Die Eigenschaften der Erdung Lukas Boesch Paolo Gervasi Betreut von Arno Germann Kantonsschule Kreuzlingen Naturwissenschaftliche Woche Kreuzlingen 20.9.2004-24-9-2004 - 1 -
Die Eigenschaften der Erdung Lukas Boesch Paolo Gervasi Betreuer: Arno Germann Kantonsschule Kreuzlingen Zusammenfassung Im Rahmen einer Naturwissenschaftlichen Woche an der Kantonsschule Kreuzlingen wurden die Eigenschaften von verschiedenen Erdungen untersucht. Das Ziel war es, die Frage, wie eine ideale Erdung aussähe, zu beantworten. Dazu wurde mit einem Elektronikbaukasten ein primitives Radio gebaut und der Empfang bei verschiedenen Erdungen getestet. Um herauszufinden, durch welche Art von Erdung der grösste Stromfluss stafffindet, wurden der Nullleiter und die Phase einer Steckdose über ein Ampèremessgerät über verschiedene Erdungen geerdet. Bei einer Erdung wurde die Kontaktfläche zum Boden variiert, um die Hypothese zu beweisen, dass der Stromfluss steigt, wenn die Kontaktfläche vergrössert wird. Riassunto Nella settimana dedicata alle scienze naturali, abbiamo voluto analizzare una cosa con la quale molte persone hanno contatto nella vita quotidiana senza chiedersi come funzioni: la presa a terra. Il nostro traguardo era di scoprirne le caratteristiche e cercare di costruirne una che abbia le stesse capacita' come le prese a terra che si trovano nel sistema elettrico presente in qualunque edificio. Per questo scopo abbiamo costruito una radio primitiva che abbiamo collegato con diverse prese a terra come per esempio un rubinetto o lo stagno davanti la scuola cantonale. In questo modo era facile verificare se la presa a terra funzionava o no. Un altro traguardo che ci siamo posti era di confermare o provare l'invalidita' dell'ipotesi che aumentando la superfice di contatto della presa a terra col terreno, il flusso di corrente diventi piu' grande. - 2 -
Einleitung Die Erdung ist eine Methode, zu verhindern, dass sich in Gehäusen von elektrischen Geräten eine elektrische Ladung aufbaut, von welcher der Benutzer einen Schlag kriegen könnte. Um dies zu verhindern wird das Gehäuse geerdet. Erdungen sind mit dem Boden verbundene elektrische Leiter bei denen der Boden als negativer Pol dient. Auch bei der Steckdose gibt es eine Erdung. Da das Stromnetz sonst eine Verbindung zurück bis zum Kraftwerk haben müsste (was den Aufwand für das Stromnetz vervielfachen würde), bedient man sich der Erde als Rückleiter. Ein anderes wichtiges Beispiel der Anwendungen der Erdung ist die Bahn. Bei einer Elektrolokomotive dient die Fahrleitung als + Pol und eine Erdung über die Schienen als Pol. Die Erdung wird bei allen elektrischen Anwendungen benötigt, die nicht mithilfe von Batterien funktionieren. Für elektrische Geräte gibt es teilweise gesetzliche Vorschriften, ob das betreffende Gerät am Gehäuse eine Erdung benötigt, wie beispielsweise bei Waschmaschinen, da sich durch austretendes Wasser die Metallhülle aufladen könnte. Erdungen werden auch benötigt, um die Leistungsfähigkeit von Antennen zu erhöhen. Was nun interessiert, sind die Eigenschaften von verschiedenen Erdungen, wobei die Fragen aufkommen, wie eine ideale Erdung aussehen würde und wie stark der Stromfluss durch eine Erdung ist. Dazu zwei Hypothesen 1. Eine Erdung kann dadurch verbessert werden, indem man die Kontaktfläche zum Boden vergrössert oder die Leiteigenschaften der Erdung und des umliegenden Bodens verbessert. 2. Eine aktive Erdung erwärmt sich. - 3 -
Material & Methoden Experiment mit einem Radio und verschiedenen Erdungen: Material: Kosmos Elektronikbaukasten, 100 Meter langes Kabel als Antenne, Eisenrohr als Erdung, Netzgerät mit eingebauter Erdung. Erdung von 220 V: Material: Steckdose, Messgerät, 80 Meter langes Kabel, Eisenrohr, In Serie geschaltete Widerstände (zusammen 114 kω) Ergebnisse In den folgenden Experimenten wurde als Leiter ein Eisenrohr, das mit einem Kabel verbunden war verwendet. Experiment 1: Die Phase einer Steckdose (Spannung: 230 V) wurde mit verschiedenen Materialien bzw. Böden geerdet wobei nach dieser Skizze vorgegangen wurde. - 4 -
Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse gemessen: Erdung Trockene Wiese Biotop Nasse Wiese Erdung der Steckdose Gemessene Stromstärke 1.8 ma 2.0 ma 2.0 ma 2.0 ma Stromstärke in ma 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Trockene Wiese Biotop Nasse Wiese Erdung der Steckdose Irrtümlicherweise wurde das gleiche Experiment auch mit dem Nullleiter (Spannung: 0.1 V) durchgeführt. Dabei wurden folgende Daten gemessen: Erdung Stromstärke 1. Messung Stromstärke 2. Messung Biotop 0.002 ma 0.002 ma Nasse Wiese 0.002 ma 0.003 ma Erdung der Steckdose 0.002 ma 0.003 ma 3 2.75 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Stromstärke in µa Biotop Nasse Wiese Steckdose 1. Messung 2. Messung Die Schwankungen der Messung sind auf die Ungenauigkeit des Messgeräts im µa- Bereich zurückzuführen - 5 -
Experiment 2: Nach dem Bau eines primitiven Radios, war es möglich dieses mit verschiedenen Materialien zu erden. Erwähnenswert ist, dass das Radio nicht immer eine Erdung zum sauberen Empfang benötigte. Hieraus entstand eine andere Vermutung, nämlich dass der Empfang nicht nur von der Erdung, sondern auch vom Wetter bzw. von der Luftfeuchtigkeit abhängig ist. Bei unklarem Empfang mit fehlender Erdung wurde das Radio mit folgenden Materialien geerdet: Erdung keine Steckdose Wasserhahn Siphon Biotop Nasse Wiese Empfang Starkes Rauschen Sehr gut Starkes Rauschen (wie ohne Erdung) Lautes Rauschen mit Ansätzen von Gespräch Gespräch verständlich, jedoch sehr leise Gespräch verständlich, jedoch sehr leise Experiment 3: Ein Eisenstab, der mit dem Nullleiter verbunden ist(wegen der geringen Spannung von 0.1 V haben wir den Nulleiter statt der Phase verwendet), wurde mit verschiedenen Tiefen in das Biotop gesteckt. Je tiefer der Stab im Wasser steckte, desto grösser war die Kontaktfläche. - 6 -
Dabei wurden folgende Daten gemessen: Tiefe Stromfluss 5 cm 150 µa 10cm 220 µa 15 cm 270 µa 20 cm 300 µa 30 cm 310 µa 35 cm 320 µa 40 cm 320 µa Hierbei wurde die folgenden Kurve erhalten, wobei es gelang eine geeignete Regressionskurve, nämlich eine Exponentialkurve, zu finden. Formel: f x = 322.4 e 0.1202 x 323.1 Standardabweichung: 4.702 Stromfluss in µa => 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Stromflusskurve 0 5 10 15 20 30 35 40 Tiefe in cm => Messdaten Regressionskurve - 7 -
Diskussion Die Fragestellung über die ideale Erdung warf zuerst Probleme auf, da sie mithilfe eines Radios getestet wurde. Dieses Radio wurde über ein Netzgerät, das auch als Stromversorgung diente, geerdet. Aber jede andere Erdung verursachte ein starkes Rauschen, sodass der Empfang fast nicht mehr hörbar war und kein Unterschied zum Radio ohne irgendeiner Erdung bemerkbar war. Am gleichen Tag etwa zwei Stunden später waren keine Störgeräusche mehr zu hören, obwohl die Erdung ausgesteckt wurde. Durch die Verbindung mit einer selbstgebauten Erdung konnte der Empfang nur verschlechtert werden. Mögliche Erklärungen dafür wären Störsender oder die Luftfeuchtigkeit. Der schlechte Empfang mit der selbstgebauten Erdung könnte vom langen Kabel, das zur Verbindung mit der Erde verwendet wurde, abhängig sein, da dieses wie eine störende Antenne hätte wirken können. Die ideale Erdung für ein Radio wäre deshalb eine Erdung, die möglichst gut von störender Hintergrundstrahlung abgeschirmt ist und eine gute Verbindung zum Boden bildet. Durch Experimente mit 230 V konnte bewiesen werden, dass für eine gute Erdung der Kontakt zum Boden und die Leiteigenschaften der Erdung wichtig sind. Obwohl bei der Steckdose zuerst der Nullleiter, der eine sehr kleine Spannung führt, statt der Phase verwendet wurde, zeigte das Messgerät eine Veränderung des Stromflusses um mehr als das Doppelte, als der Bodenkontakt etwa verdreifacht wurde. Damit ist die Hypothese, die besagt, dass der Stromfluss durch eine Erdung grösser wird, wenn man die Kontaktfläche zum Boden vergrössert, bestätigt. Die zweite Hypothese über die Erwärmung einer Erdung ist nur theoretisch bewiesen, denn eine Erdung hat wie fast alle elektrischen Leiter einen Widerstand und bei Widerständen wird immer Energie in Form von Wärme abgegeben. Diese Erwärmung ist jedoch kaum messbar, da der Widerstand von dem Eisenrohr, das als Erdung diente, zu gering und die Abkühlung durch die Umgebung zu gross ist. Als die Phase der Steckdose mit verschiedenen Erdungen geerdet wurde, veränderte sich der Stromfluss kaum, wobei selbstgebauten Erdungen durch Wasser oder nasse Erde die Eigenschaften der in der Steckdose eingebauten Erdung erreichte. Um eine gute Erdung zu konstruiren, die auch zur Verbesserung einer Antenne gebraucht wird, sollte die Erdung zusätzlich zum grossem Bodenkontakt gegen Radionwellen gut abgeschirmt sein. - 8 -
Literaturverzeichnis Experimentieranleitung Kosmos electronic XN3000 Franckh-Kosmos Verlags-Gmbh & Co., Stuttgart Danksagungen Wir möchten uns herzlich bei Herrn Müller bedanken, der uns viele wertvolle Ratschläge gab und sich sehr viel Mühe gegeben hat, ein Ersatzteil aufzutreiben, ohne das es uns nicht möglich gewesen wäre einige unserer Experimente durchzuführen. Wir bedanken uns auch bei Herrn Germann wegen seiner ausgezeichneten Betreuung. - 9 -