Wechselstromgenerator (Innenpolmaschine)

Transkript

1 Wechselstromgenerator (Innenpolmaschine) Versuche: 1. Wir versetzen den Magneten in langsame Drehung und beobachten die Spannungsanzeige am Voltmeter. Wir merken uns für jede Halbdrehung die Polarität der Spannung. Eisenkern (Joch des U-Kerns) V 2. Wir verwenden nun den Messbereich 1 V ac und drehen den Magneten zuerst langsam und dann möglichst schnell. massiver Eisenkern Erkenntnis: Bei Innenpolgeneratoren rotiert ein Magnetfeld zwischen feststehenden Induktionsspulen. Bei Drehung des Magneten zwischen den beiden Spulen entsteht eine Wechselspannung. Mit steigender Drehzahl nimmt die Induktionsspannung zu. Wechselstromgenerator (ußenpolmaschine) E 8.3 Polblech Wir drehen die Spule langsam und dann etwas schneller und beobachten die nzeige des Voltmeters. Es zeigt Spannungen mit wechselnder Polarität an. N S Spule () mit Eisenkern (Joch des U-Kerns) Schleifringscheibe Erkenntnis: Bei ußenpolgeneratoren rotiert die Induktionsspule im feststehenden Magnetfeld. Über die beiden Schleifringe und die Bürsten wird eine Wechselspannung abgenommen. V Bürsten E 8.4

2 Polblech Wir drehen die Spule langsam und dann etwas schneller und beobachten die nzeige des Voltmeters. Es zeigt Spannungen mit stets gleichbleibender Polarität an. Durch Vertauschen der nschlüsse am Voltmeter kann man die Polarität der Induktionsspannung ändern. Erkenntnis: Beim Gleichstromgenerator wird durch den Kommutator die in den Induktionsspulen des Rotors Gleichstromgenerator induzierte Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt. Generator mit Elektromagnet N V S Spule () mit Eisenkern (Joch des U-Kerns) Kommutatorscheibe Spule () mit Eisenkern (Joch des U-Kerns) Bürsten E 8.5 Versuche: 1. Wir drehen die Spule 12 V dc - + Spule (2x) langsam und dann etwas mit Eisenkern schneller und beobachten die nzeige des Voltmeters. Es zeigt Spannungen mit wechselnder Polarität an. 2. Ersetzen wir die Schleifringscheibe durch die Kommutatorscheibe, so zeigt das Voltmeter stets gleiche Polarität an. 3. Verwendet man die Kommutatorscheibe Schleifringscheibe und führt die Spannung (8 V dc) dem Rotor zu, so kann man vom Stator die induzierte Spannung Bürsten V abgreifen (Innenpolmaschine) Erkenntnisse: 1.) s. E 8.4; 2.) s. E 8.5; 3.) die Induktionsspannung wird meist vom Stator abgegriffen. E 8.6, 8.6.1

3 s

4 Messergebnisse: Elektrochemisches Element 1. Im Kunstofftrog (Elektrolysentrog) befindet sich Kochsalzlösung, die Schaltplatte Zink- und Kupferplatte tauchen in Zn die Lösung. m Voltmeter lesen wir die Spannung zwischen Kunst- den beiden Elektroden ab. V stoff- 2. Wir verwenden nun 2 gleiche trog Elektroden (z.b. 2 Zn-Platten). 3. Wir verwenden als Elektroden nun Cu eine Kupferplatte und eine Bleiplatte. 4. Wir geben in den Elektrolysetrog verdünnte Schwefelsäure und verwenden die Zinkplatte und die Kupferplatte als Elektroden (sog. Voltaelement). 1. Zn- und Cu-Platte: U = V 2. Zwei Zn-Platten: U = V 3. Cu- und Pb-Platte: U = V 4. Voltaelement: U = V Krokoklemmen Erkenntnis: Ein elektrochemisches Element besteht aus zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen in einer Elektrolytflüssigkeit. Damit lässt sich elektrische Energie aus chemischer Energie gewinnen. Ein Voltaelement (Zn- u. Cu-Elektroden in verdünnter Schwefelsäure) liefert eine Spannung von ca. 1 V. E 5.1, Spannungsreihe Versuchsaufbau gemäß obiger Skizze (mit verdünnter Schwefelsäure); 1.Wir verwenden je 2 verschieden Metallplatten als Elektroden, messen die Spannung zwischen den Elektroden und bestimmen Plus- und Minuspol. Cu-Zn: U=... V Cu-Fe: U=... V Cu-Me: U=... V Cu-Pb: U=... V +/ Nun ordnen wir die Metalle nach der Spannung, die sie mit der Kupferplatte liefern. Da die Cu-platte immer den Pluspol bildet, sind alle anderen verwendeten Metalle unedler als Kupfer. 2. Wir überprüfen weitere Kombination von Metallelektroden: Fe-Zn: U=... V Pb-Fe: U=... V Me-Fe: U=... V +/ E 5.5

5 Galvanisieren Im Elektrolysetrog befindet sich + Kupfersulfatlösung. Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in die Halter mit Schlitz und Loch eingeklemmt und halten eine - Kupferplatte und einen Kohlestift. Diese Elektroden tauchen in die Kupfersulfatlösung ein. 6 V dc Kunststofftrog Krokoklemmen Erkenntnis: Mit Hilfe des elektrischen Stromes ist es möglich, auf leitenden Stoffen (z.b. unedlen Metallen), dünne Edelmetallschichten aufzubringen. Dieser Vorgang heißt Galvanisieren. Cu C node Kathode 300 m Wir schließen den Schalter und erkennen an der nzeige des mperemeters, dass Strom fließt. Nach einiger Zeit entsteht auf der Kohleelektrode ein dünner, rötlicher Überzug aus Kupfer. Blei-kkumulator 6 V dc E Im Elektrolysetrog befindet sich verdünnte Schwefelsäure (ca. 1:20). Pb 1. Laden: Nach dem 2. Entladen Schließen des Schalters 1. Laden Pb fließt Strom (Lämpchen - nicht eingebaut!). Wir beachten Stromstärke und Stromrichtung I = m 300 m 2. Entladen: Nach einigen Minuten legen wir die Leitung über das Glühlämpchen (die angelegte Spannung wird abgetrennt). Die Spannungsquelle die das Leuchten des Lämpchens verursacht, ist nun das kkumulator-modell. Wir beachten die nzeige am mperemeter. Stimmt die Stromrichtung nun mit jener des Ladestroms überein? Welche Bleiplatte bildet den Pluspol des kkumulators? E 5.4

6 Der unbelastete Transformator Wenn der Sekundärkreis offen ist, also kein Sekundärstrom fließen kann, bezeichnet man den Transformator als 9 V ac "unbelastet". Die beiden Spulen sind mit dem geschlossenen Eisenkern versehen (U-Kern mit Joch, mit Klemmbügel gehalten). 2,5V/0,2 300 m 10V/0,05 Wir legen die Wechselspannung an und schalten den Sekundärkreis ein. Das mperemeter zeigt im Primärkreis in Stromstärke von I 1 = m an (der Trafo ist belastet). Nun öffnen wir den Schalter im Sekundärkreis, beide Lämpchen erlöschen und das mperemeter zeigt einen Strom von I 1 = m an (der Trafo ist unbelastet). E 8.10 uch die Stromstärke wird transformiert Die beiden Spulen sind mit dem geschlossenen Eisenkern versehen. Wir legen die Wechselspannung an und messen zuerst die Primärstromstärke, dann die Sekundärstromstärke. I 1 = m 9 V ac I 2 = m 10V/0, m 300 m Erkenntnis: Wenn die Sekundärspannung U 2 das Doppelte der Primärspannung beträgt (N 2 doppelt so groß wie N 1 ), dann ist die Sekundärstromstärke I 2 etwa die Hälfte der Primärstromstärke I 1. Die Produkte U 1 I 1 und U 2 I 2 (sie geben die Leistung an) sind etwa gleich groß. Wegen unvermeidlicher Verluste ist U 2 I 2 etwas kleiner. E 8.11

7 Die Spule an Gleichspannung In die Spule (2x) wird der U-Kern eingeschoben. Nach nlegen der Gleichspannung 9 V und Schließen des Schalters wird das Joch unter Beobachtung des Glühlämpchens auf den U-Kern aufgesetzt und dann wieder abgenommen. Beim ufsetzen des Jochs leuchtet das Lämpchen kurzzeitig schwächer, beim bnehmen des Jochs leuchtet es kurzzeitig stärker. 9 V dc 10V/0,05 Erkenntnis: Verstärkung des Magnetfeldes durch den Eisenkern führt zu einer Gegenspannung in der Spule. Schwächung des Magnetfeldes führt zu einem Spannungsstoß zusätzlich zur wirkenden Spannung. In beiden Fällen spricht man von "Selbstinduktion". Die Induktionsspannung in der Spule ist stets so gerichtet, dass sie ihrer Ursache entgegenwirkt (Lenzsche Regel). E 8.12 Versuche: usschaltspitzen durch Selbstinduktion Wir überprüfen zuerst, dass eine Spannung von z.b. 20 V nicht ausreicht, um die Glimmlampe zum leuchten zu bringen (sie benötigt ca. 90 V!). Wir stecken die Glimmlampe in die Schaltung ein, schließen den Schalter und öffnen ihn kurz darauf wieder. Beim usschalten leuchtet die Glimmlampe kurz auf. 1,5 V dc Erkenntnis: Bei Schwächung des Magnetfeldes einer Spule (usschalten des Stromkreises) tritt ein zusätzliche Spannung durch Selbstinduktion auf. Diese Spannung kann ein Vielfaches der angelegten Spannung betragen. Obwohl die Spannung nur 1,5 V beträgt, erzeugt die Spule usschaltspitzen von mehr als 90 V. E 8.13

8 Versuche: Lenzsche Regel Wir legen die Spannung an und beobachten den Magneten. Der Südpol zeigt zur Spule, die Spule besitzt also am linken Ende einen Nordpol. Das mperemeter zeigt einen Strom mit positiver Polarität. Wir trennen die Schaltung von der Spannungs-quelle und schließen die grau gezeichnete Leitung. Dann nähern wir den Nordpol von links der Spule und erkennen einen Stromimpuls mit positiver Polarität. D.h. am linken Ende der Spule entsteht ein Nordpol (vgl. 1.) und der Magneten wird abgestoßen. 4 V dc - N S Beim Entfernen des Magneten von der Spule beobachten wir einen Stromimpuls mit negativer Polarität. D.h. am linken Ende der Spule entsteht ein Südpol und der Magnet wird angezogen. Erkenntnis: Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass er die Bewegung des Magneten (also die Ursache der Induktionswirkung) hindert. Dieser Sachverhalt heißt Lenzsche Regel. E Spule mit massiven Eisenkern 0,1

9 Die Spule an Wechselspannung Die Spule enthält zunächst keinen Eisenkern. Wir schließen den Schalter, das Glühlämpchen leuchtet hell. Nun schieben wir den U-Kern in die Spule und schließen ihn durch das Joch (mit dem Spannbügel fixieren). Das Lämpchen erlischt. Die gleiche Wirkung hätte ein in Reihe geschalteter Ohmscher Widerstand von etwa 10 kw erzielt (zur Kontrolle Stromstärke messen). 9 V ac Erkenntnis: Eine Spule mit Eisenkern zeigt an Wechselspannung einen dauernden zusätzlichen Widerstand (sog. induktiver Widerstand). 1. Wechselstromwiderstand einer Spule Wir stellen die angelegte Spannung des FG so ein, dass die Stromstärke 40 m beträgt und lassen sie für den 1. und 2. Versuch unverändert. Wir erhöhen die Frequenz von 2 auf 4 und 8 khz. Die jeweiligen Stromstärkewerte halten wir fest. Freq. (in khz) : Stromstärke (in m): 40 FG 4 V ac 2,4,8 khz 10V/0, m Spule ohne Eisenkern Die Stormstärke ist zur Frequenz umgekehrt proportional. Daher ist der induktive Widerstand der Spule zur Frequenz direkt proportional. 2. Wir verwenden nun die Spule mit 1600 Windungen und messen wieder die Stromstärke bei den 3 Frequenzen. Freq. (in khz) : Stromstärke (in m): E 8.14 Die Stormstärke ist bei doppelter Windungszahl nur ein Viertel so groß, der induktive Widerstand steigt also quadratisch mit der Windungszahl. Misst man den Strom bei eingesetztem Joch, U-Kern und schließlich geschlossenem U-Kern, so sinkt jeweils die Stromstärke. Der induktive Widerstand steigt also mit der Güte des verwendeten Eisenkerns. E 8.15

10 1. Versuche: Widerstand und Induktivität an Wechselspannung Die Spule mit Windungen wird mit geschlossenem Eisenkern versehen. Durch Kurzschließen des Ohmschen Widerstandes ermitteln wir den Wechsestromwiderstand der Induktivität. U =... V, I =... m =... 6 V ac 30 m B 500 Ω V 10 V R = U L I =... W C 2. Wir messen die Gesamtspannung (Voltmeter an und C anschließen) sowie die Teilspannungen am Ohmschen Widerstand und an der Induktivität (Spule). U ges =... V U R =... V U L =... V Die Gesamtspannung ist kleiner als die Summe der Teilspannungen am Ohmschen Widerstand und an der Spule. Sie errechnet sich nach der Formel: 2 2 U ges = U R + U L 3. Wir messen nun die Stromstärke. us der angelegten Spannung und der Stromstärke berechnen wir den Gesamtwiderstand der Serienschaltung. U ges =... V I =... m =... R ges = U ges I =... W Der Gesamtwiderstand ist kleiner als die Summe vom Ohmschen Widerstand und vom induktiven Widerstand. Er errechnet sich nach der Formel: 2 R ges = R + R 2 L Der im Versuch bestimmte Widerstand weicht vom theoretischen Wert etwas ab, weil der Ohmsche Widerstand der Induktivität nicht berücksichtigt ist. E 8.16