strom bringt das Herz aus dem hythmus. Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 8

9 Gefahrenpotential Zahlenbeispiele - Widerstand trockener Haut : ca. 100 kω feuchter Haut : sinkt bis auf 500 Ω - Wirkung verschiedener Stromstärken auf Organismus : 10 ma Muskel-Kontraktion 25 ma Atmungsbehinderung, Herzrhythmusstörungen 50 ma Bewusstlosigkeit 100 ma Tod U = I = 500 Ω 100 ma = 50 V Spannungen ab 50 V können tödlich wirken! Dabei ist zu beachten : - Bei Arm-Arm-Verbindung mit dem Stromnetz fließt 100 % des Stromes durch das Herz. - Bei Arm-Bein-Verbindung (Bodenkontakt) etwa 7 %. Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 9

10 Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 10

11 Weitere Schutzmaßnahme gegen Berührung Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 11

12 Zusammenfassung Stromstärken ab 50mA sind lebensgefährlich. Die Gefährdung nimmt mit höherer Stromstärke und längerer Einwirkdauer zu. Wechselspannungen über 50V sind lebensgefährlich. Gleichspannungen über 120V sind lebensgefährlich. Wechselstrom mit einer Frequenz von 50Hz ist gefährlicher als Griechstrom, weil es bereits bei dieser Frequenz zum Herzkammerflimmern kommen kann. Wegen Unfallgefahr ist das Arbeiten an Teilen, die unter Spannung stehen, verboten!! Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 12

13 Aktive Sicherheit Sicherheitsvorkehrungen im Praktikum - Alle im Praktikum vorkommenden Spannungen sind unter70 V abgesenkt. Jedoch: An den Steckdosen liegen 220 V! - Alle Arbeitsplätze sind durch Schlüsselschalter verriegelt. Freischaltung erfolgt durch den Assistenten nach Abnahme des Versuchsaufbaus. Passive Sicherheit - Notaus-Knopf an jedem Tisch (nur für diesen speziellen Versuch) und zentrale Notaus-Knöpfe neben den Eingängen (für den ganzen aum)! - Notausgänge mit Panik-Schloss (immer offen). - Fehlerstromschutzschalter an jedem Arbeitsplatz. Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 13

14 Sicherheitsvorkehrungen im Praktikum Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) I 1 I 2 Funktionsweise : - Wenn ein geschlossener Stromkreis vorliegt, fließt der benötigte Strom über die Zuleitung zum Verbraucher hin (I 1 ) und in gleicher Größe wieder zurück (I 2 ). - Jeder Strom ist mit einem Magnetfeld verbunden (B 1, B 2 ). Der Schutzschalter vergleicht die Magnetfelder des ab- und zurückfließenden Stromes und löst ggf. ein elais aus, das den überwachten Stromkreis sofort abschaltet. B 1 B 2 Copyright Bayerisches Staatsministerium für Gesundheit, Ernährung und Verbraucherschutz Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 14

15 Verbleibende Gefahren - FI-Schalter reagiert nicht, wenn der Stromkreis geschlossen und daher nicht unterscheidbar ist, ob im Sekundärkreis ein Verbraucher angeschlossen ist oder ein Notfall vorliegt. - Beispiele: Mit beiden Händen offene Kontakte (auf verschiedenem Potential) anfassen Stromkreis geschlossen! Transformator-Schaltung (z.b. in Gleichspannungs-Netzgeräten) Praktikant befindet sich im Sekundärkreis und ist somit Verbraucher. Schutzmaßnahme: Strombegrenzung für den Ausgang. Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 15

16 Verhaltensregeln (Vorschriften!!) - Verbindungskabel mit Bananenstecker niemals in die 220 V Steckdosen stecken! Verweis aus dem Praktikum!! - Bei Umbauten der Schaltung immer zuerst Spannungsquelle abschalten. Assistenten rufen und umgebaute Schaltung überprüfen lassen. - Keine offenen Leitungen (z.b. durch ineinander Stecken von Verbindungskabeln) Lange Kabel besorgen! - Nie in offene Leitungsenden greifen! - Wenn Leitungen beschädigt (z.b. Schäden an der Isolation), diese von den Assistenten aussondern lassen. Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 16

17 Hinweise zur Versuchsdurchführung allgemeine Hinweise: - Vor Versuchsbeginn überprüfen die Betreuer, ob die Schaltungen korrekt aufgebaut sind. Durchführung erst nach Freigabe (Schlüsselschalter) möglich. - Zwischen- und Endergebnisse ansagen, (zu jeder (Teil-) Aufgabe gemäß Versuchsanleitung), Versuch erst nach Bestätigung (Tagesstempel) abbauen. - Graphische Auswertung (auf mm-papier; lin. oder logarithm. Darstellung) muss während des Praktikums durchführt werden. - Tagesstempel am Ende des Praktikumstages zwingend notwenig - Lineare egression, soweit erforderlich, an PC s im Praktikum (oder eigenem Laptop) durchführen. Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 17

18 Versuchsdurchführung Auswertung der Ergebnisse - Sofern eine Fehlerrechnung durchgeführt wurde, sind Fehlerbalken in die Graphen einzutragen! Beispiel : 3 Grenz-Geraden U [mv] [Ω] ± ΔU [mv] ± Δ [Ω] 10 1,0 1 0,2 20 1,5 2 0,5 30 2,0 3 0,3 [Ω] Ergebnisse sind mit Angabe des Fehlers zu versehen. Sinnvoll unden! U [mv] Beispiel: = (1,5 ± 0,3) Ω Falsch : = (1,5 ± 0, ) Ω - Auf Größe und Skalierung achten! Falsch: Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 18

19 Geräteeinführung 1.) Schiebewiderstand Ersatzschaltbild 1 1 Spannungsteiler U1 U1 + U2 = Uges = ges U2 U ges I1 = I2 = Iges U1 = 1*I Da durch beide Widerstände im unbelasteten Zustand der gleiche Strom fließ gilt: U1/1 = U2/2 U1/1*2 = U2 Uges = U1 + U1/1*2 = U1(1+2/1) Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 19

20 1.) Messbrücke Gesucht Spannungsdifferenz U1-U3 = U5 Abgleichverfahren Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 20

21 Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 21 1.) Meßbrücke Abgleichverfahren U U + = U U + = I U = Gesucht Spannungsdifferenz U1-U3 = U5 Ausgangspunkt: Ohmsches Gesetz U U + = ) )( ( U U + + = U5 = = =

22 Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte - Beim Aufbau des Versuchs erst den (geschlossenen) Stromkreis festlegen (inklusive Amperemeter) und danach erst die Zuschauer-Instrumente (Voltmeter, Oszi, Schreiber) anschließen! - Meßgenauigkeit: Fehlerangabe (DIN-Güteklasse) 1,5 1,5 1,5 Beispiel : Versuch 10 A V V V Bedeutet : ± 1,5 % (Eich-) Genauigkeit (in der egel vom Endausschlag!). Achtung : elativer Fehler immer größer, deshalb Skalenbereich möglichst maximal ausnutzen, ggf. in empfindlicheren Bereich umschalten! Beispiel : 100 Skalenteile, I = ma, Fehler = ± 1,5 % 20 ma Gemessen el. Fehler = ± 1,5 ma = 7,5 % Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 22

23 Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung a) Versuchsaufbau: A V I 0 I V I A U b) Messung: U [V ] I [ma] Δ U Δ I [1 %] [1 %] 1,1 10 3V 10mA 2,0 15 3V 30mA 3, V 30mA c) Auswertung: = U/I: Mittelwertbildung, Fehler des Mittelwerts; egression (graphisch), Fehler (Min/Max-Methode) P=U*I: Fehlerfortpflanzung, relativer u. absoluter Fehler Diskussion: Genauigkeit von U bzw. I abhängig von Position Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 23

24 4) Strom- und Spannungsmessung im Überblick Strom- und Spannungsmessung mit Multimeter Beispiel eines digitalen Multimeters Strommessung Spannungsmessung A U U V S S Innenwiderstand: sehr klein Innenwiderstand: sehr groß Bei Messbereichserweiterung: Widerstand parallel Widerstand in reihe A shunt V shunt Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 24

25 Spannungsmesser (Voltmeter) : Vor V - Spannung wird zwischen 2 Punkten gemessen (Potentialunterschied). Voltmeter parallel zum Messobjekt: V I 0 I V - Durch das Voltmeter muss ein Strom I V = const. und klein fließen, damit der Hauptstrom I 0 durch den Verbraucher () und die Klemmspannung U Q der Quelle nicht verändert werden. Q + - U Q Merken: Innenwiderstand V des Voltmeters groß gegenüber Verbraucher () (gilt auch für Schreiber). Ggf. Vorwiderstand ( Vor ) verwenden. Messbereichs- Erweiterung: V = U I M M Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 25

26 Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte Strommesser (Amperemeter): - Amperemeter werden in den Stromkreis geschaltet, d.h. in eihe mit dem Messobjekt: - Ohne Amperemeter : U Q =. I 0 Mit Amperemeter : U Q = ( + A ). I I / I 0 = / ( + A ) A möglichst klein, damit der Gesamtwiderstand der Schaltung nur geringfügig verändert wird und I 0 konstant bleibt! I P Par A A I A + - U Q I 0 ; I Merken: Innenwiderstand A des Amperemeters klein gegenüber Verbraucher (). Eventuell noch kleineren Parallelwiderstand ( Par ) einbauen, um Messgerät zu überbrücken. Messbereichs- Erweiterung : N = I I M I M M Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 26

27 5) Oszilloskop Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei Oszilloskopen durch elektrische Felder. Diese Ablenkung wurde gewählt, weil sie wesentlich unkomplizierter über große Frequenzbereiche beherrschbar ist, zur Ablenkung keine elektrische Leistung benötigt wird (und damit auch keine aufwendigen Verstärkerschaltungen). Quelle: Wikipedia Erzeugung eines Elektronenstrahls Ablenkung in y-ichtung durch E-Felder des elektrischen Messsignals (Amplitude) Ablenkung in x-ichung durch einen Sägezahnsignals (Zeitbasis) Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 27

28 Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung a) Versuchsdurchführung: 15 Messungen mit a) 5 Messungen mit b) V a) b) A I 0 I V I A U Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 28

29 Versuchsaufbau: Versuch 1 Vom ersten Versuch soll jeder ein Protokoll anfertigen, sonst pro Versuch nur ein Protokoll! Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 29

30 Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 30

31 Darstellung Messergebnisse U[V] I[A] Umeß Imeß Δ U[V ] ΔI[A] ΔI ΔU [ Ω] Δ Δ P[W] I U ΔP ΔP P Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 31

32 Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung Aufgabe Messwert für Spannung U Messwert für Strom I Messbereich für Strom Messbereich für Spannung Fehler für ΔI Fehler für Spannung ΔU Wert für Widerstand Fehler für Widerstand Δ Wert für Leistung P=UI Fehler der Leistung ΔP Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 32

33 Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung Aufgabe Auftragen von I gegen U Bestimmung der Ausgleichsgerade Zeichnung der Max- und Min-Gerade Bestimmung des mittleren Widerstandes aus der Grafik Bestimmung des Fehlers aus Grafik Bestimmung des stat. Fehlers Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 33

34 Auswertung: = U/I: Mittelwertbildung, Fehler des Mittelwerts; egression (graphisch), Fehler (Min/Max-Methode) P=U*I: Fehlerfortpflanzung, relativer u. absoluter Fehler Diskussion: Genauigkeit von U bzw. I abhängig von Position Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt 34