Labor Elektrotechnik. Versuch: Temperatur - Effekte

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1 Studiengang Elektrotechnik Labor Elektrotechnik Laborübung 5 Versuch: Temperatur - Effekte überarbeitete Version Markus Helmling Michael Pellmann

2 Einleitung Der elektrische Widerstand ist ein Maß für die Hemmung des Ladungstransports und bestimmt somit die Stromstärke bei einer bestimmten Spannung. Er ist folgendermaßen definiert: Der elektrische Widerstand R beträgt 1 Ohm, wenn zwischen zwei Punkten eines metallischen Leiters beim Spannungsabfall von 1 Volt genau 1 Ampere fließt. Die Einheit ist 1 V/A = 1Ω. Jeder Widerstand ist temperaturabhängig. Die normalen ohmschen Widerstände sind so konstruiert, daß sie in weiten Temperaturbereichen einen konstanten Wert aufweisen. Mit der folgenden Formel läßt sich ein Widerstand bei Erwärmung errechnen, wenn sein Temperaturkoeffizient α bekannt ist. Rϑ = R20(1 + α ϑ) Ein PTC (Positive Temperature Coefficient) ist ein sogenannter Kaltleiter. Bei ihm nimmt der Widerstand bei ansteigender Temperatur stark zu. Sie werden als Temperaturfühler, Thermostat und zur Stromstabilisierung verwendet und bestehen aus Metalldrähten. Ein NTC (Negative Temperature Coefficient) ist ein Heißleiter. Sein Widerstand fällt bei zunehmender Temperatur. Sie werden als Temperaturfühler, zur Messung von Strömungsgeschwindikeiten oder zur Spannungsstabilisierung verwendet und bestehen aus einer halbleitenden Oxidkeramik. Abbildung1. Widerstandsarten 2

3 1. Eigenerwärmung Ermittlung der Widerstandsarten, anhand von Strom- und Spannungsmessung: A U = V V U R, NTC, PTC Abbildung 2. Versuchsaufbau, Eigenerwärmung. Im untenstehenden Diagramm sieht man deutlich, das die lineare Kennlinie der normale Widerstand ist, er verändert sich bei steigender Leistung also auch steigender Temperatur nicht oder nur kaum. Beim NTC sinkt der Widerstand und beim PTC steigt er an. Eigenerwärmung versch. Widerstände R / Ohm P / mw PTC R NTC 3

4 2. Kühlkörper a) Im Diagramm unten ist die Erwärmung des Kühlkörpers direkt neben dem Widerstand, über die angelegte Heizspannung aufgetragen. Kühlkörpertemperatur Temp / C U / V Man sieht, das sich die Temperatur bei niedriger Spannung noch nicht ändert, da sich der sehr massiv aufgebaute Heizwiderstand anfänglich selber erwärmen muß. Ab ca. 3,5 V Heizspannung steigt dann die Temperatur im Kühlkörper linear an, da die zugeführte Leistung sich in gleichem maße erhöht. b) In diesem Diagramm ist das Temperaturprofil des Kühlkörpers bei mit konstanter Leistung aufgeheiztem Lastwiderstand vom Widerstand nach außen zu sehen. Temperaturprofil Temp. / C Entfernung vom Wid. / mm Es ist zu sehen, das die Temperatur von der Quelle zuerst nahezu exponentiell und dann linear abnimmt. In der nähe der Quelle ist die Wärmeabstrahlung sehr viel höher als weiter entfernt. 4

5 c) Hier ist die Abkühlkurve des Kühlkörpers zu sehen, der vorher mittels Heizwiderstand auf ca. 90 C aufgeheizt wurde. Diagrammtitel 100 Temp. / C y = 81,008e -0,0811x Zeit / min Die Abkühlkurve hat einen exponentiellen Verlauf, da sie mit folgender Funktion abnimmt: T diff = ( T Alu T Luft ) e α A t c m Die von Excel bestimmte Trendlinie weist auch einen exponentiellen Verlauf auf, wie an der dargestellten Formel zu erkennen ist. Dieser ist auf Grund von Meßfehlern nicht genau identisch mit der oben genannten Formel, weist jedoch klaren parallelen auf. Da alle Werte außer des α bekannt sind, könnte man nun die berechnen. Nun ist auch klar, wie man einen solchen, in der Einleitung schon erwähnten Faktor berechnen kann. d) In diesem Diagramm ist die Lufttemperatur, gemessen 10 cm in Stromrichtung hinter dem Lüfter, über die Luftgeschwindigkeit aufgetragen. Lufttemp. über Geschw. Temp. / C 31,0 30,0 29,0 28,0 27,0 26,0 25,0 24,0 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 Luftgeschw. / m/s Da die Wärmeabgabe des Lastwiderstandes konstant ist, nimmt die Lufttemperatur mit steigender Geschwindigkeit sehr stark ab, da die zur Wärmeabgabe nötige Masse sehr viel höher wird pro Zeiteinheit. Der Verlauf sollte gemäß folgender Formel: Q = c m T linear sein. Auf Grund von Meßungenauigkeiten ist das bei der von uns aufgenommenen Kurve nicht der Fall. 5

6 3. Fremderwärmung a) Dies sind die vom Computer aufgenommenen Messungen. Es wird der Widerstand über der Temperatur dargestellt. - Der normale Widerstand ist anhand seines nahezu waagerechten Verlaufs klar zu erkennen. Er weist in weiten Temperaturbereichen einen fast konstanten Widerstandswert auf. - Die in diesem Temperaturbereich linear fallende Gerade beschreibt den Heißleiter (NTC), welcher in den meisten Fällen gem. Einleitung aus einer Oxidkeramik besteht die halbleitende Eigenschaften hat. Wenn die Temperatur höher wird, sinkt sein Widerstand, was wiederum eine höhere Temperatur zur Folge hat. Dies ist ein sich selbst verstärkender Effekt. - Die hier anfänglich exponentiell steigende Kurve ist die vom Kaltleiter (PTC) aufgenommene. Je höher die Temperatur wird, desto höher wird auch sein Widerstand. Dies ist das Verhalten von metallischen Leitern. 6

7 b) Nun wurde der Widerstand über die Zeit aufgenommen. Da mit steigender Zeit auch die Temperatur größer wird, beim hier erfolgtem aufheizen sieht das Diagramm nur wenig unterschiedlich aus zu a). Zusätzlich ist noch die Temperatur über die Zeit als Referenz aufgetragen. 7

8 Tabellen mit Meßwerten zu den Versuchen 1. Eigenerwärmung Tabelle für PTC U/V I/mA P/mW R / Ohm ,3 12, ,5 67, ,1 88, , ,1 108, ,5 115, ,1 120,8 530 Tabelle für R U/V I/mA P/mW R / Ohm ,9 1, ,6 7, ,5 16, ,2 28, ,7 64, ,6 88, ,3 114, ,2 145, Tabelle für NTC U/V I/mA P/mW R / Ohm 0 0,0 0,0 0,5 0,4 0, ,8 0, ,5 1,1 1, ,5 3, ,5 1,9 4, ,3 6, ,5 2,8 9, ,2 12, ,5 3,7 16, ,2 21, ,2 31, ,5 5,8 37, ,4 44, ,5 7,2 54, ,0 64, ,43 9,3 78, ,3 92, ,5 11,7 111, ,8 138,

9 2. Kühlkörper a) U / V Temp / C , c) d) t / min Temp. / C , , , Lufttemp. / Luftgeschw. / m/s Wärmestrom / mw C 30,0 0, ,7 0,38 11,4 29,0 0,50 35,0 28,1 0,53 47,7 27,1 0,58 58,0 25,9 0,59 70,8 25,1 0,60 48,0 9