Versuch E01a Grundlegende elektrische Schaltungen

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1 Fakultät für Physik und Geowissenschaften Physikalisches Grundpraktikum Versuch E01a Grundlegende elektrische Schaltungen Aufgaben 1. Bauen Sie eine Reihenschaltung bestehend aus drei Widerständen mit unterschiedlichen Widerstandswerten auf. Legen Sie eine Spannung geeigneter Größe an. Messen Sie Spannungen und Ströme. Vergleichen Sie mit Ihren Vorhersagen. Wiederholen Sie die Messungen an einer Parallelschaltung bestehend aus drei Widerständen. 2. Bauen Sie einen Spannungsteiler auf und messen Sie die Spannung über den zweiten Widerstand für unterschiedliche Lastwiderstände. Stellen Sie die Daten graphisch dar und vergleichen Sie mit Ihren Vorhersagen. 3. Bauen Sie eine Wheatstone-Brücke auf. Legen Sie eine Spannung geeigneter Größe an. Messen Sie die Brückenspannung als Funktion des Widerstandswerts eines variablen Widerstands in einem Brückenarm. Stellen Sie die Daten graphisch dar und vergleichen Sie mit Ihren Vorhersagen. 4. Bauen Sie einen Hoch- oder Tiefpass auf. Messen Sie mit einem Oszilloskop die Transferfunktion als Funktion der Frequenz. Stellen Sie die Daten graphisch dar und vergleichen Sie mit Ihren Vorhersagen. Literatur Experimentalphysik 2 Elektrizität und Optik, Wolfgang Demtröder, Springer Spektrum Physikalisches Praktikum, 14. Auflage, Hrsg. W. Schenk, F. Kremer, Springer Spektrum Geräte und Zubehör Spannungsquelle, Steckbrett, Widerstände (100, 200, 1k, 2k, 5.1k, 10k, 20kΩ), Dekadenwiderstand, zwei Multimeter, Spannungsgenerator, Oszilloskop Schwerpunkte zur Vorbereitung Kirchhoffsche Regeln, Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Spannungsteiler, belasteter Spannungsteiler Wheatstone-Brücke Innerer Widerstand, spannungs- und stromrichtige Messungen Hochpass, Tiefpass, Frequenzverlauf 1

2 Digitalmultimeter 1. Display 2. Wahlschalter für Messmodus und -bereich: Grau: Widerstand, blau: DC V Gleichspannung und AC V Wechselspannung, rot: DC A Gleichstrom und AC A Wechselstrom, gelb: Kapazität, Frequenz, Anschlussbuchsen: COM: common terminal (gemeinsame Anschlussbuchse), V /Ω: Spannung/Widerstand gegen COM, ma: Stromstärke für kleine Ströme bis 200 ma, 20A: Stromstärke für große Ströme bis 20 A Die im Labor ausliegenden Multimeter mögen sich im Design unterscheiden, Buchsenlayout und Funktionalität sind jedoch gleich. Typische Genauigkeit: DC-Volt 200 mv, 2, 20, 200 V ±(0, 3% + 1 Digit) 1000 V ±(0, 5% + 1 Digit) AC-Volt 200 mv, 2, 20, 200 V ±(2, 5% + 5 Digit) 750 V ±(1, 5% + 5 Digit) DC-Ampere 2 ma ±(0, 5% + 1 Digit) 200 ma ±(1, 2% + 1 Digit) 20 A ±(2, 0% + 5 Digit) AC-Ampere 2 ma ±(1, 0% + 3 Digit) 200 ma ±(1, 8% + 5 Digit) 20 A ±(3, 0% + 5 Digit) Ohm 200 Ohm, 2, 20, 200 kohm, 2 MOhm ±(0, 5% + 3 Digit) 20 MOhm ±(1, 0% + 2 Digit) 2

3 Aufgabe 1 Reihenschaltung Parallelschaltung Legen Sie die Widerstände bitte in die richtigen Fächer der Widerstandsbox zurück! 3

4 Aufgabe 2 Schaltung Während Ihrer Vorbereitung: Berechnen Sie die Spannung U L als Funktion des Lastwiderstands R L mit R 1 and R 2 als festen Parametern. Wählen Sie im Experiment die Werte von R 1 < R 2 in geeigneter Weise, um die gewünschte Spannung U L im Grenzfall des unbelasteten Spannungsteilers zu erhalten. Messen Sie dann U L als Funktion von R L mit R L (R 1 R 2 ), wobei (R 1 R 2 ) den Widerstand einer R 1 R 2 Parallelschaltung bezeichnet. Stellen Sie U/U L gegen 1/R L graphisch dar und bestimmen Sie R 1 und das Verhältnis R 1 /R 2 aus dem Graphen. Legen Sie die Widerstände bitte in die richtigen Fächer der Widerstandsbox zurück! 4

5 Aufgabe 3 Schaltung Während Ihrer Vorbereitung: Berechnen Sie die Brückenspannung U B als Funktion der angelegten Spannung U und der Widerstände R 1, R 2, R 3 und R 4. Betrachten Sie den Fall R 1 = R 3 und R 2 = R 4. Wozu kann man diese Schaltung verwenden? Wählen Sie im Experiment Widerstände R 1 = R 3 und einen Dekadenwiderstand als R 4. Messen Sie die Brückenspannung U B als Funktion von R 4. Stellen Sie U B als Funktion von R 4 graphisch dar und bestimmen Sie R 2. Legen Sie die Widerstände bitte in die richtigen Fächer der Widerstandsbox zurück! 5

6 Aufgabe 4 Schaltung: Tiefpass Schaltung: Hochpass Während Ihrer Vorbereitung: Berechnen Sie die Transferfunktion U a /U e als Funktion von R, C und der Frequenz f. Bei welcher Frequenz ist U a /U e = 1/ 2? Legen Sie Widerstände und Kondensatoren bitte in die richtigen Fächer der Widerstandsbox zurück! 6