Physikalisches Praktikum, 2stdg für Studierende der Pharmazie, Teil 2, Elektrizitätslehre. Einführung, SS 2019 R. Tiede

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1 Physikalisches Praktikum, 2stdg für Studierende der Pharmazie, Teil 2, Elektrizitätslehre Einführung, SS 2019 R. Tiede - Allgemeine Anmerkungen zur Organisation - Sicherheitsbelehrung - Versuchsdurchführung, Messen, Messgeräte - Auswertung der Ergebnisse - Fehlerrechnung - Durchführung Versuch 1 R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 1

2 1.1) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Betreuerteam: Leitung : Dr. Rudolf Tiede Raum: Telefon: 069/ Tiede@iap.uni-frankfurt.de Assistenten : Haldun Arda Marius Dehmer Gustav Schmidt Raum: Telefon: 069/ ardahaldun@gmail.com Raum: Telefon: 069/ marius.dehmer1@gmail.com Raum: Telefon: g.schmidt@stud.uni-frankfurt.de R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 2

3 1.2) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Termine Gruppe 2: Gruppeneinteilung ; - Sicherheitsbelehrung ; - Einführung Fehlerrechnung usw... ; - Versuch ; ; ; ; - Versuchsdurchführung. - 4 Termine Es sind insgesamt 5 Versuche durchzuführen! Letzter Praktikumstag von Teil 2. An diesem Termin Abgabe aller ausstehenden Protokolle und Korrekturen. - Nachholtermin für versäumte oder nicht bestandene Versuche. - Terminvereinbarung für das Abschlussgespräch. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 3

4 1.2) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Termine Gruppe 1: Gruppeneinteilung ; - Sicherheitsbelehrung ; - Einführung Fehlerrechnung usw... ; - Versuch ; ; ; ; : Feiertag - Versuchsdurchführung. - 4 Termine Es sind insgesamt 5 Versuche durchzuführen! Letzter Praktikumstag. An diesem Termin Abgabe aller ausstehenden Protokolle und Korrekturen. - Nachholtermin für versäumte oder nicht bestandene Versuche. - Terminvereinbarung für das Abschlussgespräch. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 4

5 1.3) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Voraussetzungen für den erfolgreichen Abschluss (nur Teil 2): - Alle Ausarbeitungen von den Betreuern als in Ordnung bewertet. *) - Abschlussgespräch erfolgreich bestanden. *) Hinweise zur Anfertigung der Protokolle unbedingt beachten! Insbesondere : a) Tagesprotokoll beiheften! b) Protokolle abwechselnd anfertigen ; Kennzeichnung des Verantwortlichen. c) Abgabe am 1. Termin nach Durchführung des Versuchs (7 Tage Frist)! R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 5

6 1.4) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Fristen Gruppe 2 *): - Klärung aller Fragen bezüglich Erstabgabe oder Korrekturen von Ausarbeitungen: Spätestens zum (am Ersatztermin). - Durchführung des Abschlussgesprächs: Spätestens zum (Ende des SS 2019). *) Es gilt insbesondere die zu Beginn der Veranstaltung bekannt gemachte Praktikumsordnung. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 6

7 1.4) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Fristen Gruppe 1 *): - Klärung aller Fragen bezüglich Erstabgabe oder Korrekturen von Ausarbeitungen: Spätestens zum (am Ersatztermin). - Durchführung des Abschlussgesprächs: Spätestens zum (Ende des SS 2019). *) Es gilt insbesondere die zu Beginn der Veranstaltung bekannt gemachte Praktikumsordnung. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 7

8 1.5) Allgemeine Anmerkungen zur Organisation Versuchsanleitungen : - Download einzelner Anleitungen von der Adresse (weiterführender Link): R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 8

9 2.1) Sicherheitsbelehrung : Gefahrenpotential Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen - Elektrolytisch : Zersetzung von Zellsubstanzen (Gleichstrom *). *) Bei Wechselströmen hoher Frequenzen können chem. Reaktionen dem raschen Stromwechsel nicht folgen. - Wärmewirkung : Verbrennungen, Eiweißgerinnung (Hohe Ströme ; Wechselstrom > 100 khz). - Beeinträchtigung des Nervensystems : Atmungsbehinderung, Herzrhythmusstörungen, - stillstand. (50 Hz Wechselstrom Netzversorgung *). *) Hz sind Frequenzen, welche in der natürlichen Herzstromkurve vorkommen. Ansteuerung mit Dosen-Strom bringt das Herz aus dem Rhythmus. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 9

10 2.1) Sicherheitsbelehrung : Gefahrenpotential Zahlenbeispiele - Widerstand trockener Haut : 100 k feuchter Haut : R sinkt bis auf Wirkung verschiedener Stromstärken auf Organismus : 10 ma Muskel-Kontraktion 25 ma Atmungsbehinderung, Herzrhythmusstörungen 50 ma Bewusstlosigkeit 100 ma Tod U = R I = ma = 50 V Spannungen ab 50 V können tödlich wirken! Dabei ist zu beachten : - Bei Arm-Arm-Verbindung mit dem Stromnetz fließt 100 % des Stromes durch das Herz. - Bei Arm-Bein-Verbindung (Bodenkontakt) etwa 7 %. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 10

11 2.1) Sicherheitsbelehrung : Gefahrenpotential Gefahren des elektrischen Stromes (Copyright : IT-Handbuch, 2005) R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 11

12 2.2) Sicherheitsvorkehrungen im Praktikum Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) I 1 I 2 Funktionsweise : - Wenn ein geschlossener Stromkreis vorliegt, fließt der benötigte Strom über die Zuleitung zum Verbraucher hin (I 1 )undin gleicher Größe wieder zurück (I 2 ). - Jeder Strom ist mit einem Magnetfeld verbunden (B 1, B 2 ). Der Schutzschalter vergleicht die Magnetfelder des ab- und zurückfließenden Stromes und löst ggf. ein Relais aus, das den überwachten Stromkreis sofort abschaltet. B 1 B 2 Copyright Bayerisches Staatsministerium für Gesundheit, Ernährung und Verbraucherschutz R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 12

13 2.2) Sicherheitsvorkehrungen im Praktikum Aktive Sicherheit - Alle im Praktikum vorkommenden Spannungen sind unter40 V abgesenkt. Jedoch : An den Steckdosen liegen 230 V! - Alle Arbeitsplätze sind durch Schlüsselschalter verriegelt. Freischaltung erfolgt durch den Assistenten nach Abnahme des Versuchsaufbaus. Passive Sicherheit - Notaus-Knopf an jedem Tisch + an den Ausgängen. - Ausgänge mit Panik-Schloss versehen (Türen von innen aufschließbar). - Fehlerstromschutzschalter an jedem Arbeitsplatz. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 13

14 2.3) Sicherheitsbelehrung : Verbleibende Gefahren - FI-Schalter reagiert nicht, wenn der Stromkreis geschlossen und daher nicht unterscheidbar ist, ob im Sekundärkreis ein Verbraucher angeschlossen ist oder ein Notfall vorliegt. - Beispiele : Mit beiden Händen offene Kontakte (auf verschiedenem Potential) anfassen Stromkreis geschlossen! Transformator-Schaltung (z.b. in Gleichspannungs-Netzgeräten) Praktikant befindet sich im Sekundärkreis und ist somit Verbraucher. Schutzmaßnahme : Strombegrenzung für den Ausgang. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 14

15 2.4) Sicherheitsbelehrung : Verhaltensregeln (Vorschriften!!) - Verbindungskabel mit Bananenstecker niemals in die 230 V Steckdosen stecken! Verweis aus dem Praktikum!! - Bei Umbauten der Schaltung immer zuerst Spannungsquelle abschalten. Assistenten rufen und umgebaute Schaltung überprüfen lassen. - Keine offenen Leitungen (z.b. durch ineinander Stecken von Verbindungskabeln) Lange Kabel besorgen! - Nie in offene Leitungsenden greifen! - Wenn Leitungen beschädigt (z.b. Schäden an der Isolation), diese von den Assistenten aussondern lassen. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 15

16 3.1) Versuchsdurchführung allgemeine Hinweise - Vor Versuchsbeginn überprüfen die Betreuer, ob die Schaltungen korrekt aufgebaut sind. Durchführung erst nach Freigabe (Schlüsselschalter) möglich. - Zwischen- und Endergebnisse ansagen, (zu jeder (Teil-) Aufgabe gemäß Versuchsanleitung). - Das Tagesprotokoll wird von einem Betreuer abgestempelt. Name und Versuchsnummer bitte eintragen! - Graphische Auswertung (auf mm-papier ; lin. oder logarithm. Darstellung) soweit erforderlich noch während des Praktikums durchführen. R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 16

17 3.1) Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte Schiebewiderstand (Potentiometer) : Potentiometerschaltung: U 0 R 0 R 1 R A l U 1 U R 1 1 U 0 R0 R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 17

18 3.1) Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte - Beim Aufbau des Versuchs erst den (geschlossenen) Stromkreis legen (inklusive Amperemeter) und danach erst die Zuschauer-Instrumente (Voltmeter, Oszi, Schreiber) anschließen! Beispiel : Versuch 10 A V V V - Meßgenauigkeit : Fehlerangabe (DIN-Güteklasse) 1,5 1,5 1,5 Bedeutet : 1,5 % (Eich-) Genauigkeit (in der Regel vom Endausschlag!). Achtung : Relativer Fehler immer größer, deshalb Skalenbereich möglichst maximal ausnutzen, ggf. in empfindlicheren Bereich umschalten! Beispiel : 100 Skalenteile, I = ma, Fehler = 1,5 % 20 ma Gemessen Rel. Fehler = 1,5 ma 7,5 % = R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 18

19 3.1) Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte Spannungsmesser (Voltmeter) : R Vor R V - Spannung wird zwischen 2 Punkten gemessen (Potentialunterschied). Voltmeter parallel zum Messobjekt : R V I 0 I V - Durch das Voltmeter muss ein Strom I V = const. und klein fließen, damit der Hauptstrom I 0 durch den Verbraucher (R) und die Klemmspannung U Q der Quelle nicht verändert werden. R Q + - U Q Merken : Innenwiderstand R V des Voltmeters groß gegenüber Verbraucher (R) (gilt auch für Schreiber). Ggf. Vorwiderstand (R Vor ) verwenden. Messbereichs- Erweiterung : UV UV RV IV U U U R R I R V Vor V Vor V R Vor U R ( 1 ) UV RV R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 19

20 3.1) Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte Strommesser (Amperemeter) : - Amperemeter werden in den Stromkreis geschaltet, d.h. in Reihe mit dem Messobjekt : - Ohne Amperemeter : U Q = R. I 0 Mit Amperemeter : U Q =(R + R A ). I I / I 0 = R / (R + R A ) R A möglichst klein, damit der Gesamtwiderstand der Schaltung nur geringfügig verändert wird und I 0 konstant bleibt! I P R Par R A A I A + - U Q R I 0 ; I Merken : Innenwiderstand R A des Amperemeters klein gegenüber Verbraucher (R). Eventuell noch kleineren Parallelwiderstand (R Par ) einbauen, um Messgerät zu überbrücken. Messbereichs- Erweiterung : IA IA U A /RA RPar I I I U /R U /R R R A P A A A P ar A Par R A I ( 1 ) IA RPar R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 20

21 3.1) Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte Vergleich Messbereichserweiterung : Parallelschaltung Voltmeter Reihenschaltung Amperemeter R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 21

22 3.1) Versuchsdurchführung Messen / Messgeräte Beispiele Messgeräte : Drehspul-Meßinstrument mit Zusatzwiderstand ( Shunt ) Vielfachmeßgerät (Multimeter) R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 22

23 3.2) Versuchsdurchführung Auswertung der Ergebnisse - Sofern eine Fehlerrechnung durchgeführt wurde, sind Fehlerbalken in die Graphen einzutragen! Beispiel : 3 Grenz-Geraden I [ma] U [V] I [ma] U [V] 10 1,0 1 0,2 20 1,5 2 0,5 30 2,0 3 0,3 U [ V] Ergebnisse sind mit Angabe des Fehlers zu versehen. Sinnvoll Runden! I [ma] Beispiel : R=(50 15) Falsch : R=(5014, ) - Auf Größe und Skalierung achten! Falsch : R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 23

24 3.3) Fehlerrechnung Fehlerarten : - Systematische Fehler Fehlergrenzen laut Angaben des Herstellers. Nullpunktverschiebung usw... - Persönliche Fehler Falsch ablesen (Parallaxe!). Reaktionszeit usw... - Statistische Fehler Vom Zufall abhängige Streuung einzelner Messwerte Im Anfänger-Praktikum II wird keine statistische Auswertung durchgeführt, da die Anzahl der Wiederholungen eines Versuchs zu gering ist! R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 24

25 3.3) Fehlerrechnung Fehlerabschätzung einzelner Messwerte bei indirekter Messung: Sei F = F(a,b, ) eine indirekt zu bestimmende Größe, welche von den direkt messbaren Größen a,b, abhängt. Beispiel : Versuch 7 Spez. Wärmekapazität des Wassers Q UIt Q : Vom Kalorimeter aufgenommene Wärme U,I : Angelegte Spannung und Strom durch Heizspirale t : Zeitdauer der Wärmezufuhr R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 25

26 3.3) Fehlerrechnung Fehlerabschätzung einzelner Messwerte bei indirekter Messung: Ferner seien a, b, die Fehler der direkt gemessenen Größen, z.b. Ablesegenauigkeit (Skaleneinteilung) oder Genauigkeitsklasse der Messgeräte laut Herstellerangabe. Beispiel : U = 2%, Herstellerangabe auf Messgerät-Gehäuse; I = 2%, Herstellerangabe auf Messgerät-Gehäuse; t = ± 1 s, Genauigkeit der Stoppuhr-Anzeige + Reaktionszeit. Der Fehler der indirekt zu bestimmende Größe F setzt sich aus den Fehlerbeiträgen aller gemessenen Größen wie folgt zusammen: F af F( a a, b,...) F( a, b,...) a a F bf F( a, b b,...) F( a, b,...) b b R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 26

27 R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt ) Fehlerrechnung Gaußsches Fehlerfortpflanzungsgesetz:... ) ( ) (... ) ( ) ( b a F F F b F a F b a Vereinfachte Fehlerabschätzung für, unter Verwendung des Taylorschen Satzes: a a b b... ) ( 2! 1 1! 1 ) ( ) ( a a F a a F a F a a F... b a F b F a F geometrische Summe algebraische Summe Sind die Messgrößen a, b, unabhängig voneinander und haben die zufälligen Messabweichungen a, b, so ergibt sich die wahrscheinlichste Messunsicherheit F aus der quadratischen Addition:

28 3.3) Fehlerrechnung Ermittlung des Größtfehlers der Einzelmessung: Beispiel : Versuch 7 Spez. Wärmekapazität des Wassers Q UIt Absoluter Fehler : F Q F a Q U a U F b Q I b... I Q t t Q UIt UIt UIt Im vorliegenden Praktikum wird für die Fehlerrechnung der Maximalfehler (z.b. laut Herstellerangabe auf dem Gerät) Verwendet. Der Gesamtfehler setzt sich aus der (algebraischen) Summe der einzelnen Fehler zusammen. Fehler meist relativ angegeben : Q UIt U It UI t U I t Q UIt UIt UIt U I t R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 28

29 4.1) Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung Versuchsaufbau A + - U Q V R Auswertung der Messung Protokoll der Messung (im Praktikum) Messwert für Spannung U Messwert für Strom I Messbereich für Strom Messbereich für Spannung Fehler ΔU Fehler ΔI Wert für Widerstand R Fehler ΔR Wert für Leistung P=UI Fehler ΔP Diagramm U(I) Bestimmung der Ausgleichsgerade (auf mm-papier oder mittels linearer Regression am Computer) Bestimmung des Widerstandes aus der Steigung der Regressionsgeraden R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 29

30 4.2) Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung Mustertabelle zur Aufnahme und Berechnung der benötigten Größen U max [V] U [V] U [V] I max [ma] I [ma] I [ma] R [] R [] P [mw] P [mw] R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 30

31 4.3) Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung Mustermessung mit Auswertung U max [V] U [V] U [V] I max [ma] I [ma] I [ma] R [] R [] P [mw] P [mw] R mittel = U [V] y = x I [ma] Fehler Messung U [%] : 1.0 Fehler Messung I [%] : 1.0 Mittlerer Widerstand aus Grafik (Regressionsgerade): U [V] I [ma] R [] R. Tiede, Institut für Angewandte Physik (IAP), Goethe-Universität Frankfurt 31