Experimentiertag. Datum: Name: Klasse: Schule:

Transkript

1 Experimentiertag Datum: Name: Klasse: Schule:

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3 E1 V 1 Generator, Propeller, Solarmodul Wovon hängt die Spannung ab? 1.) Spannung aus dem Generator: (Taucht in der Spannungsanzeige kein Minuszeichen auf, streiche es durch!) ein Magnet (rot rechts) rechts herum: U= Volt links herum: U= Volt ein Magnet (rot links) rechts herum: U= Volt links herum: U= Volt Beobachtung / Ergebnis: Für alle folgenden Versuche spielen die Drehrichtung und das Vorzeichen keine Rolle mehr. Notiere nur den Betrag der Spannung: zwei Magnete (rot auf grün) U= Volt zwei Magnete (rot auf rot) U= Volt ohne Magnet U= Volt Beobachtung / Ergebnis: rot auf grün : rot auf rot : ohne Magnet: Wie kann man die Spannung im Generator vergrößern?

4 E2 2.) Spannung aus dem Propeller: drehen mit der Hand: pusten: U= Volt U= Volt Warum erzeugt der Propeller eine größere Spannung als der Generator? 3.) Spannung aus dem Solarmodul: drinnen: von innen am Fensterglas: draußen: U= Volt U= Volt U= Volt Welche Energieumwandlung findet im Solarmodul statt? Welche Lichtfarben sind besonders geeignet?

5 E3 S 3 Abhängigkeit des Photostroms von der Entfernung zur Lichtquelle Ziel der Untersuchung: - Wie verändert sich die Stromstärke an einem Solarmodul bei größer werdender Entfernung zu einer Lichtquelle? - Messung von Entfernung und Stromstärke und grafische Darstellung in einem Diagramm. benötigte Geräte und Materialien: - Solarmodul - 2 Leitungen (rot und blau) - Messbox - Lampe - Lineal (Holz, 1200mm = 1,20m) Aufbau: 1. Lege das Lineal mit der mm-seite nach oben auf den Experimentiertisch. Es muss komplett auf der Tischfläche liegen. 2. Das Solarmodul wird über die Leitungen mit dem Amperemeter Eingang der Messbox verbunden. Drehe den schwarzen Schalter an der Messbox auf KURZSCHLUSS und schalte die Messbox ein (ON / OFF). 3. Stelle das Solarmodul so an den Anfang des Lineals, dass es mit der Kante genau am Lineal anliegt und die Elektroanschlüsse (rot und schwarz) auf dem Lineal aufliegen. 4. Das Netzkabel der Lampe wird komplett abgewickelt und die Lampe mit dem vorderen schwarzen Lampenfuß Bügel mittig auf das Lineal bei 200 mm gesetzt. Schalte die Lampe nun ein.

6 E4 Durchführung der Messung: 1. Die Lampe lässt sich nach oben und unten über ein Gelenk bewegen. Verstelle den Kippwinkel so, dass eine möglichst große Stromstärke angezeigt wird. Sie darf aber nicht größer als 240 ma sein! Beachte: Anzeige.240 A bedeutet 240 ma 2. Beginne die Messung bei 200 mm und trage die Stromstärke in die Messtabelle ein. Bewege die Lampe dann jeweils 100 mm weiter (siehe Messtabelle) und lies wieder die Stromstärke ab. Beachte, dass sich der Kippwinkel der Lampe (oben / unten) nicht mehr verändern darf aber dass die Lampe immer gut auf das Solarmodul ausgerichtet ist (rechts / links). d in mm I in ma

7 E5 3. Zeichne mit den Messwerten das d-i-diagramm. d-i-diagramm I in ma d in mm Welches Ergebnis lieferte die Messung? (Gehe auch auf das Diagramm ein. Hat das Ergebnis Auswirkungen in der Praxis?)

8 Nenne mögliche Fehlerquellen: E6

9 E7 S 4 Abhängigkeit des Photostroms vom Einfallswinkel des Lichts Ziel der Untersuchung: - Wie verändert sich die Stromstärke an einem Solarmodul bei größer werdendem Einfallswinkel des Lichts? - Messung von Einfallswinkel und Stromstärke und grafische Darstellung in einem Diagramm. benötigte Geräte und Materialien: - Experimentierunterlage S4 - Solarmodul - 2 Leitungen (rot und blau) - Messbox - Lampe Aufbau: 1. Stelle die Geräte entsprechend den Abbildungen auf die Experimentierunterlage S4. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt sein. 2. Das Solarmodul wird über die Leitungen mit dem Amperemeter Eingang der Messbox verbunden. Drehe den schwarzen Schalter an der Messbox auf KURZSCHLUSS und schalte die Messbox ein (ON / OFF). 3. Die vordere Kante des Solarmoduls muss direkt an der 0 -Linie der Winkelscheibe anliegen. Wie wird sich die Stromstärke verändern, wenn der Einfallswinkel des Lichtes durch die Stellung des Solarmoduls (0, 10, 20, ) verändert wird?

10 E8 Durchführung der Messung: 1. Schalte die Lampe jetzt ein. Sie lässt sich nach oben und unten über ein Gelenk bewegen. Verstelle den Kippwinkel so, dass eine möglichst große Stromstärke angezeigt wird. Sie darf aber nicht größer als 240 ma sein! Anzeige.240 A bedeutet 240 ma Beachte, dass sich an der Lampe im folgenden Versuch nichts mehr verändern darf! 2. Beginne die Messung bei 0 und trage die Stromstärke in die Messtabelle ein. Drehe das Solarmodul dann jeweils 10 weiter nach links (siehe Messtabelle)und lies wieder die Stromstärke ab. 3. Nach der Messung von 90 beginne wieder bei 0. Drehe das Solarmodul nun jeweils 10 weiter nach rechts (siehe Messtabelle) und lies wieder die Stromstärke ab. 4. Berechne aus den Werten für links und rechts den Mittelwert der Stromstärke. α in I in ma (links) I in ma (rechts) I in ma (Mittelwert)

11 E9 5. Zeichne mit den Mittelwerten der Stromstärken das α-i-diagramm. α-i-diagramm I in ma (Mittelwerte) α in Welches Ergebnis lieferte die Messung? (Wie ändert sich die Stromstärke? Hat das Ergebnis Auswirkungen in der Praxis? Gehe auch auf das Diagramm ein. Welche mathematische Funktion steckt hier dahinter? Skizziere diese Funktion im Intervall von -90 bis +270 )

12 E10 Die Funktion im Intervall von -90 bis +270 : Nenne mögliche Fehlerquellen:

13 E11 B 4 Kennlinie des Elektrolyseurs Ziel der Untersuchung: - Veränderung der Spannung am Elektrolyseur. - Messung der daraus resultierenden Stromstärke. - Grafische Darstellung in einer Kennlinie und deren Interpretation. benötigte Geräte und Materialien: - Experimentierunterlage B4 - Solarmodul - Lampe - Elektrolyseur - Messbox - Spritzflasche mit destilliertem Wasser - 5 Leitungen (3 rot, 2 blau) Aufbau: 1. Befülle beide Röhren des Elektrolyseurs von oben durch die Öffnung in den gelblichen Stopfen bis zur oberen 0 - ml - Marke mit destilliertem Wasser. 2. Drehe den schwarzen Schalter an der Messbox auf KURZSCHLUSS und schalte die Messbox ein (ON / OFF). 3. Setze die Geräte entsprechend den Abbildungen auf die Experimentierunterlage B 4 und verbinde sie wie dargestellt mit den Leitungen. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt werden. 4. Schalte die Lampe ein und verändere den Kippwinkel an der Lampe (hoch / runter). Notiere die Beobachtungen: a) im Elektrolyseur: b) in der Messbox

14 E12 Durchführung der Messung: 1. Stelle die vorgegebenen Stromstärken aus der Messtabelle über den Kippwinkel der Lampe ein. Notiere dazu jeweils die angezeigte Spannung vom Voltmeter der Messbox. Beachte: Anzeige.001 A bedeutet 1 ma Schalte nach der Messung Lampe und Messbox aus! 2. Zeichne mit diesen Messwerten die U-I-Kennlinie. 3. Notiere hier noch einmal den Beginn der Elektrolyse (Stromfluss von 1mA im Elektrolyseur) bei: U = V. I in ma U-I-Kennlinie: U in V I in ma U in V

15 E13 Welche Ergebnisse liefert die Messung? (Was passiert, wenn Strom durch den Elektrolyseur fließt? Bei welcher angelegten Spannung startet der Stromfluss? Warum erst dann? Was sagt die Kennlinie aus?) Nenne mögliche Fehlerquellen: Schaltskizze: (Solarmodul als regelbare Spannungsquelle, Amperemeter, Voltmeter, Elektrolyseur als elektrischer Widerstand)

16 E14

17 E15 B 3 Wasserzersetzung im Elektrolyseur Ziel der Untersuchung: - Welche Gasmengen werden pro Minute erzeugt? - Grafische Darstellung und Interpretation der Ergebnisse. benötigte Geräte und Materialien: Aufbau: - Experimentierunterlage B3 - Solarmodul - Lampe - Elektrolyseur - 2 Überlaufröhren - 2 Schläuche - 2 kleine schwarze Stopfen - Stoppuhr - Spritzflasche mit destilliertem Wasser - 2 Leitungen (1 rot, 1 blau) 1. Befülle beide Röhren des Elektrolyseurs von oben durch die Öffnung in den gelblichen Stopfen bis zur oberen 0 ml - Marke mit destilliertem Wasser. 2. Setze die Überlaufröhren auf die oberen gelblichen Stopfen auf (etwas drehen und dabei nach unten drücken). 3. Bringe die Schläuche auf die seitlichen Stutzen (über der 0 ml Marke an beiden Röhren). 4. Setze die Geräte entsprechend den Abbildungen auf die Experimentierunterlage B3 und verbinde den Elektrolyseur mit dem Solarmodul. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt werden. 5. Schalte die Lampe ein und richte sie optimal auf das Solarmodul. Was beobachtet man jetzt im Elektrolyseur? Beachte: Die Lampe und das Solarmodul dürfen während der folgenden Messung nicht bewegt, in ihrer Lage und ihrem Abstand zueinander verändert oder verschattet werden!

18 E16 Durchführung der Messung: 1. Verschließe die Schlauchenden mit den kleinen schwarzen Stopfen und betätige gleichzeitig die Stoppuhr. 2. Lies nach jeder vollen Minute den Wasserstand in der O 2 - und der H 2 - Röhre ab und notiere die Werte in der Messtabelle: t in min V (O2) in ml V (H2) in ml Achtung: Die Lampe bleibt auch nach Ablauf der Messung an und die Schlauchenden bleiben verschlossen! 3. Übertrage die Messwerte in das Diagramm. t-v-diagramm: (O 2 und H 2 ) V in ml x H 2 o O 2 t in min

19 E17 Welche Ergebnisse lieferte die Messung? (Unterschied zwischen Wasserstoff und Sauerstoff? Ursache dafür? Wie wächst das Volumen mit der Zeit? Mathematischer Zusammenhang? Wie sehen die Diagramme aus?) Nenne mögliche Fehlerquellen: Beschreibe Nachweismöglichkeiten für die beiden Gase: Wasserstoff H 2 Sauerstoff O 2

20 E18

21 E19 F 1 Bestätigung des 1. faradayschen Gesetzes im Elektrolyseur Ziel der Untersuchung: - Abhängigkeit des Volumens V von der Zeit t (bei I = konstant). - Abhängigkeit des Volumens V von der Stromstärke I (bei t = konstant). - Grafische Darstellung und Herleitung des 1. faradayschen Gesetzes. benötigte Geräte und Materialien: - Experimentierunterlage F1 - Solarmodul - Lampe - Elektrolyseur - 2 Überlaufröhren - 2 Schläuche - 2 kleine schwarze Stopfen - Stoppuhr - Messbox - Spritzflasche mit destilliertem Wasser - 3 Leitungen (2 rot, 1 blau) Aufbau: 1. Befülle beide Röhren des Elektrolyseurs von oben durch die Öffnung in den gelblichen Stopfen bis zur oberen 0-ml-Marke mit destilliertem Wasser. 2. Setze die Überlaufröhren auf die oberen gelblichen Stopfen (etwas drehen und dabei nach unten drücken). 3. Bringe die Schläuche auf die beiden seitlichen Stutzen (oben über der 0-ml- Marke). 4. Stelle die Geräte entsprechend den Abbildungen auf die Experimentierunterlage F1 und verbinde sie wie dargestellt mit den Leitungen. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt werden. 5. Drehe den schwarzen Schalter an der Messbox auf KURZSCHLUSS und schalte die Messbox ein (ON / OFF).

22 E20 6. Schalte die Lampe ein und verändere den Kippwinkel (hoch / runter). Notiere die Beobachtungen: a) im Elektrolyseur b) in der Messbox Durchführung der Messung: 1.) Abhängigkeit des Volumens V von der Zeit t (bei I = konstant) 1. Stelle mit Hilfe des Kippwinkels an der Lampe eine konstante Stromstärke zwischen 0,180 A und 0,250 A ein 2. Verschließe die Schlauchenden mit den kleinen schwarzen Stopfen und betätige gleichzeitig die Stoppuhr. 3. Lies nach jeder vollen Minute den Wasserstand in der O 2 - und der H 2 -Röhre ab und notiere die Werte in der Messtabelle. I = konstant: I in A Nr. Zeit in s Vol. O2 in ml Vol. H2 in ml Achtung: Die Stromstärke darf sich während der sechs Minuten nicht stark verändern! Wenn doch dann über die Lampe (Kippwinkel oder Abstand verändern) nachregeln! Am Ende der Messung: Lampe aus, Stopfen raus, Messbox aus

23 E21 4. Zeichne mit den Messwerten ein t-v-diagramm. t-v-diagramm: (H 2 und O 2 ) x H 2 o O 2 V in ml t in s Welche Ergebnisse lieferte die 1. Messung? (Unterschied zwischen Wasserstoff und Sauerstoff? Ursache dafür? Wie wächst das Volumen mit der Zeit? Mathematischer Zusammenhang? Was ergeben die Diagramme?)

24 E22 2.) Abhängigkeit des Volumens V von der Stromstärke I (bei t = konstant) 1. Stelle über die Lampe 0,100 A ein. Verschließe die Schlauchenden mit den kleinen schwarzen Stopfen und betätige gleichzeitig die Stoppuhr. 2. Lies nach drei Minuten den Wasserstand in der O 2 - und der H 2 -Röhre ab und notiere die Werte in der Messtabelle. Achte darauf, dass sich die Stromstärke während der Zeit nicht stark verändert (nachregeln!). 3. Entferne die Stopfen wieder, stelle drei weitere (größere) Stromstärken ein und wiederhole noch drei Mal den Versuch (wie unter 1. und 2. beschrieben) mit anderen (immer größer werdenden) Stromstärken. t in s t = konstant: 180 Nr. I in A Vol. O2 in ml Vol. H2 in ml , Am Ende der Messung: Lampe aus, Stopfen raus, Messbox aus 4. Zeichne mit den Messwerten ein I-V-Diagramm (nächste Seite). Welche Ergebnisse lieferte die 2. Messung? (Unterschied zwischen Wasserstoff und Sauerstoff? Ursache dafür? Wie wächst das Volumen mit der Stromstärke? Mathematischer Zusammenhang? Was ergeben die Diagramme?)

25 E23 I-V-Diagramm: x H 2 (H 2 und O 2 ) o O 2 V in ml I in A Zusammenfassung der Ergebnisse: 1. Messung: mathematischer Zusammenhang zwischen Volumen und Zeit: 2. Messung: mathematischer Zusammenhang zwischen Volumen und Stromstärke: daraus folgt:

26 E24 Formulierung des 1. faradayschen Gesetzes: Nenne mögliche Fehlerquellen:

27 E25 B 9 Nachlaufzeit des Propellers Ziel der Untersuchung: - Messung der Nachlaufzeit des Propellers 1. nur mit dem Solarmodul 2. mit dazu parallel geschaltetem Elektrolyseur benötigte Geräte und Materialien: - Experimentierunterlage B9 - Solarmodul - Propeller - Elektrolyseur (mit dest. Wasser gefüllt aber ohne Schläuche) - Lampe - Stoppuhr - Schalter - 5 Leitungen (2 rot, 3 blau) Aufbau zu 1. : 1. Setze Solarmodul, Propeller und Lampe entsprechend der Abbildung auf die Experimentierunterlage B9. Verbinde den Propeller mit dem Solarmodul. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt sein. 2. Der Propeller muss sich frei drehen können. Der Propeller könnte sonst zerstört werden! Achtung: Verletzungsgefahr! Schalte die Lampe ein und richte sie optimal auf das Solarmodul. Vorsicht am rotierenden Propeller! Durchführung der Messung zu 1. : Stoppe die Zeit, die vom Ausschalten der Lampe bis zum vollständigen Stillstand des Propellers vergeht: Nachlaufzeit t 1 = s. Warum dreht sich der Propeller nach Ausschalten der Lampe eine kurze Zeit weiter?

28 E26 Aufbau zu 2. : 1. Lege die kleinere A4-Experimentierunterlage B9 auf die vorhandene große A3- Unterlage unter die Lampe in die vorgegebenen schwarzen Ecken. 2. Stelle den Elektrolyseur und den Schalter auf die neue A4- Experimentierunterlage und verbinde alles wie gezeichnet mit den Leitungen. Damit sind Solarmodul, Propeller und Elektrolyseur parallel geschaltet. Der Schalter muss offen sein, also auf 0 stehen. 3. Der Propeller muss sich frei drehen können. Der Propeller könnte sonst zerstört werden! Achtung: Verletzungsgefahr! Schalte die Lampe ein und richte sie optimal auf das Solarmodul. Vorsicht am rotierenden Propeller! Durchführung der Messung zu 2. : Schalte den Schalter ein (auf I ) und beobachte dabei den Propeller. Was stellst Du fest? Ursache? Stoppe die Zeit, die jetzt vom Ausschalten der Lampe bis zum vollständigen Stillstand des Propellers vergeht: Nachlaufzeit t 2 = s. Vergleiche die Ergebnisse zu 1. und 2. : Warum dieser Unterschied? Äußere eine Vermutung: Zusatz: 1.) Schalte die Lampe ein, den Schalter auf I, so dass sich der Propeller dreht und der Elektrolyseur Gasentwicklung zeigt. 2.) Schalte dann die Lampe aus. 3.) Bringe jetzt den Schalter auf 0 und warte den Stillstand des Propellers ab. 4.) Schalte wieder auf I. Was stellst Du fest? [Wiederhole ruhig 3.) und 4.)]

29 E27 B 10 Brennstoffzelle als Speicher Ziel der Untersuchung: benötigte Geräte und Materialien: Aufbau: Worin besteht der Vorteil der Wasserstofftechnik? - Experimentierunterlage B10 - Lampe - Solarmodul - Elektrolyseur - Brennstoffzelle - Propeller - Stoppuhr - 4 Schläuche (2 lang, 2 kurz) - 2 Stopfen - 4 Leitungen (2 rot, 2 blau) 1. Setze Lampe, Solarmodul, Elektrolyseur, Brennstoffzelle und Propeller entsprechend der Abbildung auf die Experimentierunterlage B10. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt sein. Verbinde das Solarmodul und den Elektrolyseur mit den Leitungen. 2. Bringe einen langen Schlauch an den Wasserstoff Auslass des Elektrolyseurs und befestige ihn am oberen Einlassstutzen auf der Wasserstoffseite der Brennstoffzelle. Bringe den anderen langen Schlauch an den Sauerstoff Auslass des Elektrolyseurs und befestige ihn am unteren Einlassstutzen auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle. An die beiden freien Stutzen der Brennstoffzelle kommen nun die kurzen Schläuche. 3. Verbinde die Brennstoffzelle und den Propeller mit den elektrischen Leitungen. Schalte die Lampe ein und richte sie optimal auf das Solarmodul. 4. Wenn der Propeller anfängt sich zu drehen (Das kann einige Minuten dauern!), verschließe die kurzen Schläuche mit den Stopfen, schalte die Lampe aus und betätige die Stoppuhr. Durchführung der Messung: Stoppe die Zeit, die vom Ausschalten der Lampe bis zum vollständigen Stillstand des Propellers vergeht: Laufzeit t = min s. Worin siehst Du einen Vorteil der Wasserstofftechnik?

30 E28 Ziel der Untersuchung: B 1 Kennlinie der Brennstoffzelle 1.) - Messung von Spannung und Stromstärke an der Brennstoffzelle im Sauerstoffbetrieb. - Grafische Darstellung in einer Kennlinie und deren Interpretation. 2.) - Verhalten der Brennstoffzelle ohne Sauerstoffzufuhr bei Luftbetrieb. benötigte Geräte und Materialien: Aufbau: - Experimentierunterlage B1 - Solarmodul - Lampe - Elektrolyseur mit dest. Wasser befüllt - 2 Schläuche - 6 Leitungen (3 rot, 3 blau) - Brennstoffzelle - Messbox 1. Setze die Geräte entsprechend den Abbildungen auf die Experimentierunterlage B1 und verbinde sie wie dargestellt mit den Leitungen und Schläuchen. 2. Das Netzkabel der Lampe muss vollständig abgewickelt sein. Schalte die Lampe ein und sorge für eine optimale Beleuchtung des Solarmoduls. 3. Drehe den schwarzen Schalter an der Messbox auf OFFEN und schalte die Messbox ein (ON / OFF). 4. Beobachte die Spannungsanzeige. Nach etwa 3-5 Minuten wird sie nicht mehr ansteigen. Dann kann mit der Messung begonnen werden. Bis es soweit ist, beantworte folgende Fragen: Wie lautet die Formel zur Berechnung der elektrischen Leistung P aus Stromstärke I und Spannung U? P = Wenn der elektrische Widerstand R in einem Stromkreis verkleinert wird, wie ändern sich dadurch Stromstärke I und Spannung U? I: U:

31 E29 Durchführung der Messung: 1.) Sauerstoffbetrieb (O 2 ) 1. Notiere für jede Schalterstellung an der Messbox (OFFEN, 200Ω, 100Ω, ) die Stromstärke in ma und die Spannung in V. 2. Berechne jeweils die elektrische Leistung P. 3. Zeichne mit diesen Werten die I-U- und die I-P-Kennlinie. R in Ω I in ma (O 2 ) U in V (O 2 ) P in mw (O 2 ) (offen) I-U-Kennlinie: U in V I in ma

32 E30 I-P-Kennlinie: P in mw I in ma Bevor die Brennstoffzelle im Luftbetrieb untersucht werden kann, muss erst der restliche Sauerstoff aus der Brennstoffzelle entfernt werden. Gehe dazu folgendermaßen vor: 1. Ziehe den Sauerstoffschlauch von der Brennstoffzelle und vom Elektrolyseur ab und lege ihn wieder in die Experimentierkiste. 2. Schalte die Lampe aus und drehe den schwarzen Schalter an der Messbox auf KURZSCHLUSS bis sich die Brennstoffzelle entladen hat und kein Strom mehr fließt. 3. Drehe den Schalter dann wieder auf OFFEN, schalte die Lampe ein und warte, bis die Spannung nicht mehr anwächst. Bis es soweit ist, beantworte die Fragen auf der nächsten Seite!

33 E31 Wie sollten sich Spannung und Leistung der Brennstoffzelle jetzt verändern, da sie nur noch Luft und keinen reinen Sauerstoff mehr bekommt? (Wird sie besser oder schlechter? Wie viel besser oder schlechter?) Durchführung der Messung: 2.) Luftbetrieb (Luft) 4. Notiere, wenn die Spannung nicht mehr anwächst, für jede Schalterstellung an der Messbox (OFFEN, 200Ω, 100Ω, ) die Stromstärke in ma und die Spannung in V. 5. Berechne jeweils die elektrische Leistung P. 6. Zeichne mit diesen Werten die I-U- und die I-P-Kennlinie von Luft in dieselben Diagramme wie vorhin unter Sauerstoff. R in Ω I in ma (Luft) U in V (Luft) P in mw (Luft) (offen) Welche Ergebnisse lieferte die Messung? (Veränderung der Stromstärke und Spannung in der Messung, Unterschied Sauerstoff Luft, Auswertung der Diagramme, Bedeutung für praktische Anwendungen von Brennstoffzellen)

34 Nenne mögliche Fehlerquellen: E32