E-Labor im WS / SS. Versuch HS Homogenes Strömungsfeld / Passive Zweipole

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1 Abteilung Maschinenbau im WS / SS Versuch HS Homogenes Strömungsfeld / Passive Zweipole Gruppe: Verfasser Name Vorname Matr.-Nr. Semester Teilnehmer Teilnehmer BITTE ANKREUZEN Messprotokoll Versuchsbericht Professor(in) / Lehrbeauftragte(r): Datum der Durchführung: Vortestat Testat

2 Passive Zweipole Seite 2 von 5 1 Vorbereitung a) Frischen Sie Ihre Kenntnisse über das elektrische Strömungsfeld zum Beispiel mit [1] auf! Die Bedeutung (Definition) der Begriffe Spannung, Potential, Stromstärke, Stromdichte, Widerstand, spezifischer Widerstand, Leitfähigkeit, Leistung und Energie muss Ihnen vertraut sein. b) Stellen Sie in einer Skizze dar, wie die Kennlinie U = f(i) eines metallenen Leiters qualitativ verläuft, wenn sich der Widerstand des Leiters mit der Erwärmung durch die eigene Verlustleistung erhöht. c) Schätzen Sie rechnerisch ab, welche Spannung an dem metallenen Leiter gemäß Abschnitt 2 auftritt, wenn die Stromstärke I = 4,5 A beträgt! d) Entwerfen Sie den Schaltplan für die Messungen gemäß Abschnitt 2! e) Schätzen Sie zum Beispiel mit Hilfe von [2; 3] rechnerisch ab, welche Zeit Δt für die Erwärmung des Wasserbades gemäß Abschnitt 3 um Δϑ = 2 K benötigt wird! Dabei soll vereinfachend angenommen werden, dass das Wasserbad keine Energie an die Umgebung abgibt und die Heizleistung 1,35 kw beträgt. f) Bereiten Sie die Gleichungen für die Aufgabe 3f) vor! 2 Strömungsfeld in einem metallenen Leiter Das Strömungsfeld in einem metallenen Leiter gemäß Bild 1 ist zu untersuchen. I I 900 mm Bild 1: Leiter mit zehn Messpunkten (Material Cu, Länge L = 900 mm; Durchmesser D = 0,5 mm) Verwendete Geräte Stromquelle (am Platz eingebaut) Leiter aus Kupfer Strommesser (Multimeter) Spannungsmesser (Multimeter) Messen Sie für drei Werte der Stromstärke I die zugehörigen Werte des Spannungsfalles U 09 und tragen Sie U 09 = f(i) in einem Diagramm auf. Stromstärke I in A 0,5 2,5 4,5 Spannungsfall U 09 in mv Widerstand R in Ω

3 Passive Zweipole Seite 3 von 5 U 09 mv I 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 A Bild 2: Kennlinie U = f(i) eines metallenen Leiters c) Berechnen Sie aus den Messwerten für I = 4,5 A den Widerstand R 09, den spezifischen Widerstand, die Leitfähigkeit, die Stromdichte und die elektrische Feldstärke. Vergleichen Sie den spezifischen Widerstand mit dem Literaturwert, berechnen Sie die relative Abweichung in Prozent. d) Führen Sie systematisch weitere Messungen bei I = 4,5 A durch, die es Ihnen ermöglichen, das Potential ϕ aller zehn Messpunkte zu ermitteln. Den Bezugspunkt legt Ihr(e) Betreuer(in) fest: Bezugspunkt: Messpunkt ϕ in mv Tragen Sie das Potential ϕ über der Nummer der Messpunkte in einem Diagramm auf! 3 Passive Zweipole Die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes verschiedener passiver Zweipole soll ermittelt werden. Folgende passive Zweipole sind in einem Tauchprobensatz montiert: PTC-Widerstand NTC-Widerstand Metallschicht-Widerstand (Met) Kohleschicht-Widerstand (C) Kupferdraht-Widerstand (Cu) Konstantan-Widerstand (CuNi) Der Tauchprobensatz wird wasserdicht umhüllt von einem Kunststoff-Beutel in ein heizbares Wasserbad gehängt. Das Wasserbad ist ein Kunststoffgefäß mit 5 l Wasser. Zur Messung des Widerstandes dient der Widerstands-Messbereich eines Multimeters.

4 Passive Zweipole Seite 4 von 5 Verwendete Geräte Umwälzthermostat Tauchprobensatz Multimeter Stopp-Uhr Digitaler Leistungsmesser Thermometer a) Kontrollieren Sie den Wasserstand, hängen Sie den Tauchprobensatz in das Wasserbad und messen Sie den Widerstand der genannten sechs Zweipole bei der Ausgangstemperatur ϑ A! Achten Sie darauf, dass der Tauchprobensatz stets trocken bleibt! b) Stellen Sie den Thermostaten auf 30 C und schalten Sie die Heizung ein! Nach Erreichen von 30 C messen Sie den Widerstand der Zweipole erneut! c) Wiederholen Sie den Vorgang für 40 C, 50 C und 60 C! Temperatur in C (ϑ A ) Widerstand der Zweipole in Ω PTC NTC Met C Cu CuNi d) Tragen Sie den Widerstand der Zweipole in Abhängigkeit von der Temperatur in einem gemeinsamen Diagramm auf! e) Berechnen Sie für Cu den Temperaturkoeffizienten α des elektrischen Widerstandes für die Ausgangstemperatur ϑ A! Vergleichen Sie den Temperaturkoeffizienten mit dem Literaturwert, berechnen Sie die relative Abweichung in Prozent. f) Die Wassertemperatur beträgt 60 C. Stellen Sie den Temperatur-Sollwert auf 70 C und messen Sie mit dem Leistungsmesser die aufgenommene Leistung P auf! Gleichzeitig ermitteln Sie mit Thermometer und Stopp-Uhr die Dauer Δt des Aufheizvorganges von 61 C auf 63 C! Errechnen Sie näherungsweise die vom Wasserbad an die Umgebung abgegebene Leistung P U unter der Annahme, dass P U im Zeitintervall Δt konstant ist!

5 Passive Zweipole Seite 5 von 5 4 Literatur [1] Constantinescu-Simon, L. (Hrsg.): Handbuch Elektrische Energietechnik. Grundlagen, Anwendungen. 2. Auflage. Braunschweig/Wiesbaden: Vieweg-Verlag 1997 (insbes. Abschnitt 2) [2] Dobrinski, P.; Krakau, G.; Vogel, A.: Physik für Ingenieure. 6. Auflage. Stuttgart: Teubner 1984 [3] Stöcker, H. (Hrsg.): Taschenbuch der Physik Frankfurt am Main: Deutsch 1993