Gebrauchsanweisung

Transkript

1 Gebrauchsanweisung Experimentierkit MEE ( ) Das Experimentierkit MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik) ist eine Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Es werden dabei unter anderem folgende Themenbereiche behandelt: Serien- und Parallelschaltung von Widerständen Serien- und Parallelschaltung von Kondensatoren Auf- und Entladung von Kondensatoren, Resonanzkreise Transformator elektromagnetische Induktion Kraft im Magnetfeld Messung des Erdmagnetfeldes Feld einer stromdurchflossenen Spule Kennlinie einer Diode Kennlinie einer Solarzelle Kapazität eines Plattenkondensators Dielektrizitätskonstanten Versorgung Die elektrische Versorgung der Experimente wird zentral am Messverstärker eingespeist. Dieser besitzt dazu links oben zwei verschiedene Möglichkeiten um über Steckernetzteil oder mm Buchsen eine Spannung von 12 V~ AC einzuspeisen. Gleichspannung funktioniert nicht. Die gleichgerichtete Spannung wird zur internen Versorgung des Messverstärkers verwendet und steht auch am 6-poligen Steckverbinder oben rechts zur Verfügung, über den der Funktionsgenerator angeschlossen wird. Hauptkomponenten des Systems sind: - Widerstände Kondensatoren Messverstärker / Stromversorgung Funktionsgenerator Magnete - Magnetfeldsensor - Spulen - Stativmaterial Eine genaue Auflistung findet sich auf der folgenden Seite.

2 Gebrauchsanweisung Seite 2/2 Lieferumfang Im Experimentierset MEE sind enthalten: Pos. Anzahl Artikel ErsatzteilNr (*) 1 2 Stativfuß Spule, 1000 Windungen Stativstab AL, 30cm Stativrohr MS, 15cm Stativstab AL, 12cm mit Schraube Experimentierkabel 15cm schwarz aus ET5 7 2 Experimentierkabel 30cm rot aus ET5 8 2 Experimentierkabel 30cm blau aus Adapterkabel 2/ 30cm rot aus ET Adapterkabel 2/ 30cm blau aus Seidengarn aus ET Konstantandraht, 1 m, d=0,3mm aus Platine Widerstände Platine Kondensatoren Platine Messverstärker Platine Funktionsgenerator Magnetfeldsensor Motor mit Magnet Satz Magnete Satz Kondensatorplatten mit Dielektrikum Eisenkern, massiv Digitalstoppuhr LDS Stabmagnet aus ET2 2 1 Winkelskala mit Einräumplan (*) bitte beachten Sie, dass die genannten Ersatzteilnummern teilweise andere Stückzahlen enthalten. LD Didactic GmbH. Leyboldstrasse 1. D-5035 Huerth / Germany. Phone (02233) Fax (02233) info@ld-didactic.de by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved

3 Gebrauchsanweisung Experimentierboard Widerstände ( ) Die Platine ist Teil des Experimentierkits MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik), einer Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Experimentierboard Widerstände Auf dem Experimentierboard Widerstände sind auf der linken Seite (3) diverse Widerstände im Kilo- und Mega-Ohm Bereich angeordnet, rechts dagegen relativ niederohmige Widerstände zur Strombegrenzung () und Strommessung (5). Mit den im Experimentierset verfügbaren Leistungen können die Widerstände nicht zerstört werden. Mittels der Klemmschrauben (2) können Drahtstücke eingesetzt werden, für ohmschen Widerstand oder auch Lorenzkraft. Die Leuchtdiode mit Vorwiderstand (1) wird zum einen als Halbleiterbauteil untersucht, kann auch zur Beleuchtung der Photodiode auf dem Experimentierboard Kondensatoren verwendet werden. Zu beachten ist hierbei, dass die Diode wegen der Betriebssicherheit nur über einen Vorwiderstand von 70 angeschlossen werden kann. Der Spannungsabfall über dem Widerstand ist im Experiment dann jeweils über R*I abzuziehen. Der Widerstand (5) ist in Reihe mit einer selbstrückstellenden Sicherung geschaltet, die beim Einsatz einer externen Spannungsquelle den Widerstand schützt, sich dabei aber erhitzt.

4 Gebrauchsanweisung Experimentierboard Kondensatoren ( ) Die Platine ist Teil des Experimentierkits MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik), eine Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Experimentierboard Kondensatoren Auf dem Experimentierboard Kondensatoren sind zentral vier große Elektrolytkondensatoren (1) angeordnet. Aufgrund der Eigenschaften der Kondensatoren sind diese jeweils mit einer Schutzschaltung () umgeben, die den Kondensator gegen Verpolung schützt. Diese Schutzschaltung besteht aus einer parallel zum Kondensator angeordneten Diode, die eine verpolte Spannung kurzschließt und einer selbstrückstellenden Sicherung in Serie, die dann auslöst. Die Kondensatoren sind nicht explizit gegen Überspannung geschützt, allerdings mit 35 Volt ausreichend dimensioniert für die mit dem Experimentierkit erreichbaren Spannungen. Im rechten Teil (3) sind deutlich kleinere Kondensatoren angeordnet, die als Teil von Schwingkreisen oder Hoch/Tiefpässen Verwendung finden. Zusätzlich steht noch eine Silizium Photodiode (2) mit Schutzwiderstand zur Verfügung, die zum einen als Halbleiterdiode untersucht werden kann, zum anderen auch als Solarzelle und letztlich im Experiment als steuerbare Konstantstromquelle eingesetzt werden kann. Zu beachten ist hierbei, dass die Diode wegen der Betriebssicherheit nur über einen Vorwiderstand von 70 angeschlossen werden kann. Bei Aufnahme einer Diodenkennlinie ist der Spannungsabfall über dem Widerstand im Experiment dann jeweils über R*I abzuziehen.

5 Gebrauchsanweisung Messverstärker ( ) Die Platine ist Teil des Experimentierkits MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik), einer Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Messverstärker Das Eingangssignal des Messverstärkers wird an den beiden 2 mm Buchsen links (3) angeschlossen. Der Eingang ist massefrei und hochohmig, kann also beliebig in der Schaltung verwendet werden. Die Eingangsspannung wird wahlweise um den Faktor 1 oder 10 verstärkt. Dies wird über die beiden oberen Schalter () eingestellt. Das Signal steht am Ausgang (7) massebezogen (8) zur Verfügung. Das angeschlossene Multimeter wird meist auf Gleichspannungsmessung eingestellt sein. Eine Wechselspannungsmessung kann im Prinzip durch ein auf Wechselspannung eingestelltes Multimeter am Ausgang erfolgen, allerdings ist bei einfachen Multimetern die Wechselspannungsmessung nur im Bereich um 50 Hz Sinus genau. Die Messung bei hohen Frequenzen im khz Bereich erfolgt besser über den im Messverstärker eingebauten Spitzenwert- Gleichrichter, dessen Ausgangsspannung am Anschluss (10) verfügbar ist. Da nur der positive Spitzenwert gemessen wird, ist je nach Kurvenform eine Skalierung auf den Effektivwert nötig. Kurvenform Sinus Dreieck Rechteck DC Spitzenwert Effektivwert Aufgrund der langen Haltezeit ist der Spitzenwertgleichrichter auch zur Erfassung schneller Vorgänge geeignet, beispielsweise der geschwindigkeitsabhängigen Höhe des Spannungspeaks beim Einschieben eines Magneten in eine Spule. Der dritte verfügbare Ausgang (9) liefert das Integral über die Eingangsspannung mit einer Skalierung von -10 mvs / V, also ein Volt Ausgangsspannung nach einem Spannungspuls von 10 mvs. Dies wird z.b. bei der Messung des magnetischen Flusses beim Einschieben eines Magneten in eine Spule benötigt. Aufgrund unvermeidlicher Messfehler neigt die integrierte Spannung stark zur Drift, hierbei ist schnelles und sorgfältiges Arbeiten notwendig. Ein Druck auf den Taster ->0<- hält den Integrator auf Null und loslassen gibt den Integrator frei.

6 Gebrauchsanweisung Seite 2/2 Der Taster ->0<- schließt bündig mit der Frontplatte ab und steht nicht vor. Deshalb muss beim Drücken etwas Druck auch auf die Frontplatte ausgeübt werden. Durch den hochohmigen Eingang erlaubt der Messverstärker die Durchführung aller Versuche mit beliebigen Multimetern. Preiswerte analoge Multimeter ohne eigenen Verstärker, wie beispielsweise das LD Analog 10, sind relativ niederohmig. In manchen Experimenten, z.b. zur Kondensatorentladung, würde dies das Ergebnis völlig verfälschen, so dass dort immer über den Messverstärker gearbeitet werden sollte. Mit einem hochohmigen Multimeter kann natürlich in vielen Fällen direkt gemessen werden, aber auch hier besteht das angesprochene Problem der Messung von höherfrequenten Signalen, dass nur Geräte mit RMS Messung können. Die untere Hälfte des Schalters () und der Anschluss des Magnetfeldsensors (5) werden beim Magnetfeldsensor besprochen. Versorgung Die elektrische Versorgung der Experimente wird zentral am Messverstärker eingespeist. Dieser besitzt dazu links oben zwei verschiedene Möglichkeiten um über Steckernetzteil (2) oder mm Buchsen (1) eine Spannung von 12 V~ AC einzuspeisen. Es muss Wechselspannung sein, Gleichspannung funktioniert nicht. In Grenzen ist auch eine höhere Wechselspannung bis hin zu 20 V AC möglich. Die gleichgerichtete Spannung wird zur internen Versorgung des Messverstärkers verwendet und steht auch am 6-poligen Steckverbinder oben rechts zur Verfügung, über den der Funktionsgenerator angeschlossen wird. LD Didactic GmbH. Leyboldstrasse 1. D-5035 Huerth / Germany. Phone (02233) Fax (02233) info@ld-didactic.de by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved

7 Gebrauchsanweisung Funktionsgenerator (585 55) Der Funktionsgenerator ist Teil des Experimentierkits MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik), einer Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Funktionsgenerator Der Funktionsgenerator wird über ein 6-poliges Kabel (6) vom Messverstärker , Anschluss (6) mit Energie (+- 12V) versorgt. Die Einstellungen werden auf der linken Seite der Platine vorgenommen, es gibt hier einen Drehregler (2) für die Frequenz und einen für die Amplitude (). Die dazwischenliegenden Miniaturschalter (3) erlauben die Auswahl des Frequenzbereiches und der Signalform. Ein nach rechts geschobener Schalter aktiviert die Funktion. Das Ausgangssignal kann an Anschluss (7) entnommen werden, bezogen auf die Masse (8). Auf der rechten Seite gibt es eine mit der angezeigten Frequenz blinkende Stroboskop Leuchtdiode (5), z.b. zur Drehzahlmessung am Motor. Bei vielen Experimenten wird der Funktionsgenerator einfach nur als Gleichspannungsquelle eingesetzt, wofür die Signalform Gleichspannung gedacht ist. Hierbei läuft trotzdem die Frequenzanzeige weiter, entsprechend der blinken Stroboskop LED. So kann der Motor mit einer einstellbaren Gleichspannung versorgt werden und über die einstellbare Frequenz der LED die Drehzahl gemessen werden.

8 Gebrauchsanweisung Seite 2/2 Sinus mit einer Frequenz von 100 Hz bis 1 khz Ein Dreiecksignal mit 1 bis 10 Hz Ein sehr schneller Sinus mit 1 khz bis 10 khz Frequenz, die oberen drei Schalter sind aus. Der Ausgang liefert eine Gleichspannung, die Anzeige zeigt aber weiterhin die Frequenz, in der die Stroboskop Leuchtdiode rechts blinkt, hier 10 bis 100 Hz LD Didactic GmbH. Leyboldstrasse 1. D-5035 Huerth / Germany. Phone (02233) Fax (02233) info@ld-didactic.de by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved

9 Gebrauchsanweisung Magnetfeldsensor ( ) tangentialer Hallsensor axialer Hallsensor Magnetfeldsensor mit tangentialen und axialen Richtungen Der Magnetfeldsensor ist Teil des Experimentierkits MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik), einer Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Magnetfeldsensor Der Magnetfeldsensor wird am Messverstärker (5) angeschlossen und wahlweise in der Hand gehalten, oder für präzisere Messungen mit der Klemmschraube am Stativmaterial befestigt. Auf der Platine sind zwei Sensoren befestigt. Der vorn an der Spitze liegende Sensor misst damit tangentiale (t) Felder, also Felder senkrecht zur Platine, wie Sie beim Eintauchen des Sensors in einen Spalt zwischen zwei Eisenkernen auftreten. Der weiter hinten auf der Platine stehend montierte Sensor misst Felder in axialer (a) Richtung, wie beim Eintauchen entlang der Längsachse einer Spule. Auf dem Messverstärker wird über zwei Schalter (.1,2) der tangentiale oder axiale Sensor ausgewählt. An den 2 mm Buchsen des Messeingangs darf nichts angeschlossen sein. Die Skalierung der Messung beträgt bei Stellung x1 : 0 mt/volt, äquivalent 25 mv/mt x10 : mt/volt äquivalent 250 mv/mt Die Ausgangspannung ist positiv, wenn die Spitze des Sensors auf einen Nordpol zeigt (a) oder dieser unter dem Sensor liegt (t).

10 Gebrauchsanweisung Motor mit Magnet ( ) Der Motor mit Magnet ist Teil des Experimentierkits MEE (Magnetismus, Elektrik, Elektronik), einer Gerätesammlung zum Experimentieren in der Oberstufe des Gymnasiums. Motor mit Magnet Der Motor wird im Experimentierkit typischerweise vom Funktionsgenerator mit einer einstellbaren Gleichspannung versorgt. Montage über die mm Stecker auf dem Stativfuß, mit Markierungspunkt für Stroboskopmessungen. Aus Gründen der Stabilität sollten beide Stativfüße mit dem Stativrohr Messing verbunden sein. Der außermittig angebrachte Farbpunkt auf dem Magneten erlaubt die Bestimmung der Drehzahl über die Stroboskop LED des Funktionsgenerators. Die LED des Funktionsgenerators blitzt mit der in der Anzeige des Funktionsgenerators angezeigten Frequenz. Dreht der Motor also beispielsweise mit 3600 Umdrehungen pro Minute = 60 Umdrehungen pro Sekunde, und blitz die LED ebenfalls mit 60 Hz so ergibt sich ein stehendes Bild, weil der Farbpunkt immer an der gleichen Stelle angeblitzt wird. Die Drehzahlbestimmung ist aber nur mit mehreren stehenden Bildern eindeutig, denn im Beispiel würde auch eine eingestellte Frequenz von f/2 = 30 Hz ebenfalls ein stehendes Bild erzeugen, eine Frequenz von 120 Hz würde dagegen den Farbpunkt beidseitig zeigen. Die gesuchte Drehzahl ist die höchste Frequenz, bei der nur ein Farbpunkt im stehenden Bild ist, am besten arbeitet man also von hohen Frequenzen nach unten. Die Spule 1000 Windungen passt stehend neben den Magneten, so dass hiermit Induktionsexperimente durchführbar sind.