Versuch E2 Kennlinien von Widerständen

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1 Fakultät für Physik und Geowissenschaften Physikalisches Grundpraktikum Versuch E2 Kennlinien von Widerständen Aufgaben 1. -s-kennlinien a. Messen Sie die -s-kennlinien eines metallischen Widerstands (Glühlampe), eines Thermistors und eines Varistors. b. Berechnen Sie den statischen und den differentiellen Widerstand. c. Stellen Sie die -s-kennlinien sowie die statischen und differentiellen Widerstände als Funktion der stärke graphisch möglichst übersichtlich dar. d. Erklären Sie den Verlauf der -s-kennlinien der Glühlampe und des Thermistors. Bestimmen Sie den Regelfaktor des Varistors. 2. Temperaturabhängigkeit von Widerständen a. Messen Sie die Temperaturabhängigkeiten der elektrischen Widerstände eines metallischen Leiters, eines Thermistors und eines PTC-Thermistors. b. Stellen Sie den Temperaturverlauf der Widerstände graphisch dar. c. Diskutieren Sie die physikalischen Mechanismen, die zu den unterschiedlichen Temperaturabhängigkeiten führen. d. Bestimmen Sie - den Temperaturkoeffizienten des metallischen Leiters, - die Aktivierungsenergie E A des Thermistors, - den Temperaturkoeffizienten des PTC-Thermistors. Literatur Physikalisches Praktikum, 14. Auflage, Hrsg. W. Schenk, F. Kermer, Elektrizitätslehre, 1.0.1, 1.1, 1.2 Gerthsen Physik, D. Meschede, 24. Auflage, 7.3, 7.4 Schwerpunkte zur Vorbereitung - Kirchhoffsche Regeln (Maschenregel, Knotenregel) - - und smessungen, strom- und spannungsrichtige Schaltung - Ohmsches Gesetz, Ohmscher Widerstand - Widerstandsmessungen, Ohmmeter - Widerstands-Temperatur-Charakteristiken verschiedener Materialien (Metalle, Halbleiter) - Elektrische Leitungsmechanismen - Wärmetransportmechanismen - Varistoren 1

2 Geräte und Zubehör Labornetzgerät: Tektronix PWS4323 Auflösung Unsicherheit 1 mv ± 0,02% V DC 0...3A DC 0.1 ma ± 0,05% Digitalmultimeter: Agilent 34405A Abb. 1 Front des PWS4323 Das Multimeter kommt zur Messung von, und Widerstand zum Einsatz. Es kann die Messung von Gleich- (DC) und Wechselspannungen (AC) oder -Strömen ausgewählt werden. Dabei ist zu beachten, dass bei der Messung von Wechselspannungen oder Strömen zwei Verfahren zum Abb. 2 Front des Agilent Einsatz kommen die den Einsatzbereich einschränken. Beim Gleichrichtverfahren, das meist in günstigen und einfachen Multimetern zum Einsatz kommt beschränkt die Messungen auf sinusförmige - und sverläufe. Während das RMS-Verfahren (Root Mean Square) immer den Effektivwert der Messgröße ermittelt. Um die Kurvenform oder Spitzenwerte zu ermitteln kann ein Oszilloskop verwendet werden. Bei beiden Verfahren ist auf den vom Hersteller angegebenen Frequenzbereich zu achten. Viele Digitalmultimeter bieten zudem noch die Möglichkeit zur Kapazitäts-, Induktivitäts-, Frequenz- u.a. Messung an. Beim Einsatz des Multimeters ist auf die Wahl der richtigen Beschaltung (Buchsen) zu achten. Diese sind meist mit der Messgröße oder Einheit beschriftet. Alle Messungen werden gegen Masse, ein meist als COM (Common Input) oder LO (low / niedrigeres Potential) bezeichnetes Bezugspotential, getätigt. Auch die Wahl des richtigen Messbereichs ist vor der Messung wichtig, da sonst unter Umständen das Multimeter beschädigt werden kann. Wenn man die Größe von und vor der Messung nicht abschätzen kann, sollte man daher immer im größten Messbereich beginnen und dann in den für die Messung geeigneten wechseln. Die Unsicherheiten oder andere Informationen (z.b. Innenwiderstand) kann aus dem Datenblatt des Multimeters entnommen werden. 2

3 Daten für das Multimeter Agilent 34405: Funktion Bereich Messstrom oder Eingangswiderstand Unsicherheit (% Ablesewert sabfall + % Messbereich) (DC) mv MΩ ±2% V MΩ ±2% V MΩ ±2% V MΩ ±2% V MΩ ±2% Widerstand Ω 1.0 ma kω 0.83 ma kω 100 μa kω 10.0 μa MΩ 900 na MΩ 205 na MΩ 205 na 10 MΩ (DC) ma < 0.2 V ma < 0.2 V A < 0.5 V A < 0.6 V Thermostat: Temperaturbereich 0 C C Einstellschrittweite 0,1 C Heizleistung 900 W Temperaturstabil ab 10 C über Umgebungstemperatur Der Schaltzustand der Heizung wird durch eine gelbe LED (an/aus) unter der Temperaturanzeige visualisiert. Die Sollwerteinstellung erfolgt über die Tasten (, ). Nach erfolgter Sollwerteinstellung wird Abb. 3 Thermostat T150 dieser beim Umschalten der Anzeige auf den Istwert in den Speicher des Gerätes geschrieben und der Regelvorgang begonnen. Bitte stellen Sie zu Ende des Praktikums den Sollwert auf 20 C. 3

4 Widerstände: Bauteil Schaltzeichen I max (ma) Bezugstemperatur T B (K) Glühlampe 150 oder 300 (Aufschrift beachten) Varistor (VDR) 15 PTC-Thermistor ,15 NTC-Thermistor 15 Die Widerstände für die Messung der - scharakteristik stehen als Steckelemente mit Steckplatine zur Verfügung. Die Widerstände für die Messung der Temperaturabhängigkeit sind mit Laborbuchsen in der Abdeckung des Thermostats befestigt. Abb. 4 Widerstände Messprogramm UIlab: Abb. 5: UILab Nutzeroberfläche 4

5 Die Software UILab wurde entwickelt, um U-I-Kennlinien und die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Bauteilen weitgehend automatisiert zu erfassen. Dazu werden zwei Multimeter und ein Gleichspannungsnetzteil vom Programm angesteuert und ausgelesen. Sind diese angeschaltet und über USB mit dem Rechner verbunden, stellt das Programm beim Start eine Verbindung zu diesen her. Auf den Gerätedisplays wird dies durch "Remote" oder "Rmt" angezeigt. U-I-Messung Vor Beginn der Messung müssen noch die Messbedingungen im Programm festgelegt werden. Dabei kann unter Änderungen gewählt werden ob das Labornetzteil als s- oder als quelle fungieren soll. Die stärke kann entweder in linearen oder logarithmischen Schritten erhöht werden. Im Betrieb als squelle sind nur lineare Schritte möglich. In der folgenden Tabelle werden die Messparameter für die unterschiedlichen Modi gezeigt. Änderungsmodus linear logarithmisch I min... minimaler I min... minimaler linear U min... minimale I max... maximaler I max... maximaler U max... maximale DI... Schrittweite (I n+1= I n + DI ) m Multiplikationsfaktor (I n+1= m I n) DU... Schrittweite (U n+1= U n + DU) U max... maximale U max... maximale I max... maximale stärke Das Programm verwendet zur Prüfung des thermischen Gleichgewichts folgenden Programmablauf Abb. 6 Programmablaufschema bei der U-I-Messung SPA... Samples Per Average, Anzahl der Einzelmessungen zur Mittelung (s(r)/r) max... maximale relative Standardabweichung des Probenwiderstands, bei Unterschreitung erfolgt die Speicherung des Mittelwertes. 5

6 Der gezeigte Programmablauf wird mit einer maximalen Schleifenzahl (N max ), in der die Bedingung (s(r)/r) (s(r)/r) max geprüft wird, ablaufen. Nach Ablauf der Schleifen erfolgt, trotz nicht erreichter Bedingung, die Speicherung der - und smittelwerte. Die Wahl des Parameters (s(r)/r) max sollte unter der Annahme erfolgen, dass im thermischen Gleichgewicht nur die Unsicherheiten der - und smessung zu (s(r)/r) beitragen. Soll die Messung ohne Prüfung der oben gezeigten Funktion stattfinden reicht es SPA und N max auf den Wert eins zu stellen. R-T-Messung Bei der Auswahl des Tabulators R-T-Messung wird eines der Multimeter in den Modus zur Widerstandsmessung geschalten. Dieses wird zur Messung des Widerstands eines Pt-1000 Temperaturfühlers, welcher mit den Buchsen 4 und 5 (Abb. 4) verbunden ist, genutzt. Aus den Widerstandswerten des Pt-1000 wird die Temperatur für die Messung berechnet. Mit dem zweiten Multimeter werden die Widerstandswerte, wiederum im Modus Widerstandsmessung, gemessen. Dabei befinden sich Widerstand 1 zwischen den Buchsen 1 und 4, Widerstand 2 zwischen den Buchsen 2 und 4 und Widerstand 3 zwischen den Buchsen 3 und 4. Nach Drücken der Taste "Start" können die Widerstandwerte über die Schaltflächen "Wert aufnehmen" zusammen mit der ermittelten Temperatur gemessen werden. Es erfolgt eine Anzeige der Messwerte in drei R( ) - Diagrammen. Die Temperatur sollte in kleinen Schritten erhöht werden; für jede Temperatur können die Widerstandswerte halbautomatisch vom Programm aufgenommen werden. Die Temperatur sollte 80 C nicht übersteigen. Stellen Sie nach Abschluss der Messung eine Temperatur von 20 C ein. 6