Der spezifische Widerstand von Drähten (Artikelnr.: P )

Transkript

1 Lehrer-/Dozentenblatt Der spezifische Widerstand von Drähten (Artikelnr.: P ) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Physik Bildungsstufe: Klasse 7-10 Lehrplanthema: Elektrizitätslehre Unterthema: Der elektrische Widerstand Experiment: Der spezifische Widerstand von Drähten Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Mittel 10 Minuten 10 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: Lineal (ca. 30 cm) Schlagwörter: Aufgabe und Material Lehrerinformationen Zusatzinformationen Ausgehend von den experimentell ermittelten Zusammenhängen R I für konstante ρ und A sowie R 1 A für konstante ρ und l,wurde über R l A der spezifische Widerstand als Material Konstante" eingeführt und die Gleichung R = ρ l A erarbeitet. Mit Hilfe dieser Gleichung sollen die Schüler experimentiell die Größe ρ für gebräuchliche Leitermaterialien bestimmen. Hinweise zu Aufbau und Durchführung Falls die Schüler bereits R I und/oder R 1 A experimentiell ermittelt haben, bereitet ihnen der Versuchsaufbau keine Schwierigkeiten. Im Gegensatz zur Bestimmung von ρ für Konstantan muss bei der Bestimmung von ρ für Eisen und vor allem für Kupfer besonders sorgfältig gearbeitet werden: Zum Beispiel ist der relative Fehler für die Spannung bei der Untersuchung des Kupferdrahtes groß, und bei der Untersuchung des Eisendrahtes könnten die Kontakte durch Ansatz von Rost nicht optimal sein. Anmerkung Die Vorgabe der Stromstärke von 250 ma ist deshalb erforderlich, damit die Drähte nicht zu stark erwärmt werden und die Messbereicht für U und I nicht gewechselt werden müssen.

2 Der spezifische Widerstand von Drähten (Artikelnr.: P ) Aufgabe und Material Aufgabe Wie groß sind die spezifischen Widerstände einiger Metalle? Ermittle die spezifischen Widerstände von Kupfer, Eisen und Konstantan.

3 Material Position Material Bestellnr. Menge 1 Leitungs-Baustein, gerade, SB Leitungs-Baustein, winklig, SB Leitungs-Baustein, unterbrochen, SB Leitungs-Baustein, Anschlussbaustein, SB Leitungs-Baustein, gerade mit Buchse, SB Leitungs-Baustein, winklig mit Buchse, SB Ausschalter, SB Krokodilklemme, blank, 10 Stück Verbindungsstecker, 2 Stück Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 250 mm, blau Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, rot Verbindungsleitung, 32 A, 500 mm, blau Konstantandraht, 15,6 Ohm/m, d = 0,2 mm, l = 100 m Eisendraht, d = 0,2 mm, l = 100 m Kupferdraht, d = 0,2 mm, l = 100 m Vielfachmessinstrument, analog PHYWE Netzgerät DC: V, 2 A / AC: 6 V, 12 V, 5 A Zusätzliches Material Lineal (ca. 30 cm) 1

4 Aufbau und Durchführung Aufbau Versuch entsprechend Abb. 1 aufbauen. Schließ das Netzgerät (links), ein Voltmeter (oben) und ein Amperemeter (unten) an dem Stromkreis wie in Abb. 2 an. Den Kupferdraht mit Hilfe von 2 Krokodilklemmen einspannen, rechte Klemme in Position c (siehe Abb. 2). Abb. 1 Abb. 2 Messbereiche 1 V und 300 ma wählen. Durchführung Netzgerät auf 0 V einstellen und einschalten. Spannung am Netzgerät vorsichtig erhöhen, bis der Strommesser den Wert 250 ma anzeigt. Der Wert der Spannung am Spannungsmesser ablesen und in Tabelle 1 im Protokoll eintragen. Die Länge ldes eingespannten Kupferdrahtes messen (Abb.3) und die Werte in Tabelle 1 notieren. Anstelle des Kupferdrahtes den Eisendraht und zuletzt den Konstantandraht zwischen den Krokodilklemmen einspannen und in gleicher Weise wie vorher die Spannung bei 250 ma ermitteln und die Messwerte in Tabelle 1 notieren. Die Längen der eingespannten Drähte messen und in Tabelle 1 notieren. Abb. 3 Netzgerät auf 0 V stellen und ausschalten.

5 Protokoll: Der spezifische Widerstand von Drähten Ergebnis - Tabelle 1 (12 Punkte) Notiere Deine Messwerte in der Tabelle. Berechne aus den Wertepaaren für die Spannung U und die Stromstärke I die Widerstandswerte der untersuchten Drähte. Für den Widerstand eines Drahtes gilt die Gleichung R = ρ I A. Die Größe ρ heißt spezifischer Widerstand. Sie ist eine Materialkonstante. In Tabellen wird ρ i. Allg. für die Temperatur 20 C angegeben. Berechne die spezifische Widerstände der Materialien (Stoffe), aus denen die untersuchten Drähte bestehen und trage die Ergebnisse Deiner Berechnungen in die letzte Spalte der Tabelle ein. Untersuchter Draht I in A U in V l in m R in Ω R A l in Ω mm 2 m Kupfer Eisen Konstantan Auswertung - Frage 1 (10 Punkte) Betrachte die Einheit des spezifischen Widerstandes (im Kopf der letzten Spalte der Tabelle 1) und formuliere eine Definition für den spezifischen Widerstand. Der spezifische Widerstand eines Material gibt an,

6 Auswertung - Frage 2 (10 Punkte) Obwohl Eisen billiger ist als Kupfer, wird in der Elektrotechnik und in der Elektronik Kupfer als Leitungsmaterial bevorzugt. Warum? Auswertung - Frage 3 (10 Punkte) Die Tabellenwerte für die spezifischen Widerstände der untersuchten Materialien betragen für 20 C: ρ Kupfer = 0,017 Ωmm 2 m ρ Eisen = 0, ,13 Ωmm 2 m ρ Konstantan = 0,50 Ωmm 2 m Falls die Ergebnisse Deiner Messungen davon relativ stark abweichen sollten: Wie sind die Abweichungen zu erklären?