Umwandlung elektrischer Energie in mechanische und umgekehrt

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1 Umwandlung elektrischer Energie in ENT Schlüsselworte Energieumwandlung, Elektrische Energie, Potentielle Energie, Leistung, Wirkungsgrad Schere Prinzip Mithilfe eines Elektromotors, der zunächst als Motor und danach als Generator arbeitet, werden die Energieumwandlungen von elektrischer Energie in mechanische (potentielle) Energie und umgekehrt qualitativ demonstriert und quantitativ gemessen. Anschließend soll der Wirkungsgrad bei der jeweiligen Energieumwandlung bestimmt werden. Material *1 Leitungsbaustein, gerade, DB *3 Leitungsbaustein, winklig, DB *1 Leitungsbaust.t-förmig, DB *1 Leitungsbaustein, unterbrochen, DB Leitungsbaustein, winklig mit Buchse *2 Leitungsbaust. Anschlussb., DB *1 Umschalter, DB *1 Lampenfassung, DB Motor 12V, DB Angelschnur, d-= 0,7 mm l = 20 m *1 Maßstab für Demo-Tafel *1 Wärmeisolierungsplatte, Filz *1 Glühlampe 1,5 V / 0,15 A, 1 St. von Schlitzgewichtsteller Schlitzgewicht, 10g Schitzgewicht, 50g Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Cobra4, magnetisch **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung, 250 mm, gelb Verbindungsleitung, 250 mm, rot Verbindungsleitung, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 750 mm, rot Verbindungsleitung, 750 mm, blau Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Umwandlung elektrischer Energie in 1 Schere 1 PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Hinweise Beim 1. Versuch empfiehlt es sich, den Körper (Gewichtsteller mit Schlitzgewichten) langsam mit der Hand nach unten zu führen, um möglichst wenig elektrische Energie zu erzeugen. Beim 2. Versuch sollte darauf geachtet werden, dass die Schnur sauber auf die Riemenscheibe des Generators aufgewickelt wird. Die Mittelung in den ersten beiden Versuchsteilen dient der Fehlerminimierung. Der 3. Versuch hilft, die beiden Einzelmessungen in einen direkten Zusammenhang zu bringen. Das Festhalten nach dem Hochziehen dient dazu, die Messungen besser voneinander trennen zu können. Aus 50 cm Fallhöhe ergibt sich wegen der 13 cm Höhe des Gewichtstellers und 5 cm Sicherheitsabstand eine Gesamthöhe des Motors von 68 cm. In diesen Versuchen wird an den Motor nur eine Spannung von 4 V angelegt, da sonst der Gewichtsteller zu schnell hochgezogen wird. Dadurch arbeitet der 12V-Motor nur mit kleinem Wirkungsgrad. Aufbau - An der Tafel mit den Bausteinen einen Stromkreis nach Abb. 1 aufbauen. Der Schalter schließt den Stromkreis mit der Lampe. Die Riemenscheibe des Motors soll sich 68 cm über der Tischplatte befinden. Das Messlineal so anbringen, dass es vom Tisch an senkrecht nach oben zum Motor zeigt. - Angelschnur an der Riemenscheibe des Motors befestigen; genügend Schnur um die Riemenscheibe wickeln, damit die Rille gefüllt ist. Schnur über die Rolle zum Tisch führen und abschneiden. - Gewichtsteller mit Schlitzgewichten belasten (Gesamtmasse des Körpers = 100 g), an der Schnur einhaken und auf die Tischplatte aufsetzen. - Den Gleichspannungsausgang des Netzgerätes an den Stromkreis anschließen (Abb. 1) und Spannung auf 4 V- einstellen. - Die Cobra4 Sensor-Unit Energy wie in Abb. 1 an den Stromkreis anschließen. Darauf achten, dass die A -Buchse der Sensor Unit verwendet wird. - Filzplatte so auf den Tisch legen, dass der Tisch vor dem Aufprall des Gewichtstellers geschützt wird. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless-Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbinden. Nach dem Einschalten der Wireless-Links werden die Sensor-Units automatisch erkannt und es wird ihnen eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display der beiden Cobra4 Wireless-link sichtbar sind. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless-Manager und den Cobra4 Wireless-Links wird durch die jeweilige LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Umwandlung elektrischer Energie in ENT 1. Versuch: Motor - Experiment Motor laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 2). - Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Sobald die Unterseite des Gewichtstellers mit Schlitzgewichten auf eine Höhe von 50 cm gezogen wurde, Schalter umschalten, und gleichzeitig den Gewichtsteller festhalten. - Gewichtsteller mit Schlitzgewichten langsam per Hand zurück bis zum Tisch führen. - Messvorgang 2 mal wiederholen. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Netzgerät ausschalten. - Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. Abb. 2: Messwerterfassung Versuch 1 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Umwandlung elektrischer Energie in 2. Versuch: Generator - Experiment Generator laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 3). - Schalter in die Stellung bringen, in der der Stromkreis mit der Lampe geschlossen ist. - Schnur auf die Riemenscheibe aufwickeln, sodass sich die Unterseite des Gewichtstellers mit Schlitzgewichten in einer Höhe von 50 cm über dem Tisch befindet. - Messwertaufnahme in measure starten. - Den Gewichtsteller mit Schlitzgewichten loslassen. - Die Schnur langsam wieder aufwickeln, dabei die Motorscheibe festhalten. - Messvorgang 2 mal wiederholen. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. Abb. 3: Messwerterfassung Versuch 2 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Umwandlung elektrischer Energie in ENT 3. Versuch: Motor - Generator - Experiment Motor laden (Experiment > Experiment öffnen > ). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur Messwertaufnahme geöffnet (Abb. 4). - Schalter in die Stellung bringen, in der der Stromkreis mit der Lampe geschlossen ist. - Netzgerät einschalten. - Messwertaufnahme in measure starten. - Sobald die Unterseite des Gewichtstellers mit Schlitzgewichten auf eine Höhe von 50 cm gezogen wurde, Schalter umschalten, und gleichzeitig den Gewichtsteller festhalten. - Schalter erneut umlegen, sodass der Stromkreis mit der Lampe geschlossen ist und kurz abwarten. Nach einigen Sekunden den Gewichtsteller loslassen. - Schalter erneut umlegen und Messvorgang 2 mal wiederholen. - Messwertaufnahme in measure beenden. - Netzgerät ausschalten - Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. Beobachtungen und Ergebnisse Der Motor hebt den Gewichtsteller mit Schlitzgewichten an. Bei der Abwärtsbewegung leuchtet die Glühlampe. Abb. 4: Messwerterfassung Versuch 3 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Umwandlung elektrischer Energie in Auswertung Der Motor benötigt elektrische Energie, um den Körper anzuheben. Mit einem Motor kann elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Wie das Leuchten der Glühlampe beweist, kann man mithilfe eines Generators mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Bei all diesen Vorgängen wird durch Reibung im Motor sowie durch Aufheizen der Spulen des Motors Wärme erzeugt. Sie haben daher einen Wirkungsgrad der teilweise viel niedriger als 100 % ist. Mit Hilfe der Cobra4 Sensor-Unit Energy werden nicht nur Spannung U und Stromstärke I des Motors bzw. des Generators, sondern auch die Leistung P und die elektrische Arbeit W gemessen. 1. Versuch: Motor Zur Berechnung des Wirkungsgrades des Motors muss zunächst die benötigte elektrische Energie pro Hebevorgang E el1 berechnet werden. Mit Hilfe der Funktion Vermessen kann aus der Messkurve die Gesamtenergie für die drei Hebevorgänge ermittelt werden. Außerdem kann die mechanische (potentielle) Energie berechnet werden durch: E mech = E pot = m. g. h = 0,1 kg. 9,81 ms -2. 0,5 m E mech = 0,49 Nm = 0,49 Ws. Energie für drei Hebevorgänge in Ws Energie E el1 pro Hebevorgang in Ws Mechanische Energie in Ws 10,58 3,52 0,49 Daraus lässt sich nun der Wirkungsgrad berechnen: η 1 = E mech : E el1 = 0,49 Ws : 3,52 Ws η 1 = 13,9 %. Abb. 5: Messung Versuch 1 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

7 Umwandlung elektrischer Energie in ENT 2. Versuch: Generator Für die Berechnung des Wirkungsgrades des Generators wird nun die erzeugte elektrische Energie pro Fallvorgang E el2 benötigt. Mit Hilfe der Funktion Vermessen kann aus der Messkurve die Gesamtenergie für die drei Fallvorgänge ermittelt werden. Die Potentielle Energie ist die gleiche wie im ersten Versuch. Energie für drei Fallvorgänge in Ws Energie E el2 pro Fallvorgang in Ws Mechanische Energie in Ws 0,72 0,24 0,49 Daraus lässt sich nun der Wirkungsgrad berechnen: η 2 = E el2 : E mech = 0,24 Ws : 0,49 Ws η 2 = 49 %. Insgesamt ist es nun also theoretisch möglich, den Gesamtwirkungsgrad für das Anheben und das Fallenlassen zu berechnen. η ges = η 1. η 2 = 13,9 %. 49 % η ges = 6,8 % Abb. 6: Messung Versuch 2 P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 7

8 ENT Umwandlung elektrischer Energie in 3. Versuch: Motor - Generator Dieser Versuchsteil dient der qualitativen Anschauung. Es wird deutlich, dass mehr Energie für das Hochziehen benötigt wird, als bei dem Fallenlassen erzeugt wird, dennoch ist auch die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie gut zu beobachten. Abb. 7: Messung Versuch 3 Anwendung Die Umwandlung von Energie spielt in sehr vielen Lebensbereichen eine Rolle, zum Beispiel bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie im Haushalt sowie bei der Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftwerk. Es wird deutlich, dass jeder dieser Umwandlungsprozesse nur einen bestimmten Wirkungsgrad besitzt und somit jede Umwandlung Verluste hervorruft. Das Experiment Motor - Generator dient der Veranschaulichung eines Pumpspeicherkraftwerks, da elektrische Energie in mechanischer Energie gespeichert werden kann und je nach Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wie es gerade nötig ist. Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Cobra4 Sensor-Unit Energy Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P