SS/WS 20.../... Praktikum: (P1/P2) (Mo/Di/Mi/Do) Gruppe-Nr:.Di08 Name:... Bauditsch... Vorname:... Nils... Name:... Ehrler... Vorname:... Felix... Versuch:. ElektrischeBauelemente... (mit/ohne) Fehlerrechnung Betreuer:... Durchgeführt am:... Abgabe am:... Rückgabe am:... Begründung: 2. Abgabe am: Ergebnis: Fehlerrechnung: ( + / 0 / - ) ja / nein Datum: Bemerkungen: Handzeichen:...... Zutreffendes einkreisen oder nicht Zutreffendes streichen vom Betreuer auszufüllen
Versuch P2-50 Eigenschaften elektrischer Bauelemente Raum F1-17 Die Eigenschaften eines elektrischen Bauelementes hängen von vielen physikalischen Größen ab. Häufig wirkt sich dies besonders auf dessen Widerstand aus. Die vorherrschende Abhängigkeit gibt dem Bauteil seinen charakteristischen Namen: NTC- bzw. PTC-Widerstand weisen eine Temperaturabhängigkeit (Negative/Positive Temperature Coefficient) auf. Der VDR-Widerstand (Varistor, Voltage Dependent Resistance) reagiert auf Spannungsänderungen. Optoelektrische Bauteile wie Photowiderstand (LDR, Light Dependent Resistance), Photodiode, Phototransistor und Leuchtdiode (LED, Light Emitting Diode) sind lichtempfindlich. Druckabhängige Bauelemente sind unter dem Namen Piezo-Elemente bekannt, da ihre Eigenschaften auf dem piezoelektrischen Effekt beruhen. Supraleiter verlieren ihren elektrischen Widerstand unter bestimmten Bedingungen gänzlich. Interessant ist zudem die Klassifizierung in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter und die Untersuchung der besonderen Eigenschaften. Hier spielen Halbleiterbauteile auf Grund ihrer Vielfalt die größte Rolle. Im Versuch sollen außerdem die Messmethoden zur Untersuchung der jeweiligen Eigenschaften kennen gelernt werden. In der Auswertung stehen die Erklärung der beobachteten Effekte und die praktischen Anwendungsgebiete im Vordergrund. Stichworte: Metalle, Halbleiter, Bändermodell, Eigenleitung, Dotierung, p-n-übergang, Temperaturabhängigkeit, Diode, Durchbruchspannung, Lawinendurchbruch, Zenerdiode, Photoeffekt, piezoelektrischer Effekt, Supraleitung, Wheatstonesche Brückenschaltung, Vierleiterschlatung Aufgaben: 1. Messen Sie mit Hilfe der Wheatstoneschen Brückenschaltung (1) die R(T)-Abhängigkeit verschiedener Bauteile im Bereich von Zimmertemperatur bis 200 C Messen Sie mit Hilfe der Versuchsbox nacheinander den Widerstand der verschiedenen Bauteile in Abhängigkeit von der Temperatur. Als Spannungsquelle dient die PicoScope-Box, die eine Eingangsspannung von U=2V liefert. Um die Erwärmung des Widerstands durch den Messstrom gering zu halten, soll dieser jeweils nur kurzzeitig eingeschaltet werden (Betätigung des Tasters). Als Brückeninstrument dient ein Multimeter im μa-bereich. Begründen Sie, warum die Messung mit Hilfe der Wheatstoneschen Brückenschaltung in diesem Falle sinnvoll ist. Nehmen Sie beim Erwärmen des Ofens die Messreihe des NTC, beim Abkühlen die Messreihe am PT100 auf. Stellen Sie die R(T)-Abhängigkeit jeweils graphisch dar und schließen Sie daraus auf die Eigenschaften des Bauteils. Wählen Sie zur Auswertung für den NTC-Widerstand eine geeignete Auftragung um die Koeffizienten a und b aus R(T) = a e b/t zu bestimmen. Überlegen Sie sich, wie man NTC-Widerstände zur Temperaturmessung, zur Füllstandsanzeige und zur Strombegrenzung verwenden kann. Für den PT100 gilt R(T) = R 0 + c T. Bestimmen Sie die Konstante c und überprüfen Sie den Widerstand R 0 bei 0 C. Diskutieren Sie mögliche Einsatzgebiete der untersuchten Bauteile. Achtung: Das Gehäuse des Ofens erhitzt sich stark! 2. Kennlinien: Überlegen Sie sich im Vorfeld durch Anfertigung von Schaltskizzen, wie eine Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode zu schalten wäre, wie der Varistor als Schutz gegen induzierte Spannungen an geschalteten Induktivitäten zu verwenden ist. 2a. Nehmen Sie die Kennlinien folgender Bauteile am USB-Oszilloskop auf: Silizium-Diode (SID) Germanium-Diode (GED) Zener-Diode (ZED) Varistor (VDR) Photodiode
Photowiderstand LED (verschiedene Farben) Für die Aufnahme der Messreihe steht die Versuchs-Box zur Verfügung, an die das Eingangssignal in Form einer sinusförmigen Wechselspannung (f~100hz) gelegt werden kann. Gemäß Schaltung (2) werden über einem passenden Widerstand Kanal A (CH A) und über dem jeweiligen Bauteil Kanal B (CH B) Spannungen abgenommen. Mit Hilfe der XY-Darstellung der PicoScope-Software kann die jeweilige Kennlinie aufgenommen werden. 2b. Untersuchen Sie insbesondere: SID und GED auf ihre jeweilige Schwellenspannung Verhalten des Photowiderstand bei verschiedenen Beleuchtungen Verschiedenfarbige LEDs auf ihre jeweilige Durchlassspannung Interpretieren Sie die Kennlinien ausführlich und geben Sie charakteristische Punkte an. Schließen Sie auf typische Eigenschaften der Bauteile und leiten Sie daraus Anwendungen ab. 2c. Untersuchen Sie qualitativ die Frequenzabhängigkeit obiger Bauelemente. 3. Beobachten Sie das Verhalten eines Phototransistors unter Einfluss verschiedener Beleuchtungsstärken. Nehmen Sie die Kennlinie des Phototransistors bei verschiedenen Beleuchtungsstärken auf. Benutzen Sie hierfür die Schaltung (2) aus der vorherigen Aufgabe sowie die regulierbarer Experimentierleuchte mit Phototransistor-Aufsatz. Beginnen Sie bei einer Spannung von 1V als niedrigste Stufe der Beleuchtung und beobachten Sie die Veränderung der Kennlinie bei zunehmender Spannung und Beleuchtungsstärke. Diskutieren Sie den Zusammenhang zwischen Sperrstrom und Beleuchtungsstärke. 4. Untersuchen Sie den Piezoelektrischen Effekt am Piezo-Element. Beobachten Sie den direkten Piezoelektrischen Effekt am USB-Oszilloskop, indem Sie manuell verschiedene Drücke auf das Piezo-Plättchen ausüben. Machen Sie ein Frequenz-Signal sichtbar, indem Sie mit dem Frequenzgenerator verschiedene Signale auf den Lautsprecher geben und diese auf das Piezo-Element übertragen. Überprüfen Sie die Funktion des Piezo-Elements als Piezolautsprecher. Schließen Sie hierfür das Piezo-Element direkt an den Frequenzgenerator. Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen und geben Sie Anwendungen des Piezoelektrischen Effekts an. 5. Bestimmen Sie die Sprungtemperatur eines Hochtemperatursupraleiters. Bauen Sie eine Vierleiterschaltung zur Bestimmung des Widerstands des Hochtemperatursupraleiters auf. Achten Sie darauf, dass der Strom I (I max = 0.2A) und die angelegte Spannung U a während der Versuchsdurchführung konstant bleiben. Kühlen Sie die Probe auf 100K ab. Nutzen Sie hierfür den Temperatur-Gradienten über dem Stickstoff-Bad. Nehmen Sie eine Messreihe aus U g und zugehöriger Temperatur T in 5K-Schritten auf. Beschreiben Sie das Verhalten des Hochtemperatursupraleiters. Tragen Sie zur Auswertung den Widerstand R= U g /I über der Temperatur T auf und geben Sie die Sprungtemperatur an. Erklären Sie, warum eine Vierleiterschaltung verwendet wird. Achtung: Beim Umgang mit flüssigem Stickstoff sind Handschuhe und Schutzbrille zu tragen! Zubehör: Experimentierboxen: zur Widerstandsmessung mit Wheatstonescher Brücke (1), Kennlinienaufnahme (2) Verstärker-Multimeter (V / A / Ω, Eingangswiderstand 10MΩ in allen Spannungsmessbereichen), Micro-Ohmmeter (Keithley, Model 2010 7-1/2-Digit) USB-Oszilloskop (PicoScope 2000) mit Computer NiCr-Ni-Thermoelement mit Messinstrument Frequenzgenerator Ofen, bestückt mit Kupferspule, Konstantandrahtspule, NTC, PT100 Experimentierleuchte mit Phototransistor Bauelemente als Steckeinheiten: Widerstände 1, 33, 51, 100, 680, 1200Ω je 1% Toleranz Si-Diode, Ge-Diode, Z-Diode, Varistor, Kaltleiter PTC, Heißleiter NTC, Luminiszenzdioden LED (gelb, orange, rot, grün), Photodiode, Photowiderstand LDR Piezo-Element (Resonanzfrequenz 2,9kHz) - 2 -
Lautsprecher Supraleiter in Gehäuse mit Absenkvorrichtung, Dewargefäß Netzgerät Schaltskizzen: Schaltung (1): Wheatstonesche Brücke Schaltung (2): Kennlinienaufnahme Literatur: Demtröder: Experimentalphysik 2 Tietze, Schenk: Halbleiterschaltungstechnik Beuth: Bauelemente Bauckholt: Grundlagen und Bauelemente der Elektrotechnik Version: April 2010-3 -
Nils Bauditsch Felix Ehrler Eigenschaften elektrischer Bauelemente P2-50 Vorbereitung Einleitung Zunächst wollen wir einige wichtige Begriffe und Bauelemente erklären, die für das Verständnis der Versuche wichtig sind: 1. Bändermodell: Beim Valenz- und Leitungsband handelt es sich um Energiebereiche der Elektronen. Im Valenzband sind Bindungselektronen, welche eine relativ niedrige Energie haben. Durch Energiezufuhr können sie das Valenzband verlassen und zu freien Elektronen im Leitungsband werden. 2. Metalle: Bei Metallen wird nicht zwischen Valenz- und Leitungsband unterschieden. Das führt dazu, dass schon kleine Feldstärken ausreichen, um ein Elektron zum Leitungselektron zu machen. Das macht Metalle zu sehr guten Leitern, da stets freie Elektronen zum Ladungstransport vorhanden sind. 3. Halbleiter: Die Leitfähigkeit eines Halbleiters ist stark temperaturabhängig. Bei 0 K ist ein Halbleiter nicht leitend, da das Valenzband voll besetzt ist und das Leitungsband leer. Je höher die Temperatur, desto mehr Elektronen werden durch thermische Anregung in das Leitungsband angehoben. Dadurch entstehen Löcher im Valenzband, welche durch benachbarte Elektronen wieder gefüllt werden können. Dadurch entsteht wiederum ein Loch, welches wieder gefüllt werden kann, usw. Man spricht von Eigenleitung.
4. Dotierung: Bringt man in einen Halbleiter einige wenige Fremdatome ein, spricht man von Dotierung. Die Fremdatome stören die Kristallstruktur. Je nach Art der Dotierung kommt es zu einem Elektronenüberschuss (n-dotierung) oder einem Elektronenmangel (p-dotierung) in der Kristallstruktur des Leiters. Bei der n-dotierung sind die Überschusselektronen nur schwach an das Kristallgitter gebunden, sodass sie leicht zu Leitungselektronen werden können. Bei der p-dotierung gibt es einen Löcherüberschuss im Valenzband, sodass Elektronen von Loch zu Loch springen können und so eine Leitung zustande kommt (Wanderung der Löcher). 5. p-n-übergang: Bringt man einen n- und einen p-dotierten Halbleiter zusammen, bildet sich an der Kontaktfläche eine Grenzschicht aus. Die überschüssigen Elektronen der n-dotierung fallen in die Löcher der p-dotierung. Durch die Ladungsverschiebung bildet sich eine Gegenspannung aus, die dafür sorgt, dass die Grenzschicht nur in unmittelbarer Nähe der Kontaktfläche entsteht. Also ist in diesem Bereich aufgrund fehlender Löcher bzw. Leitungselektronen kein Stromfluss möglich. 6. Diode: Ein Bauelement, das nur aus einem einzigen p-n-übergang besteht bezeichnet man auch als Diode. Diese kann man auf zwei Arten an eine Spannungsquelle anschließen: a) Minus an der p-zone Die Spannungsquelle bringt weitere Elektronen in den p-dotierten Halbleiter, wodurch noch mehr Löcher gefüllt werden, was die Grenzschicht verbreitert. Die so entstehende Sperrschicht verhindert einen Stromfluss. Allerdings bricht die Diode ab einer bestimmten Spannung durch (Durchbruchspannung) und wird leitend. Dabei wird die Diode in der Regel zerstört. b) Plus an der p-zone Elektronen werden aus der Grenzschicht abgezogen, was diese abbaut, bis ein Strom fließen kann. Diese Polung wird als Durchlassrichtung bezeichnet. Um die Sperrschicht vollständig abzubauen, ist eine bestimmte Schwellenspannung nötig. Ist diese erreicht, steigt der Strom exponentiell mit der Spannung an. 7. Zenerdiode: Eine Zenerdiode wird in Sperrrichtung geschaltet. Ihre Durchbruchspannung ist normalerweise niedriger als bei der Diode, und zerstört das Bauteil nicht. Ist die Durchbruchspannung (Zenerspannung) erreicht, wird die Z-Diode niederohmig (Lawinendurchbruch). Zenerdioden dienen zur Spannungsstabilisierung und begrenzung. 8. Photoeffekt Der Photoeffekt ist die Grundlage zum Verständnis der Photodiode und des Phototransistors. Beim Photoeffekt wird ein Photon von einem Elektron absorbiert, wodurch sich dieses aus seiner Bindung löst. Die Energie des Photons muss dabei mindestens so groß wie die Bindungsenergie des Elektrons sein. Dadurch werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angehoben.
Aufgabe 1: Wheatstonesche Brückenschaltung Mit der Wheatstoneschen Brückenschaltung lassen sich unbekannte Widerstände sehr genau bestimmen. Man Stellt das Potentiometer so ein, dass das Strommessgerät genau 0 zeigt. Die beiden Enden des Strommessgerätes liegen also auf dem gleichen Potential. Es gilt folglich: R x R Re f = R Pot 10 kω R Pot R x = R Pot 10 kω R Pot R Re f Es soll die Temperaturabhängigkeit der Widerstände verschiedener Bauteile (Kaltwiderstand PTC, Heißleiterwiderstand NTC) im Bereich von Zimmertemperatur bis 200 C bestimmt werden. Beim Erwärmen des Ofens wird die Messreihe des NTC aufgenommen und beim Abkühlen die Messreihe am PT100. Für den NTC-Widerstand gilt: R T = a e b T Die Koeffizienten a und b sollen durch geeignete Auftragung der Messwerte bestimmt werden. Für den PT100 gilt: R T = R 0 + c T Auch hier soll die Konstante c durch geeignete Auftragung bestimmt werden. Außerdem soll der Widerstand R 0 bei 0 C überprüft werden.
Aufgabe 2: Kennlinien Spannungsstabilisierung mit einer Zener-Diode: Wird die Zenerspannung überschritten, wird die Zener-Diode niederohmig. Dies hat zur Folge, dass ein Teil der Spannung nicht mehr über den Lastwiderstand sondern über die Diode abfließt. Dabei ist zu beachten, dass die Z-Diode in Sperrrichtung einzubauen ist, da sie sonst immer leitet. Varistor als Schutz gegen induzierte Spannungen: Der Varistor wird parallel zur Überspannungsquelle geschaltet. Kommt es zu einer Überspannung, sinkt der Widerstand des Varistors stark, sodass der induzierte Strom über ihn und nicht über stromempfindliche Bauteile abfließen kann. 2a In diesem Aufgabenteil sollen die Kennlinien folgender Bauteile mit einem USB-Oszilloskop aufgenommen werden: - Silizium-Diode (SID) - Germanium-Diode (GED) - Zener-Diode (ZED) - Varistor (VDR) - Photodiode - Photowiderstand - LED (verschiedene Farben)
Die Kennlinien werden gemäß folgender Schaltung aufgenommen: Mit der X-Y-Darstellung des Oszilloskops lassen sich dann die Kennlinien aufnehmen. 2b Bei der Auswertung der Kennlinien sollen die SID und die GID auf ihre Schwellenspannungen untersucht werden. Bei der Si-Diode erwartet man eine Schwellenspannung von 0,7 V und bei der Ge-Diode einen Wert von 0,3 Volt. Außerdem soll das Verhalten des Photowiderstandes bei verschiedenen Beleuchtungen und verschiedenfarbige LEDs auf ihre Durchlassspannung untersucht werden. 2c Beim Versuch soll zusätzlich noch qualitativ die Frequenzabhängigkeit der Bauelemente untersucht werden. Dazu werden Sinusspannungen mit unterschiedlicher Frequenz verwendet. Aufgabe 3: Phototransistor In dieser Aufgabe soll das Verhalten eines Phototransistors unter Einfluss verschiedener Beleuchtungsstärken beobachtet werden. Dazu wird jeweils die Kennlinie mit der Schaltung aus der vorangegangenen Aufgabe aufgenommen. Es wird mit einer Spannung von 1V als niedrigste Stufe der Beleuchtung begonnen. Anschließend wird bei Erhöhen der Spannung die Veränderung der Kennlinie beobachtet.
Aufgabe 4: Piezoelektrischer Effekt Ein Piezoelement besteht aus einem bestimmten Kristall, bei dem eine Druckänderung zu einer Ladungstrennung führt. Durch die Verformung bilden sich im Kristall mikroskopische Dipole. Die Aufsummierung über das damit verbundene elektrische Feld führt makroskopisch zu einer messbaren elektrischen Spannung. Zunächst soll der direkte piezoelektrische Effekt am Oszilloskop beobachtet werden. Dazu werden manuell verschiedene Drücke auf das Piezoplättchen ausgeübt. Anschließend wird mit einem Lautsprecher, der an einen Frequenzgenerator angeschlossen ist, eine mechanische Frequenz auf das Piezoplättchen übertragen. Am Oszilloskop sollte dann wieder das Signal des Frequenzgenerators sichtbar werden. Außerdem wird der Frequenzgenerator direkt an das Piezoelement angeschlossen, was dieses in Schwingung versetzt. Man erwartet, bei geeignetem Signal einen Ton zu hören. Aufgabe 5: Hochtemperatur Supraleiter Supraleiter sind Materialien deren Widerstand unter einer bestimmten Temperatur auf einen unmessbar kleinen Wert fallen. Dabei kommt es in dem supraleitenden Material zur Bildung von Cooper-Paaren, d.h. Elektronen koppeln und können keine Energie mehr an das Kristallgitter abgeben, wodurch ein widerstandsloser Stromfluss möglich wird. In der letzten Aufgabe soll der Widerstand eines Hochtemperatur-Supraleiters in Abhängigkeit der Temperatur gemessen werden und daraus die Sprungtemperatur bestimmt werden. Zur Messung der Spannung U g am Supraleiter wird eine Vierleiterschaltung verwendet: Bei dieser Widerstandsmessung ist eine normale Messung der Spannung nicht zu empfehlen, da die Widerstände der Zuleitungen sehr groß sind im Vergleich zum Widerstand des Supraleiters. Deshalb wird die Spannungsmessung direkt am Supraleiter durchgeführt. Zur Messung wird der Supraleiter zunächst auf 100 K abgekühlt. In 5-K-Schritten wird dann jeweils U g gemessen. Der Widerstand ergibt sich dann über das Ohmsche-Gesetz: R = U g I In einem Schaubild wird dann der Widerstand über der Temperatur T aufgetragen. Aus ihm lässt sich dann die Sprungtemperatur ermitteln.
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Nils Bauditsch Felix Ehrler Eigenschaften elektrischer Bauelemente P2-50 Auswertung Aufgabe 1: Wheatstonesche Brückenschaltung In diesem Versuch haben wir den Widerstand von einem NTC und einem PT100 in Abhängigkeit der Temperatur gemessen. Messwerte: Temperatur [K] R Pot [Ω] Temperatur [K] R Pot [Ω] 325 3,84 393 0,93 337 3,30 396 0,81 321 4,20 405 0,73 342 2,73 410 0,62 356 2,12 421 0,58 353 2,35 421 0,55 344 2,68 430 0,39 345 2,75 437 0,35 355 2,16 443 0,31 361 1,94 439 0,30 369 1,73 453 0,26 376 1,47 457 0,21 382 1,23 461 0,18 389 1,05 471 0,17
Widerstand R [Ohm] Aus dem Wert des Potentiometers und dem Referenzwiderstand (1,2 kω) lässt sich jeweils der Widerstand des NTCs berechnen: R x = R Pot 10 kω R Pot R Ref Trägt man nun den Widerstand über 1/T auf, erhält man folgendes Schaubild: 1200 1000 y = 0,0068e 3829x 800 600 400 200 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 0,0025 0,003 0,0035 1/T [1/K] Für den Widerstand des NTC gilt: R T = a e b T Durch Anlegen einer Exponentialfunktion erhalten wir die gesuchten Koeffizienten a und b: a = 0,0068 Ω b = 3829 K Der Widerstand des NTC nimmt mit steigender Temperatur exponentiell ab. Man kann den NTC zur Temperaturmessung verwenden, indem man mittels einer Tabelle (manuell oder digital) bei angelegter Spannung den gemessenen Strom in Temperatur umrechnet. Außerdem kann man einen NTC zur Begrenzung von Einschaltströmen verwenden, da er im kalten Zustand schlecht leitet und somit den Strom begrenzt.
Widerstand [Ohm] Die gleiche Messung wurde anschließend mit dem Pt100 wiederholt. Messwerte: Temperatur [K] R Pot [Ω] Temperatur [K] R Pot [Ω] 473 6,16 386 5,74 459 6,15 379 5,71 453 6,13 376 5,68 445 6,08 369 5,65 438 6,03 368 5,64 432 6,00 361 5,60 426 5,98 355 5,56 421 5,94 351 5,52 414 5,90 347 5,50 412 5,89 345 5,48 408 5,87 343 5,46 403 5,84 340 5,45 399 5,82 338 5,44 396 5,80 331 5,39 391 5,78 Der Widerstand des Pt100 berechnet sich wieder über die Formel für die Wheatstonesche Brücke mit dem neuen 100 Ω Referenzwiderstand. Trägt man den Widerstand über der Temperatur auf, erhält man folgendes Schaubild: 170 160 y = 0,3266x + 8,8709 150 140 130 120 110 100 300 350 400 450 500 Temperatur [K] Für den Widerstand des Pt100 gilt: R T = R 0 + c T Über lineare Regression erhält man dann die Konstante c und den Widerstand R 0 bei 0 C (durch Einsetzen von 273,15 K): R 0 = 98,08169 Ω c = 0,3266 Ω K
Der Widerstand des Pt100 nimmt linear mit der Temperatur zu. Mögliche Anwendungsgebiete von Kaltleitern: - Temperaturmessung - Temperaturkompensation - Widerstandsthermometer Aufgabe 2: Kennlinien Silizium-Diode (SID) Für die Schwellenspannung lesen wir 290 mv ab.
Germanium-Diode (GED) Hier lesen wir für die Schwellenspannung den Wert 30 mv ab. Dieser Wert ist niedriger als bei der SID, was die GED geeigneter für den Einsatz in Schaltungen mit niedrigen Spannungen macht.
Zener-Diode (ZED) Für die Schwellenspannung ergibt sich hier ein Wert von 510 mv. Die Durchbruchspannung (Zenerspannung) beträgt -2,04 V. Zenerdioden werden normalerweise immer in Sperrrichtung geschaltet.
Varistor (VDR) Die Schwellenspannung liegt hier bei ±4 V. Es ist also nicht von Bedeutung, mit welcher Orientierung ein Varistor in eine Schaltung eingebaut wird.
Photodiode Die Schwellenspannung liegt bei 380 mv.
Photowiderstand Bei Dunkelheit Bei Tageslicht Bei Beleuchtung mit einer Lampe Man kann deutlich erkennen, wie die Geraden bei zunehmender Beleuchtung steiler werden, das heißt der Widerstand nimmt bei stärkerer Bestrahlung ab.
LED Grün Durchlassspannung: 1,56 V Orange Durchlassspannung: 1,39 V Gelb Durchlassspannung: 1,56 V
Rot Durchlassspannung: 1,53 V Aufgabe 3: Phototransistor Die Kennlinien des Phototransistors hatten folgende Form: Bei verschiedenen Beleuchtungsstärken hat sich das Plateau nach oben bzw. nach unten bewegt. Es wurde jeweils die Beleuchtungsstärke (in Volt) und die Höhe des Plateaus gemessen.
Sperrstrom [ma] Messwerte: Beleuchtung [V] Plateau [mv] Beleuchtung [V] Plateau [mv] 2-120 10-2240 3-130 11-2740 4-220 12-3129 5-430 13-3960 6-630 14-4640 7-960 15-5350 8-1290 16-6111 9-1690 Der Sperrstrom lässt sich mit dem Referenzwiderstand (100Ω) über das Ohmsche Gesetz berechnen: I Sperr = U Plateau R ref Die Beleuchtung lässt sich mit der Tabelle aus dem Aufgabenblatt in Lux umrechnen. Für den Sperrstrom und die Beleuchtung ergeben sich dann folgende Werte: Beleuchtung [Lux] Sperrstrom [ma] Beleuchtung [Lux] Sperrstrom [ma] 7 1,2 3750 22,4 30 1,3 5140 27,4 105 2,2 6860 31,3 277 4,3 8770 39,6 551 6,3 11050 46,4 1024 9,6 13670 53,5 1658 12,9 16620 61,1 2630 16,9 Trägt man den Sperrstrom über der Beleuchtung auf erhält man folgendes Schaubild: 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5000 10000 15000 20000 Beleuchtung [Lux]
Aufgabe 4: Piezoelektrischer Effekt Zuerst haben wir den direkten piezoelektrischen Effekt beobachtet, indem wir mit dem Finger Drücke auf das Plättchen ausgeübt haben. Den entstehenden Spannungsimpuls haben wir mit dem Oszilloskop festgehalten: Anschließend haben wir einen Lautsprecher mit einem Frequenzgenerator verbunden und diesen auf das Plättchen gelegt. Die entstehende Spannung im Plättchen haben wir mit dem Oszilloskop aufgenommen: Sinusspannung (700Hz links; 1500 Hz rechts):
Links: Dreieckspannung (700Hz) Rechts: Rechteckspannung (700Hz) Sinus- und Dreieckssignale wurden gut übertragen, bei der Rechteckspannung kam es zu Störungen. Dies liegt vermutlich daran, dass entweder das Piezoelement selbst oder die Kunststoffbox durch die starken Anstiege bei der Rechteckspannung zu schwingen begonnen haben. Abschließend haben wir das Piezoelement noch direkt als Lautsprecher verwendet. Dazu wurde der Frequenzgenerator direkt an das Plättchen angeschlossen. Der Ton hörte sich dabei genauso an wie der zuvor vom Lautsprecher erzeugte, er war nur etwas klarer, was aber vermutlich daran lag, dass der Lautsprecher in einer Kunststoffbox eingeschlossen war. Aufgabe 5: Hochtemperatur Supraleiter Wir haben bei verschiedenen Temperaturen die Spannung gemessen, die am Supraleiter abfällt. Der Strom wurde konstant auf 0,2A eingestellt. Der Widerstand lässt sich dann für verschiedene Temperaturen jeweils mit dem Ohmschen Gesetz berechnen: Messwerte: R = U g I Temperatur [K] U g [mv] Temperatur [K] U g [mv] 253 0,760 150 0,354 233 0,736 149 0,343 213 0,662 148 0,335 193 0,577 147 0,326 173 0,487 146 0,318 168 0,466 145 0,307 163 0,439 144 0,295 158 0,411 143 0,282 153 0,357 141 0,105 152 0,376 140 0,006 151 0,373
Widerstand [Ohm] Trägt man nun den Widerstand des Supraleiters über der Temperatur auf erhält man folgendes Schaubild: 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0 100 150 200 250 300 Temperatur [K] Die Sprungtemperatur entnehmen wir hier als 140 K, was ca. -129 C entspricht.