Spannungsquellen. Grundpraktikum I. Mittendorfer Stephan Matr. Nr Übungsdatum: Abgabetermin:

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1 Grundpraktikum I Spannungsquellen 1/5 Übungsdatum: Abgabetermin: 3.1. Grundpraktikum I Spannungsquellen stephan@fundus.org Mittendorfer Stephan Matr. Nr

2 Grundpraktikum I Spannungsquellen /5 Grundlagen! Ohmsches Gesetz! Kirchhofsche Regeln! Serien und Parallelschaltung von Widerständen! Trockenelement Das Trockenelement ist ein spezielles galvanisches Element, bestehend aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten (Stoff, der in wässriger Lösung elektrischen Strom leitet).! Galvanisches Element In galvanischen Elementen wird chemische Energie in elektrische umgewandelt. Im Bleiakkumulator wandern aufgrund der chemischen Reaktionen der Platten mit der Schwefelsäure negative Ionen von der Bleidioxidplatte (PbO ) zur Bleiplatte (Pb). Die bei der Reaktion freiwerdende Energie ist dabei größer als die Arbeit, die zum Verschieben der Ionen vom positiven zum negativen Pol aufgewendet werden muß. Wird die äußere Stromrichtung umgekehrt, so laufen die Reaktionen an den Bleiplatten entgegengesetzt. Die Batterie wird geladen. Zwischen den Polen unserer Batterie herrschte eine Spannung von,5 V.! Elektromotorische Kraft (EMK) ε hat die entgegengesetzte Richtung wie die Quellenspannung, d.h. sie wirkt gegen das elektrische Feld zwischen den Polen. Der positive und negative Pol eines galvanischen Elements entsprechen den Platten eines Kondensators. Es fließt dauernd ein Strom vom positiven zum negativen Pol, der den Kondensator entlädt. Daher muß im Inneren der Spannungsquelle dauernd positive Ladung vom negativen zum positiven Pol geschafft werden, zu dem eine EMK ε notwendig ist. Fließt kein Strom, so lädt sie den aus den Elektroden bestehenden Kondensator auf die Quellenspannung auf, die die entgegengesetzte Richtung wie ε hat. Physikalischer Hintergrund dieser Kraft (Spannung) ist beim galvanischen Element die Wärmebewegung atomarer Teilchen.! Spannungsquellen In Spannungsquellen ist die Energie gespeichert, die zum Verschieben von Elektronen in einem Stromkreis notwendig ist: Während die Elektronen in Spannungsquellen ( unter Arbeitsaufwand ) vom positiven Pol zum negativen Pol verschoben werden, fließen die Elektronen im äußeren Stromkreis ( unter Energieabgabe ) vom negativen zum positiven Pol der Spannungsquelle. Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen ihren Anschlußquellen eine von der Belastungsstromstärke unabhängige Klemmenspannung K anliegt. Reale zeigen aber demgegenüber ein Absinken der Klemmenspannung mit wachsender Belastungsstromstärke. In einer Schaltung kann man dies berücksichtigen, indem man die reale Spannungsquelle durch eine Serienschaltung einer idealen Spannungsquelle und eines sogenannten inneren Widerstandes R I ersetzt. Dieser Widerstand läßt sich bestimmen, indem man die Klemmenspannung K1 und K bei zwei verschiedenen Strömen mißt: R I = ( K1 - K ) / (I I ). Die Klemmenspannung kann man durch folgende Formel berechnen, wobei Q die Quellenspannung ist: K = Q I.R I. Daraus kann man die größte Stromstärke I K, der sogenannte Kurzschlußstrom, die man einer Spannungsquelle entnehmen kann, berechnen und zwar ist I K = Q / R I. Diese Berechnungen sind einfache Folgerungen des zweiten Kirchhoffschen Gesetzes, bei einer Serienschaltung aus einer idealen Spannungsquelle, eines inneren Widerstandes R I und eines Belastungswiderstandes R A (außen), für die gilt: Q I.R I I.R A = und K I.R A =.

3 Grundpraktikum I Spannungsquellen 3/5 Versuche Messen der Spannung Als Voltmeter wird ein Voltmeter (S, Skala 15V) Normameter S verwendet. Als Spannungsquelle diente ein Netzgerät. Spannungsanzeige am Netzgerät: 1 V Spannungsanzeige am S: 11, V Spannungsteiler, Potentiometer! Spannungsteilerschaltung Schließt man einen homogenen Leiter der Länge l mit überall gleichem Querschnitt A an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung an, so fließt durch ihn ein Strom I. Das Verhältnis zwischen der Teilspannung und der Gesamtspannung ist gleich dem Verhältnis der entsprechenden Längen bzw. auch der Widerstände. Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man jede beliebige Spannung zwischen und herstellen (siehe Versuche). Dies gilt nur wenn der Schalter S offen ist und über den Potentiometerabgriff kein Strom fließt. Nur an den Endpunkten (x= & x=l) bleibt die Spannung auch bei geschlossenem S unverändert. ( x = R x I) Das unbelastete Potentiometer Als Spannungsquelle diente ein Netzgerät. Durch zusätzliches Voltmeter wurde sie Spannung auf 1 V eingestellt. Helipot Ausschlag des Skala 1 kohm Voltmeters Ohm V 15 V Ohm V 15 V 5 Ohm 5 V 15 V 8 Ohm 8 V 15 V 1 Ohm 1 V 15 V Ohm (linearer Zusammenhang) Das belastete Potentiometer An die Ausgangsklemmen wird nun ein Widerstand R (7Ω) angeschlossen. Der Helipot hat einen maximalen Widerstand von1 Ω und eine maximale Leistung von 6,9 Watt. Aus der Beziehung P = I und aus dem Ohmschen Gesetz kann man sich nun die maximale Spannung, die man an die Enden der Wicklungen legen darf, berechnen. Weiters erhält man daraus dann die maximale Stromstärke. Anschließend wurde wieder die Spannung als Funktion der Skaleneinstellung am Potentiometer gemessen. R = & P = I = R P 83V I R = R, 89Ω P Volt

4 Grundpraktikum I Spannungsquellen /5 Ergebnis: 7 Helipot 1 kohm Ausschlag des Voltmeters Ohm V 5 Ohm 3 V 6 Ohm V 8 Ohm 6 V Kompensationsschaltung nach Poggendorf! Kompensationsschaltung Das Grundprinzip ist in der Skizze dargestellt. Von einer Spannungsquelle mit bekannter Klemmenspannung K kann über einen veränderbaren Spannungsteiler eine beliebige Vergleichsspannung V abgegriffen werden. Die Spannung X wird unter Zwischenschaltung eines empfindlichen Spannungsmessers der Vergleichsspannung V so parallelgeschaltet, dass gleichnamige Pole von V und X miteinander verbunden sind. Zur Messung von X wird der Spannungsteiler so eingestellt, daß der Spannungsmesser V anzeigt. Nach dem. Kirchoffschen Gesetz gilt dann für V - X =. Mit den Gleichungen des Spannungsteilers folgt dann für X = V = R X. K /R = x. K /l Nach dem Prinzip der Kompensationschaltung, wurde eine Schaltung erstellt. Dabei verwendeten wir eine 1 V Spannungsquelle (Netzgerät) und eine,5 V Batterie. Nun wird der Helipot so eingestellt, dass durch das Nullgalvanometer möglichst kein Strom fließt. Mit Hilfe dieser Schaltung kann man die Spannung von Trockenelementen Messen ohne auf den Innenwiderstand dieser Rücksicht nehmen zu müssen. Helipoteinstellung: 73Ω Rx 73 1 x = q = =, 73V R 1 Messung von EMK und innerem Widerstand bei Trockenelement Ergebnis: (Batteriespannung (unbelastet):,7v Stromstärke (A) Spannung (V),,6,1,5,,,3,3,,,5,1 Volt Ohm

5 Grundpraktikum I Spannungsquellen 5/5 5,5 3,5 3 Spannung (V),5 1,5 1,5 Kurzschlussstrom (I K ),5 1 1,5,5 3 3,5,5 5 Stromstärke (A)