Versuch Widerstand, Kapazität, Induktivität Teamauftrag Ihre Firma

IP Physik, Großmann
Sommersemester 2012
Versuch Widerstand, Kapazität, Induktivität
Teamauftrag
Ihre Firma hat aus sehr unterschiedlichen Bereichen mehrere Aufträge
zur Untersuchung von elektrischen Geräten erhalten. Die BIA‐Messmethode zur Körperfettmessung unterscheidet zwischen Körperflüssigkeit (≈ohmscher Widerstand) und Zellflüssigkeit (≈kapazitiver Widerstand). Ist der Widerstand eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators frequenzabhängig? Wie drückt sich die Frequenzabhängigkeit theoretisch aus und stimmt diese mit den Messungen überein?
Ein Sport‐ und Fitnessstudio will für Kunden mit leichter Herz‐/Kreislauferkrankung ein zusätzliches Monitoring der Herzfunktion (also nicht nur des Pulses) einbinden. Kann das EKG mit einfachen Mitteln sichtbar gemacht werden?
Ihre Firma überlegt, RFID zur Vereinfachung der Lagerwirtschaft und der Protokollierung von Produktionsprozessen einzuführen. Untersuchen Sie Probleme hinsichtlich der Lesbarkeit von RFID‐Tags in Verbindung mit verschiedenen Materialien (Blech, Tetrapack, Glas, Aluminiumfolie usw). Wie verhält ein Kondensator in einem Gleichstromkreis, wenn die Spannung ein‐ bzw. ausgeschaltet wird?
Batterien haben wesentliche Nachteile: Sie haben ein relativ hohes Gewicht, benötigen Platz und es entsteht Müll, den man richtig entsorgen muss. Das ist gerade auf Trekkingtouren schwierig. Kann auf Batterien z.B. in Taschenlampen verzichtet werden? Gibt es andere Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie?
Teilauftrag 1 und 2
Um weiterführende Empfehlungen zur Körperfettmessung und zum Monitoring der Herzfunktion geben zu können, sollten Sie zunächst folgende Fragen untersuchen:
Ist der Widerstand eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators frequenzabhängig? Wie drückt sich die Frequenzabhängigkeit theoretisch aus und stimmt diese mit den Messungen überein?
Gibt es im Fitness‐Studio die Einsatzmöglichkeit der EKG‐Messungen? Wie ist die Handhabbarkeit dieser EKG‐Messung?
Welche Ausbildung bräuchten Mitarbeiter eines Fitness‐Studios, um die EKG's auswerten zu können?
Geben Sie zu den jeweiligen Punkten Empfehlungen an den Auftraggeber ab!
Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik
RCL
Versuch: RCL Induktivität und Kapazität, Aufgabe 1 und 2
Gruppe:
A
Team:
1
Datum: 19.03.2012
Name
Schmitz
Versuchsaufbau
Versuchsaufbau
Vorname
Josef
Sicherheitshinweis
Um Verletzungen oder Beschädigungen an den Geräten zu vermeiden, dürfen Sie die Spannungsquellen erst nach Abnahme der Schaltung durch Frau Winkens oder Frau Korsten bzw. Herrn Großmann einschalten.
Versuchsbeschreibung
Aufgabe 1 und 2 bestehen aus 3 Versuchsteilen. Führen Sie diese Aufgaben zu zweit durch!
Schaltskizze
Digitalmultimeter, solar = Voltcraft Typ VC260
Bestimmung des kapazitiven Widerstandes XC
Bauen Sie eine Schaltung nach obiger Skizze auf. Der Vorwiderstand R beträgt 220 Ω. Bauen Sie einen Kondensator mit einer Kapazität von 1 µF ein. Notieren Sie jeweils die Spannung, die Stromstärke und den Widerstand.
Bestimmung des ohmschen Widerstandes R
Bauen Sie eine Schaltung nach obiger Skizze auf. Der Vorwiderstand R beträgt 220 Ω. Bauen Sie einen ohmschen Widerstand von 1 kΩ ein. Notieren Sie jeweils die Spannung, die Stromstärke und den Widerstand.
Nehmen Sie in dem Frequenzbereich von ca. 300 Hz bis 3 kHz mindestens 5 Messwerte so auf, dass Sie ein aussagekräftiges Diagramm erstellen können. Erhöhen Sie gegebenenfalls die Anzahl der Messwerte, um eine ausreichende Qualität der Ergebnisse sicher stellen zu können. Untersuchungen der Herzfrequenz
Kleben Sie eine Elektrode auf die Innenseite Ihres linken Handgelenkes und zwei Elektroden mit etwas Abstand voneinander auf Ihr rechtes Handgelenk. Befestigen Sie die Klemmen an den Elektroden (LA = linker Arm, RA = rechter Arm). Für den Umgang mit dem Datenlogger lesen Sie die Bedienungsanleitung. Führen Sie eine Messung in Ruhe, eine weitere nach Belastung (15 Kniebeugen o.ä.) durch. Nach den Messungen übertragen Sie die Daten in die Excelvorlage. Sie haben für die Durchführung der gesamten Aufgabe 60 Minuten Zeit. Teilaufgabe 1 und 2 sind bei zügiger Bearbeitung in 20 Minuten, Teilaufgabe 3 (EKG) in 10 Minuten zu schaffen.
Bringen Sie zum Praktikumstermin einen Ausdruck eines EKG's aus der Literatur zum Vergleich mit.
Bestimmung des kapazitiven Widerstandes
Geben Sie die konstanten Größen ein: Vorwiderstand und Kapazität
Kapazität des Kondensators in μF
Vorwiderstand in Ω
1
220
Erstellen Sie eine Messwerttabelle. Sie sollte folgende Werte enthalten: Frequenz
f, Spannung U, Stromstärke I, Kreisfrequenz ω, Widerstand aus Frequenzmessung
XC, Widerstand aus Ohmschen Gesetz XC.
Lfd. Nr. Frequenz Spannung Stromstärke Kreisfrequenz
ω in Hz
U in V
I in mA
f in Hz
Widerstand
XC in Ω
aus XC = 1/(ω*C)
1
2
3
4
5
6
7
8
324
621
960
1.207
1.523
2.036
2.504
3.031
6,53
5,15
3,92
3,28
2,69
2,05
1,67
1,37
12,9
19,5
23,0
24,3
25,2
26,0
26,3
26,5
2.036
3.904
6.032
7.584
9.569
12.793
15.733
19.044
491
256
166
132
105
78
64
53
Widerstand
XC in Ω
aus XC = U/I
507
264
171
135
107
79
64
52
Erstellen Sie ein Diagramm Widerstand XC gegen Frequenz f.
Kapazitiver Widerstand
600
Widerstand XC in Ohm
500
400
aus Frequenzmessung
300
aus Ohmschen Gesetz
200
100
0
0
1.000
2.000
Frequenz f in Hz
3.000
4.000
Bestimmung des ohmschen Widerstandes
Geben Sie die konstanten Größen ein: Vorwiderstand und Widerstand
Widerstand R in kΩ
Vorwiderstand in Ω
0,9913
220
Erstellen Sie eine Messwerttabelle. Sie sollte folgende Werte enthalten: Frequenz
f, Spannung U, Stromstärke I, Kreisfrequenz ω, Widerstand aus
Frequenzmessung R, Widerstand aus Ohmschen Gesetz R.
Lfd. Nr. Frequenz Spannung Stromstärke Kreisfrequenz
ω in Hz
U in V
I in mA
f in Hz
1
2
3
4
5
6
7
8
312
601
910
1.211
1.524
2.112
2.697
3.012
5,730
5,720
5,710
5,710
5,700
5,680
5,660
5,650
5,730
5,730
5,720
5,710
5,710
5,700
5,680
5,680
1.963
3.774
5.717
7.609
9.576
13.270
16.946
18.925
Widerstand
R in Ω
R abgelesen
991
991
991
991
991
991
991
991
Widerstand
R in Ω
R = U/I
1.000
998
998
1.000
998
996
996
995
Erstellen Sie ein Diagramm Widerstand R gegen Frequenz f.
Ohmscher Widerstand
1.200
Widerstand R in Ohm
1.000
800
abgelesene Messwerte
600
aus Ohmschen Gesetz
400
200
0
0
1.000
2.000
Frequenz f in Hz
3.000
Messungen der Herzfrequenz
Kopieren Sie die Daten, die Sie vom Datenlogger erhalten, auf der rechten Seite
in die Spalte U in V.
Spannung in V
EKG (Ruhe)
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
0
2
4
6
8
10
6
8
10
8
10
Zeit in s
Spannung in V
EKG (Belastung)
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
0
2
4
Zeit in s
Spannung in V
EKG (Ruhe und Belastung)
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
0
2
4
6
Zeit in s
Berechnen Sie die Herzfrequenz
Herzfrequenz
Herzschlag
Ruhe
1,05 Hz
63 1/min
Belastung
1,65 Hz
99
1/min
Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik
RCL3
Versuch: RCL Induktivität und Kapazität, Aufgabe 3
Gruppe:
A
Team:
1
Datum: 19.03.2012
Name
Schmitz
Vorname
Josef
Versuchsaufbau
RFID Reader
Antenne
Tag
Versuchsbeschreibung
1. Ermitteln eines geeigneten Verpackunsmaterials
Starten Sie am PC das Programm zum Auslesen der Tags (siehe Beschreibung).
Halten Sie einen der Tags in 30 cm Entfernung zur Antenne und überprüfen Sie, ob der Tag
ausgelesen wird. Notieren Sie die Bezeichnung und Nummer des Tags, die in der Software
angezeigt wird
Die Software zeigt alle lesbaren Tags in der Umgebung an (in Ihrem Falle nur einer) und
aktualisiert die Suche im Abstand von wenigen Millisekunden automatisch, so dass eine
kontinuierliche Suche läuft. Jeder weitere lesbare Tag in Reichweite der Antenne wird
demnach sofort angezeigt.
Entfernen Sie einen Tag aus der Reichweite der Antenne, so wird dieser auch automatisch in
der Software nicht mehr angezeigt.
Finden Sie heraus, ab welcher Entfernung (näherungsweise) der Tag nicht mehr lesbar ist!
Legen Sie nun den Tag in die vorhandenen Lebensmittelvepackungen (Blechdose / Glas /
Tetrapak / metallbedampfte Tüte / Pappkarton usw. und verschließen Sie die
Verpackungsmaterialien. Messen Sie jetzt mit einem Abstand von ca. 30 cm zur Antenne und
überprüfen Sie jedes Mal, ob der Tag erkannt wird.
Führen Sie die Testreihe danach mit einer selbst gewählten Entfernung von mindestens 1,00
m zwischen Tag und Antenne noch einmal aus.
Geben Sie aufgrund Ihrer Messergebnisse eine Empfehlung über geeignete und
problematische Verpackunsmaterialien ab.
2. Überprüfen der geeigneten Positionierung
Lesen Sie die Tags aus, die an den bereit liegenden Lebensmitteln/Gefäßen/ Verpackungen
angebracht sind. Variieren Sie hierbei die Positionen der Tags, indem Sie die
Verpackungsmaterialen drehen und so Tags sichtbar und unsichtbar an der Antenne vorbei
führen können.
Wählen Sie einen Abstand von ca. 10 cm zur Antenne.
Geben Sie aufgrund Ihrer Messergebnisse eine Empfehlung über die geeignete Positionierung
der Tags. Nennen Sie auch die Probleme, die bei der Messung auftreten können bzw.
aufgetreten sind. Welche Materialen (Verpackungen und Inhalt) bereiten
Schwierigkeiten?
1. Ermitteln eines geeigneten Verpackungsmaterials
Erstellen Sie ein Messwerttabelle! Sie sollte folgende Werte enthalten:
Materialbezeichnung, Entfernung 1, Tag ausgelesen (ja/nein), Entfernung 2, Tag
ausgelesen (ja/nein).
300833B2DDD9048035050006
ca. 3,60 m (bis zum Fenster)
Name/Nummer des Tags:
maximale Reichweite:
Material ohne Befüllung
Entfernung 1
Tag ausgelesen
Entfernung 2
Tag ausgelesen
in m
ja / nein
in m
ja / nein
Blechdose (Nüsse)
0,30
nein
1,00
nein
Tetrapak (Saft)
0,30
nein
1,00
nein
Glas (Würstchen)
0,30
ja
1,00
ja
Alufolie (Schokolade)
0,30
nein
1,00
nein
PET (Wasser)
0,30
ja
1,00
ja
PET (Öl)
0,30
ja
1,00
ja
Metallbedampfter Karton (Chips)
0,30
nein
1,00
nein
Papier (Zucker)
0,30
ja
1,00
ja
Pappkarton (Milchreis)
0,30
ja
1,00
ja
2. Überprüfen der geeigneten Positionierung
Erstellen Sie ein Messwerttabelle! Sie sollte folgende Werte enthalten:
Materialbezeichnung, Tag ausgelesen (ja/nein) zur Antenne hingewandt und
abgewandt, Tagnummer.
Entfernung
0,1
m
zur Antenne
hingewandt
von der Antenne
abgewandt
Tag ausgelesen
Tag ausgelesen
ja / nein
ja / nein
Blechdose (Nüsse)
nein
nein
Tetrapak (Saft)
nein
nein
ja
nein
nein
nein
ja
ja
300833B2DDD9048035050017
ja
ja
300833B2DDD9048035050022
nein
nein
Material mit Befüllung
Glas (Würstchen)
Alufolie (Schokolade)
PET (Wasser)
PET (Öl)
Metallbedampfter Karton (Chips)
Tagnummer
300833B2DDD9048035050023
Papier (Zucker)
ja
ja
300833B2DDD9048035050024
Pappkarton (Milchreis)
ja
ja
300833B2DDD9048035050020
Schildern Sie die auftretenden Probleme und nennen Sie mögliche (kreative)
Lösungsansätze. Was fällt auf im Vergleich zu den Versuchen mit den leeren
Verpackungen? Welche Probleme treten auf im Hinblick auf die Befüllung mit
bestimmten Lebensmitteln?
IP Physik, Großmann
Sommersemester 2012
Versuch Widerstand, Kapazität, Induktivität
Teamauftrag
Ihre Firma hat aus sehr unterschiedlichen Bereichen mehrere Aufträge
zur Untersuchung von elektrischen Geräten erhalten. Die BIA‐Messmethode zur Körperfettmessung unterscheidet zwischen Körperflüssigkeit (≈ohmscher Widerstand) und Zellflüssigkeit (≈kapazitiver Widerstand). Ist der Widerstand eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators frequenzabhängig? Wie drückt sich die Frequenzabhängigkeit theoretisch aus und stimmt diese mit den Messungen überein?
Ein Sport‐ und Fitnessstudio will für Kunden mit leichter Herz‐/Kreislauferkrankung ein zusätzliches Monitoring der Herzfunktion (also nicht nur des Pulses) einbinden. Kann das EKG mit einfachen Mitteln sichtbar gemacht werden?
Ihre Firma überlegt, RFID zur Vereinfachung der Lagerwirtschaft und der Protokollierung von Produktionsprozessen einzuführen. Untersuchen Sie Probleme hinsichtlich der Lesbarkeit von RFID‐Tags in Verbindung mit verschiedenen Materialien (Blech, Tetrapack, Glas, Aluminiumfolie usw). Batterien haben wesentliche Nachteile: Sie haben ein relativ hohes Gewicht, benötigen Platz und es entsteht Müll, den man richtig entsorgen muss. Das ist gerade auf Trekkingtouren schwierig. Kann auf Batterien z.B. in Taschenlampen verzichtet werden? Gibt es andere Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie?
Wie verhält ein Kondensator in einem Gleichstromkreis, wenn die Spannung ein‐ bzw. ausgeschaltet wird?
Teilauftrag 4
Um weiterführende Empfehlungen zu alternativer Energiespeicherung geben zu können, sollten Sie zunächst folgende Fragen untersuchen:
Wie verhält sich ein Kondensator in einem Gleichstromkreis, wenn die Spannung ein‐
bzw. ausgeschaltet wird?
Warum stimmt τtheoretisch nicht mit τexperimentell überein?
Welchen Einfluß hat die Schütteldauer einer Schüttellampe bzgl. ihrer Lichtstärke und Leuchtdauer ?
Beeinflußt das Ergebnis ihre Tauglichkeit für Trekkingtouren?
Geben Sie zu den jeweiligen Punkten Empfehlungen an den Auftraggeber ab!
Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik
RCL4
Versuch: RCL Induktivität und Kapazität, Aufgabe 4
Gruppe:
A
Team:
1
Datum: 19.03.2012
Name
Schmiz
Vorname
Josef
Versuchsaufbau
Kondensator und Schalter
Schüttellampe
Sicherheitshinweis
Um Verletzungen oder Beschädigungen an den Geräten zu vermeiden, dürfen Sie die Spannungsquellen erst nach Abnahme der Schaltung durch Frau Winkens oder Frau Korsten bzw. Herrn Großmann einschalten.
Versuchsbeschreibung
Die Messungen werden mit dem Datenlogger MultiLogPro durchgeführt. Zur Bedienung des Datenloggers und der Software lesen Sie die Dokumentation im Versuchsordner. Hinweis: Die Bedienung des Datenloggers unterscheidet sich für die einzelnen Versuchsteile!
4. Auf‐ und Entladen eines Kondensators Schließen Sie die Kabel an die vorhandene Schaltung mit dem Kondensator mit der Kapazität von 1000 µF an. Schalten Sie die benötigten Geräte ein. Stellen Sie eine Spannung von ca. 2 V ein. Schließen Sie den Schalter. Die Spannung baut sich auf. Nach Öffnen des Schalters entläd sich der Kondensator. Der Datenlogger zeichnet währenddessen die Spannung kontinuierlich auf. Einschaltwiderstand R1 und Ausschaltwiderstand R2 haben eine Größe von je 470 Ω.
Die von Ihnen ermittelte Zeitkonstante τexperimentell wird sich von τtheoretisch unterscheiden. Verändern Sie den Wert der Kapazität in Zelle G6 solange bis τexperimentell mit τtheoretisch übereinstimmt. Ermitteln Sie dann den relativen Fehler des Kondensators.
Messungen an einer Schüttellampe
Schalten Sie die Taschenlampe aus (untere Arretierung). Halten Sie die Taschenlampe waagerecht und schütteln Sie sie mit gemäßigter Kraft. Seitwärts Schütteln lädt die Lampe NICHT auf. Sobald der Magnet die Spule durchläuft wird eine Spannung erzeugt, die den Kondensator auflädt.
Nehmen Sie die 'Entladung' der Lampe mit dem Datenlogger auf und kopieren Sie die Daten in die Excelvorlage. Sie haben für die Durchführung der gesamten Aufgabe 60 Minuten Zeit. Teilaufgabe 1 (Kondensator) ist bei zügiger Bearbeitung in 15 Minuten, Teilaufgabe 2 (Schüttellampe) in 20 Minuten zu schaffen.
4. Auf- und Entladen eines Kondensators
Geben Sie die konstanten Größen ein: Kapazität, Netzspannung, Spannung am
Kondensator, Ein- und Ausschaltwiderstand.
Kapazität des Kondensators =
Netzspannung U =
Einschaltwiderstand =
Ausschaltwiderstand =
U0 an Kondensator =
1.000
2,00
465,9
466,4
2,14
μF
V
Ω
Ω
V
Kopieren Sie die Spannungsdaten, die Sie vom Datenlogger erhalten, auf der
rechten Seite in die Spalte U in V. Trennen Sie die Werte für das Auf-und
Entladen. Lassen Sie die Werte für t und UTrend unverändert. Ermitteln Sie
anschließend durch Ausprobieren den Wert für τexperimentell , indem Sie solange
seinen Wert verändern, bis die Trendlinie auf den Messwerten liegt.
Aufladen 1.000
U0 =
τexperimentell =
τtheoretisch =
µF
2,11 V
0,54 s
0,47 s
Entladen 1.000
U0 =
τexperimentell =
τtheoretisch =
µF
2,08 V
0,54 s
0,47 s
Erstellen Sie das Entladungsdiagramm entsprechend des Diagramms 'Aufladung
eines Kondensators'
Auf- und Entladen des Kondensators
2,5
Spannung in V
2,0
1,5
Aufladen Versuch
AufladenTrend
Entladen Versuch
1,0
Entladen Trend
0,5
0,0
0
1
2
Zeit in s
Kapazität Ctheoretisch =
Kapazität Cexperimentell =
relative Abweichung =
1000
1160
16,0
3
µF
µF
%
4
5
Messungen an einer Schüttellampe
Erstellen Sie eine Messwerttabelle. Sie sollte folgende Werte enthalten:
Schütteldauer, und die Beleuchtungsstärke E0 bei ausgeschalteter Lampe in Lux
Versuch
Schütteldauer t
Beleuchtungsstärke E 0
1
15
0
2
45
0
3
90
0
in s
in Lux
Kopieren Sie die Spannungsdaten, die Sie vom Datenlogger erhalten, auf der rechten Seite
in die Spalte E in Lux. Lassen Sie die Werte für t und E-E0 unverändert.
Beleuchtungsstärke gegen Zeit
3500
Beleuchtungsstärke in Lux
3000
y = ‐660,5ln(x) + 3050,1
R² = 0,9993
2500
y = ‐373,7ln(x) + 1719,9
R² = 0,9984
15s
2000
y = ‐207,5ln(x) + 901,14
R² = 0,9906
1500
45s
90s
1000
500
0
0
10
20
30
40
50
Zeit in s
verwendete Funktion:
y = a·Ln(x) + b
Berechnen Sie mit Hilfe der Trendlinienfunktion wie lange die Lampe mit einer
Leuchtstärke von mindestens 100 Lux brennt
Kapazität des Kondensators
0,22
Schütteldauer in s
15
Funktionsparameter:
a = -207,5
b = 901,1
Leuchtdauer t mit 100 Lux 47,5
Leuchtdauer
(E>100 Lux) in s
Spannung an der LED
F
45
-373,7
1719,9
76,3
90
-660,5
3050,1
87,0
100
90
80
70
60
50
40
1,2
V
in s
y = 22,445ln(x) - 12,117
R² = 0,9837
0
20
40
Schütteldauer in s
60
80
100
Ergebnis
Stellen Sie die Ergebnisse des Versuches RCL zusammen. Dazu gehören:
Versuch 1 und 2:
Beschreiben Sie die Charakteristika der Frequenzabhängigkeit eines Kondensators und eines ohmschen Widerstandes. Inwieweit stimmt die Theorie mit Ihren Messungen überein?
Wie hoch war Ihr Herzschag in Ruhe und bei Belastung?
Würden Sie diese Methode der EKG‐Messung für ein Fitness‐Studio empfehlen? Begründen Sie Ihre Empfehlung.
Versuch 3:
Bis zu welcher Entfernung konnte ein Tag gelesen werden?
Welche Verpackungsmaterialien behindern die Lesbarkeit?
Welche Lebensmittel behindern die Lesbarkeit?
Nennen Sie mögliche Lösungsansätze um die Lesbarkeit zu verbessern.
Versuch 4:
Beschreiben Sie die Charakteristika der Auf‐ bzw. Entladung eines Kondensators. Inwieweit
stimmt die Theorie mit Ihren Messungen überein?
Nach welcher Funktion entlädt sich eine Schüttellampe?
Würden Sie eine Schüttellampe für Treckingtouren empfehlen? Begründen Sie Ihre Empfehlung. Welche Schütteldauer würden Sie empfehlen? Begründen Sie Ihre Empfehlung.