WECHSELSTROM. 1. Messung von Wechselspannungen, Blindwiderstand. a) Maximalspannung. Geräte: Netzgerät Ossi Spannungsmessgerät (~)

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1 WECHSELSTROM 1. Messung von Wechselspannungen, Blindwiderstand a) Maximalspannung Spannungsmessgerät (~) Miss 3 unterschiedliche Spannungen der Wechselspannungsquelle (<12 V~) - mit Messgerät - mit Vergleiche die Messgerätwerte mit den aus den Maximalwerten errechneten Effektivwerten. b) Effektivwerte Geräte (zusätzlich): Je 2 Birnchen 4, 6 u. 8 V - Stelle die Spannungsquelle zuerst auf 4 V~, anschließend auf 6 und 8 V~ ein und schließ jeweils das entsprechende Birnchen an - Schließe jeweils das 2. Birnchen an die Gleichspannungsquelle an und regle die Spannung so ein, dass die beiden Birnchen möglichst genau gleich hell brennen Miss jeweils: - Spannung und Stromstärke der Gleichspannungsquelle - Bestimme den Maximalwert der Wechselspannung mit dem (Scheitelwert) Vergleiche die Leistung von Wechsel- und die Leistung von Gleichstrom. Bestimme jeweils das Verhältnis von Scheitelwert der Wechselspannung zum Gleichspannungswert. c) Blindwiderstand Geräte (zusätzlich): Kapazitätsdekade ~ Stromstärkemessgerät Mach dich zuerst mit der Kapazitätsdekade vertraut (stelle einige Werte ein und miss diese mit dem Kapazitätsmessgerät. Spannungsquelle 6 V~ Dekadeneinstellungen: 0,005; 0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,07; 0,1 µf Schließe die Dekade an das an und bestimme für jede Dekadeneinstellung die Stromstärke R C = f ( C) (Diagramm und Interpretation) Theorie: Effektivwerte von P, U und I kapazitiver Blindwiderstand 2. Wechselstromwiderstand

2 R = 100 Ω 5 unterschiedliche Kondensatoren von 0,1 bis 10 µf 5 unterschiedliche Spulen (mit und ohne Kern); miss die Induktivität und wähle eine gleichmäßige Abstufung Lämpchen 6 V u. 3,8 V / 0,08 A Multimeter; Widerstands-, Kapazitäts- und Induktivitätsmessgeräte Evtl. auch Cassy und Power-Cassy (als Fkt.-Generator) a) Schließe das Birnchen mit 100 Ω-Widerstand an den Sin- Generator an. Stelle den Ausgang bei geringer Frequenz auf eine mittlere Helligkeit des Birnchens. Verändere die Frequenz von ca. 100 bis ca. 10 khz Beobachtung? 6V ~ 100 Ω 3,8V/0,08A b) Aufbau entsprechend a), ohne Widerstand, mit unterschiedlichen Kondensatoren. Beachte, dass die Helligkeit des Birnchens über den gesamten Frequenzbereich nicht zu groß wird. 6V ~ c) Aufbau entsprechend b), an Stelle der Kondensatoren unterschiedliche Spulen. d) Aufbau Birnchen, Kondensator und Spule in Reihe; bestimme auch den ohmschen Wid. der Spule Durchführung entsprechend b), c) und d). Die Spannung (Amplitude) wird so eingestellt, dass das Birnchen im Bereich maximaler Helligkeit nicht überlastet ist und im Verlauf der Messung konstant gehalten werden kann. Die Stromstärke wird mit dem Messgerät für mindestens 10 Messwerte über den ges. Frequenzbereich (bis ca. 20 khz) gemessen, (zusätzliche Messwerte im Bereich größerer Änderungen). Zeichne für b) c) und d) jeweils ein Diagramm: I 0 = Fkt (f) Theorie: Abhängigkeit der Wechselstromwiderstände von der Frequenz. Vergleiche die Messungen mit der Theorie (f 0 ; I max ) 3. Kapazität und Induktivität im Wechselstromkreis Sin.-Generator Widerstände 100 Ω, 1 k Ω, 10 k Ω Kondensatoren z.b. 5 µf und größer Spule hoher Induktion n = mit Eisenkern a) Kapazität Aufbau und Bestimme die Werte von R und C jeweils auch mit dem Messgerät Schaltung von Widerstand und Kondensator in Reihe (unterschiedliche Kombinationen) Angelegte Spannung an Kanal 1 Stromverlauf wird am Widerstand abgegriffen, an Kanal 2 Amplitude und Frequenz beliebig, so dass Phasenverschiebung gut messbar ist Bestimme die Amplituden von U und I (muss mit R errechnet werden) Bestimme die Phasenverschiebung φ (Abstand der beiden Kurvenmax. in [ ] )

3 Berechne jeweils R C Berechne jeweils φ aus R, C und f und vergleiche mit den gemessenen Werten Bereche jeweils den Scheinwiderstand b) Induktivität Aufbau und Wie a), an Stelle des Kondensators die Spule jeweils ohne Kern, mit offenem und geschlossenem Kern Bestimme den ohmschen Wid. der Spule Bestimme die Amplituden von U und I (muss mit R errechnet werden) Bestimme die Phasenverschiebung φ (Abstand der beiden Kurvenmax. in [ ] ) Berechne jeweils R L Berechne jeweils φ aus R, L und f und vergleiche mit den gemessenen Werten Bereche jeweils den Scheinwiderstand 4. Absolute Messung von Kapazitäten mit Wechselspannung Aufgabe: Aus dem elektrischen Widerstand von Kondensatoren im Wechselstromkreis sollen die Kapazitätswerte verschiedener Kondensatoren bestimmt werden. EOP-Grundplatte Steckplatte 2 Messgeräte Spannungsquelle (Netzwiderstand) Steckbausteine: Überbrückungsstecker; Kondensator 1nF; 2,2 nf; 3,3 nf; 10 nf; 0,1 µf; 1 µf; Bemerkung: Es gibt verschiedene Methoden, die Kapazitätswerte von Kondensatoren zu bestimmen. Solange man keine Kapazitäts- oder Widerstandsnormale zur Verfügung hat, ist die Berechnung aus dem Wechselstromwiderstand die geeignetste Methode, da lediglich Strom- und Spannungsmessungen im Wechselstromkreis durchgeführt zu werden brauchen. Die Spannungsmessung parallel zum Kondensator soll hochohmig durchgeführt werden; der E-OP-Baustein ist dafür sehr gut geeignet. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass der Baustein keine größeren Eingangsspannungen als ca. + 6 V verarbeiten kann. Deshalb muss gegebenenfalls ein hochohmiger Spannungsteiler - z.b. R1 = 100 MOhm : R2 = 10 MOhm oder 100 MOhm : 1 MOhm - vor den Eingang des Bausteines geschaltet werden. Aufbau: 10V~ Netzwiderstand C R1 R2 - EOP + Der Schiebeschalter auf der Rückseite des EOP-Bausteines wird in die Stellung 1: Elektrometer geschaltet. Es wird eine Versorgungswechselspannung von 10 V an den Baustein angeschlossen. Die Erdbuchse des Anschlusskastens wird mit Masse verbunden; die übrigen Anschlüsse erfolgen entsprechend Abb..

4 Durchführung Es werden nacheinander die Kondensatoren mit den Nenn-Kapazitäten 1 nf; 2,2 nf; 3,3 nf; 10 nf; 0,1 µf und 1 µf in den Wechselstromkreis geschaltet, Strom und Spannung unter Berücksichtigung evtl. Spannungsteiler gemessen und tabeiiiert. - Aus den Messwerten sind unter Berücksichtigung der Spannungsteiler die Kapazitätswerte der verschiedenen Kondensatoren zu berechnen und ebenfalls in die Tabelle einzutragen. - Durch welche Einflüsse können bei der Messung Fehler verursacht werden? - Welche Fehlerquellen lassen sich relativ leicht ausschalten? - Welches Prinzip liegt den Messungen zugrunde? - Lässt sich dieses Prinzip auch auf Induktivitäten anwenden? - Theorie: Wechselstromwiderstände 5. Orthogonale Überlagerung von Spannung und Stromstärke Sin.-Generator z.b. 10 V ~ Widerstände 10 Ω, 100 Ω, 1kΩ Kondensatoren z.b. 5 µf und größer Spule hoher Induktion n = mit Eisenkern - Einfacher Kreis, entweder Spule + Widerstand oder Kondensator + Widerstand - Quelle für die Spule: Sin.-Generator; für den Kondensator:. U 0 zu Beginn jeweils 10 V ~ - Spannungsmessung am Widerstand: (y-ablenkung, Kanal 2) am Widerstand. Wähle den Widerstand so, dass die Amplitude möglichst groß wird. - U R wird nun an die x-ablenkung des s gelegt (die Empfindlichkeit kann, wenn nötig, durch Umschaltung um den Faktor 5 erhöht werden). Evtl. auch die Quellspannung erhöhen. - Quellspannung an die y-ablenkung - Spannungen und Einstellungen am so wählen, dass das Bild eine möglichst große Ellipse wird. - Bestimme aus den Einstellungen jeweils U 0 und U R - Bestimme U(t) in % von U 0, bei U R = max. - Berechne hieraus die Phasenverschiebung - Vergleiche mit dem theoretischen Wert (s. Theorie - Zeigerdiagramm) Theorie: - Erkläre genau das Zustandekommen der Ellipse - Zeigerdiagramme zu den Versuchswerten 6. Parallelschaltung von R, L und C im Wechselstromkreis z.b. 10 V ~ Widerstände 1 kω Kondensatoren 2 µf Spule 3 H (die Werte für R,C u. L können auch variiert werden), Messgerät 1) Bestimme U eff mit dem Messgerät 2) Miss jeweils I eff in den Stromzweigen

5 3) Bestimme I eff gesamt mit dem Messgerät 4) Bestimme U 0 und I 0 mit dem Oszilloskop 5) Bestimme φ (Oszilloskop) 6) Variiere R, C u. L und führe weitere Messungen durch und benutze zur Auswertung die günstigsten Kombinationen - Bereche aus 1) und 2) die jeweiligen Blindwiderstände - Vergleiche mit den aus den Bauteilangaben berechneten Werten - Aus 1) und 3): Z, vergleiche mit dem berechneten Wert - Aus 4): Z, vergleiche - 5): Vergleiche mit berechnetem Wert Theorie: - Zeichne zu den Berechnungen entsprechendes Zeigerdiagramm - Vergleich mit Reihenschaltung - Wie stark macht sich der ohmsche Widerstand der Spule bemerkbar? (evtl. kurze Rechnung) 7. Siebkette und Sperrkreis Widerstände 100 Ω Kondensatoren 2 µf Spule 40 mh (die Werte für R,C u. L können auch variiert werden) Messgerät Siebkette: R, L und C in Reihe Sperrkreis L und C parallel Bestimme jeweils U 0 und I 0 mit dem Oszilloskop: mindestens 10 Wertepaare im Frequenzbereich von Hz Berechne jeweils Z und φ für die einzelnen Werte Zeichne Diagramm: Z = Fkt (f) und φ = Fkt (f) Zeichne dieselben Diagramme mit aus den Bauteilangaben berechneten Werten Theorie: Interpretiere die Diagramme Anwendungen 8. Reihenschaltungen im Wechselstromkreis div. Bauteile Messgerät Durchführung und Auswertung Beliebige (sinnvolle) Bauteil-Kombinationen. Messe und bestimme alle möglichen relevanten Größen und vergleiche mit der Theorie. (Z.B. auch Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung, Wirkstrom, Blindstrom, Leistungsfaktor, Resonanzfrequenz) Vergleiche die Aufgabenstellungen zur Parallelschaltung

6 9. I 0max als Fkt. der Frequenz Neva- y-t-schreiber div. Bauteile Messgeräte Durchführung und Bauteil-Kombinationen in Reihe (Spule und Induktivität) Möglichkeiten zur kontinuierlichen Erhöhung der Frequenz: a) Manuell in Schritten b) Wobbel-Funktion; wird der Wobbel-Eingang am Generator mit einer konstant ansteigenden Spannung belegt, liefert der Ausgang eine Spannung mit konstant ansteigender Frequenz. - Mach dich mit Hilfe von Messgerät und mit dem und der Wobbel-Funktion vertraut. - In welchem (möglichst großen) Frequenzbereich lässt sich die Frequenz beeinflussen, für tiefe, mittlere und hohe Frequenzen? Möglichkeiten zur Aufzeichnung der Funktion: a) Messung von einzelnen Wertepaaren mit dem Messgerät (I eff ) b) Ohmscher Widerstand = Lämpchen; ein zweiter Stromkreis mit einem Fotowiderstand dient zur Aufzeichnung von P eff (~ I eff ²) c) Bei nicht zu schneller Frequenz lässt sich bei kontinuierlich ansteigender Frequenz, I 0max als Hüllkurve mit dem y-t-schreiber aufzeichnen. d) Die Teilspannung am Ohmschen Widerstand wird über einen Trenntrafo abgenommen und mit einer Grätz-Schaltung gleichgerichtet. Am Widerstand der Grätzschaltung kann U ~ I 0max vom Schreiber aufgezeichnet werden; (u.u. muss mit einem Kondensator, parallel zu diesem Widerstand, die pulsierende Gleichspannung geglättet werden). e) Aufzeichnung der Hüllkurve mit dem Cassy (analog c)). 10. Leistungsmessgerät Leistungsmessgerät evtl. Cassy Messgerät Mache dich mit dem Leistungsmessgerät vertraut (Anleitung). Ermittle die Anwendungsmöglichkeiten für die Wechselstromtechnik. Arbeite mit dem als Wechselstromquelle und div. Bauteilen. Führe die notwendigen Messungen durch (z.b. U 0, I 0, U eff, P eff, Blindwiderstand, Phasenwinkel u.a.) Mache wo möglich Aufzeichnungen mit dem Cassy. Erstelle kurze Experimentieranleitungen für die durchgeführten Versuche. 11. Experimente mit Drehstrom-Motor und -Generator S. Geräte- und Versuchsbeschreibungen. - Beschreibung und Ergebnisse der durchgeführten Versuche - Kurz zum Prinzip und zur Theorie - Praxisrelevanz

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