Elektrik: Versuch 11+12 - Physikalisches Praktikum für Nebenfach

II. PHYSIKALISCHES INSTITUT
DER UNIVERSITÄT GÖTTINGEN
Friedrich-Hund-Platz 1
37077 Göttingen
Elektrik: Versuch 11+12
Gefahren des elektrischen Stromes
Vom elektrischem Strom können Gefahren für Lebewesen
ausgehen
Die Gefahr hängt dabei von mehreren Faktoren ab:

Sie hängt ab vom Weg, den der Strom durch den Körper nimmt.

Sie hängt ab von der Stromstärke.

Sie hängt ab von der Einwirkungsdauer.
Alle Körperflüssigkeiten leiten den elektrischen Strom. Fast alle Organe werden durch
elektrische Impulse, die vom Gehirn ausgehen, gesteuert. Muskelbewegungen werden z.B.
durch schwache Impulse von etwa 50 mV angeregt. Auch das Herz schlägt auf Grund
elektrischer Ströme, die es aber selbst erzeugt.
Fließt nun ein von außen kommender Strom durch den Körper, der größer ist als die
körpereigenen Ströme, dann verkrampfen sich die Muskeln, die äußere Stromquelle kann dann
nicht mehr losgelassen werden. Fließt der Strom über das Herz, versucht dieses, den äußeren
Impulsen zu folgen. Es entstehen Rhythmusstörungen oder sogar Herzkammerflimmern,
welches ohne sofortige Hilfe zum Tod führt.
Ströme über 50 mA können tödlich sein, insbesondere wenn dieser Strom über das Herz
fließt.
Spannungen über 50 V sind lebensgefährlich, denn dabei können Ströme über 50 mA
fließen.
Bei großen Stromstärken gibt es auch Schädigungen durch die Wärmewirkung des elektrischen Stromes. Dies kann so weit gehen, dass die Verbrennungen und auch die Zersetzung des Blutes die primäre Todesursache sind.
Bei Spannungen unter 1000 V geschehen tödliche Unfälle meist durch Atemlähmung
(als Folge von Herzkammerflimmern), bei höheren Spannungen meist durch sehr starke
Verbrennungen.
1
Erste Hilfe - Unfälle durch elektrischen Strom
Niederspannung ( bis 1000 V ):
(gewöhnlicher Gebrauchsstrom in Haushalt und Gewerbe)

Strom unterbrechen (Ausschalten, Stecker ziehen, Sicherung herausdrehen)

Sofortige Ruhelage

Atmung und Puls kontrollieren

Bei Atemstillstand Atemspende

Bei Bewusstlosigkeit und vorhandener Atmung Seitenlagerung

Keimfreie Bedeckung der Brandwunden
Hochspannung ( über 1000 V ):
(durch Warnschild mit Blitzpfeil gekennzeichnete Anlagen)

Warnung: Keine Annäherung!

Bei unbekannter Spannung mindestens fünf Meter Abstand!

Notruf: Elektro-Unfall
112
Bei einem ernsten elektrischen Schlag unverzüglich in die Notaufnahme eines Krankenhauses. Dort wird ca. ½ Stunde beobachtet, ob Herz-Kammerflimmern auftritt. Ist das
nicht der Fall, ist die Gefahr vorüber und man kann wieder nach Hause....
2
VERSUCH 11: Thermoelement
Stichworte
Gerthsen
Metallbindung
Austrittsarbeit
Kontaktspannung
Thermospannung
Thermoelement
konstantes Temperaturbad
14.1.5.
8.1.1.
6.6.1.
6.6.1.
6.6.1.
6.6.1.
Westphal
Stuart/Klages
Aufg. 13
§ 108
§ 117
§ 113
§ 115
§ 115
Kuhn
17.3
28.3
Anwendungsbeispiele
Schnelle Temperaturmessinstrumente, kleine Messsonden, genaue
Temperaturbestimmung
Zubehör
Millivoltmeter, Thermoelement, 2 Becher, Herdplatte, Glasstab, Thermometer.
Fragen zur Vorbereitung

Was soll heute im Praktikum gemessen werden? Warum?



Verhalten von gleichnamigen und ungleichnamigen Ladungen
Feldlinien von Punktladungen (Zeichnung)
Kraft auf eine elektrische Ladung in einem elektrischen Feld

Metallbindung erklären: Was ist das Elektronengas ?

Was hat die Austrittsarbeit für eine Bedeutung?

Ist die Austrittsarbeit bei allen Metallen gleich ?

Definition der Fermi - Energie

Warum tritt eine Kontaktspannung auf, wenn sich zwei verschiedene Metalle
berühren?

Wie ist ein Thermoelement aufgebaut ?

Wann bekomme ich eine Thermospannung ?

Was bedeutet Uth.= a T ?
Versuch
Die Lötstellen des Thermoelements werden in
Eiswasser getaucht, dann wird ein Wasserbad
langsam zum Sieden erhitzt. Dabei wird der Ausschlag
des Messinstruments in Abhängigkeit von der Temperatur in Schritten von 5 Grad
gemessen. Man setze die Messung bei abkühlendem Wasser fort, wobei der
3
Abkühlungsprozess durch Zugabe von Eisstückchen beschleunigt werden kann. Das
Wasser muss zur gleichmäßigen Temperaturänderung mit einem Glasstab in Bewegung
gehalten werden.
Die Herdplatte wird kurz mit Stufe 12 betreiben. Der komplette Versuch ist schon fertig
aufgebaut, es muss nichts mehr angeschlossen werden! Das Thermometer nicht auf
dem Gefäßboden stehen lassen !
Man beachte aber, dass die Kabel die Herdplatte nicht berühren
Für genaues Messen sollte man besser langsam erwärmen
Auswertung
1) Man stelle den Ausschlag in mV als Funktion der Temperatur T graphisch dar. Es
sollen zwei Kurven angefertigt werden, je eine für das Aufwärmen und das Abkühlen.
2) Aus der Darstellung ist die Empfindlichkeit des Thermoelements zu entnehmen und ihr
Fehler durch Grenzgeraden abzuschätzen. (Alle Geraden – auch die Grenzgeradenmüssen durch den Ursprung führen ! Warum?)
3) Man berechne den gewichteten Mittelwert der Empfindlichkeit des Thermoelements.
(Formeln aus diesem Skript verwenden !)
4) Warum liegen die beiden Geraden aus Aufgabe 1) nicht auf einander ?
5) Fehlerdiskussion
4
VERSUCH 12: Kennlinien verschiedener Leiter
Stichworte
Gerthsen
Spannung, Strom
Widerstand, Ohmsche Gesetze
Schaltung von Messinstrumenten
Temperaturabhängigkeit
der Widerstände
Leiter, Halbleiter,
Isolatoren
Einleitung:
Westphal
Stuart/Klages
Kuhn
6.1.2., 6.3.1.
6.3.2.
Aufg. 30
6.3.4.
Aufg. 30
§ 90
§ 91
§ 93
14.4, 15.6
17.7
22.4
6.4.3.a)
§ 108
Aufg. 34
14.3.4., 14.4.1.
§ 100, 109
17.7,23.1,
23.2
Die elektrische Leitung und Kennlinien von metallischen Leitern und
von Halbleitern
Elektrizität und elektronische Geräte bestimmen unseren Alltag und werden kaum noch als
technologische Produkte wahrgenommen. Aus diesem Grunde ist es wichtig, die
wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen zu verstehen, auf denen diese
Geräte beruhen. Dazu gehört insbesondere die Kenntnis über die Leitung des elektrischen
Stromes und den Transport von elektrischer Energie.
In dem Versuch werden metallische Leiter und Halbleiter vorgestellt. Metallische Leiter
haben einen ohmschen Widerstand, der um so größer ist, je höher ihre Temperatur ist. Die
damit verbundenen Energieverluste ließen sich verringern oder gar vermeiden, wenn man
den Widerstand durch Abkühlen verringern oder ganz vermeiden könnte (Supraleiter).
Halbleiter werden bei tiefen Temperaturen zu Isolatoren, die den Strom nicht leiten. Bei
ihnen müssen die Leitungselektronen zunächst freigesetzt werden, bevor sie den Strom
transportieren können. Dies ist durch Erwärmung oder die Einwirkung von Licht möglich.
Anwendungsbeispiele
Elektrowärme, Glühlampen, Spannungsstabilisierung.
Zubehör
Zu untersuchende Leiter: 1 Metallfadenlampe, 1 PTC - Widerstand, 1 NTC - Widerstand,
2 Thermoelemente, 1 mV - Meter, 2 Vielfachmessinstrumente, 1 Potentiometer 50 
 (PTC = Positiver Temperaturkoeffizient; NTC = Negativer Temperaturkoeffizient)
Fragen zur Vorbereitung

Was soll heute im Praktikum gemessen werden? Warum?

2 

Wie sind Strom und Spannung definiert ? (Erläutere: U 12    E dr )
1

Was ist elektrischer (ohmscher) Widerstand?

Was sind ein Amperemeter und ein Voltmeter ? Wie werden sie in den
Stromkreis geschaltet ?
5

Was versteht man unter dem Bändermodell des Festkörpers ?
(Definition: Valenzband, Leitungsband, Ferminiveau) Warum kann ein volles
Band keinen Strom leiten ?

Wie sieht die Bandstruktur eines Isolators, Halbleiters und Leiters aus ? (mit
Skizzen !)

Wie ist der elektrische (ohmsche) Widerstand definiert?

Wie hängt der elektrische Widerstand von den räumlichen Dimensionen und vom
Material ab?

Erläutere die Temperaturabhängigkeit des spez. Widerstands ρ.

Warum (und wie) verändert sich der Widerstand eines Leiters (Metall) bei
Veränderung der Temperatur ? Was bedeuten PTC und NTC ?

Warum ist das Verhalten von Halbleitern bei Temperaturveränderung
entgegengesetzt dem von Leitern ? Erklärung mit Bändermodell

Wie funktioniert eine Spannungsteilerschaltung ?
Versuch
1) Man messe für die Metallfadenlampe die Stromstärke I als Funktion der Spannung U.
Man fährt dazu die Spannung U von 0 bis 12 V hoch, in Schritten von 1 V und liest
I = f(U) ab (Messbereich 100 mA). (Das Thermoelement nicht anschließen!)
Man benutzt folgende Schaltung zur Aufnahme der Kennlinien:
Rx = Innenwiderstand
von Lampe,
PTC bzw. NTC
2) Man schließe das Thermoelement
(kleiner grauer Metallkasten) direkt
an die schwarzen Anschlüsse an.
Das Thermoelement darf nicht mit
dem
restlichen
Stromkreis
verbunden sein!
Man messe für den PTC und den
NTC den Widerstand als Funktion
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der Temperatur des Elements, die mit einem Thermoelement bestimmt wird. Nach jeder
Einstellungsänderung wartet man, bis sich der Strom I bei konstant gehaltener Spannung
U nicht mehr ändert (ca. 1 min). Dann erst kann man Strom, Spannung und
Thermospannung ablesen.
Für den PTC stelle man Spannungen von 0-12 V in 1 V-Schritten ein.
3) Für den NTC verändert man die Stromstärke: Man beginnt bei hohen Stromstärken von
300 mA und geht in 30 mA-Schritten auf 0 mA herunter.
VORSICHT !
Man achte darauf, dass beim NTC nicht mehr als 300 mA Strom fließen!
Den Strom am NTC zunächst voll aufdrehen. Ab ca. 150 mA steigt die
Stromstärke sehr schnell an. Dann den Strom entsprechend herunter
regeln
Die Messinstrumente sind während des Aufheizvorgangs sorgfältig zu
beobachten!
Beim Messen darauf achten, dass sich der NTC erst abkühlen muss!
4) Man messe die Zimmertemperatur.
Auswertung
1) Graphische Darstellung der Stromstärke als Funktion der Spannung für die
Metallfadenlampe (I(U) - Kennlinie).
2) Graphische Darstellung des Widerstandes von NTC- und PTC-Leiter als Funktion der
Temperatur.
Dazu wird aus den U und I Wertepaaren der zugehörige Widerstand errechnet. Aus der
Thermospannung bestimmt man die Temperatur: Im Idealfall entspricht 0 mV der
Zimmertemperatur, sonst muß Uth (RT) von allen Messwerten abgezogen werden. Die
Eichung beträgt 54 V / oC.
Für den NTC-Leiter trägt man den Widerstand R auf halblogarithmischem Papier als
Funktion von 1/T auf ( T in Kelvin ! ). Da die Temperaturabhängigkeit eines Heißleiters
einem Exponentialgesetz gehorcht:
R(T )  A  e

E
2 k BT
(Die Konstante A ist von Bauform und Material abhängig), ergibt diese Auftragung eine
Gerade. Aus der Steigung berechne man die Energielücke E zwischen Valenz- und
Leitfähigkeitsband des verwendeten Halbleiters (Fehlerfortpflanzung)
Hinweis:
kB = 8.62  10 – 5 eV / K
3) Fehlerdiskussion
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AUFGABEN zu VERSUCH 11
1) Ein Thermoelement der Empfindlichkeit a = 9.2 10 -5 V/grad und dem
Innenwiderstand R1 = 5  wird an ein Amperemeter mit dem Innenwiderstand
R2 = 110  angeschlossen.
Welche Stromstärke zeigt das Instrument an, wenn eine Lötstelle des Thermoelementes in kochendes Wasser unter Normalbedingungen und die andere in
schmelzendes Eis getaucht wird?
[ 8 10 -5 A]
2) Ein Thermoelement ist mit einem Amperemeter als Anzeigeinstrument verbunden. Der
Innenwiderstand des Amperemeters beträgt R = 100  , seine Empfindlichkeit 10 -8 A
pro Skalenteil.
Wie groß ist die Empfindlichkeit des Thermoelements, wenn als kleinste
Temperaturdifferenz T = (2 10 –2) ° C gemessen werden kann?
[5  10 -5 V/grd]
3) a. Wie ist ein Thermoelement aufgebaut? (Skizze mit Angabe der Einzelteile!)
b. Was versteht man unter Kontaktspannung ?
c. Bei einer Temperatur von 30C zeigt ein Thermoelement die Spannung 5 mV an.
( Referenztemperatur: Eiswasser ). Wie groß ist die Empfindlichkeit des
Thermoelements?
[1,6 · 10 -4 V/grd ]
d. Bei einer zweiten Messung liest man die Spannung 10 mV ab, dabei benutzt man
als Referenztemperatur ein Metallgehäuse mit Raumtemperatur von 20C.
Welche Temperatur lag bei der zweiten Messung vor ?
[80C ]
AUFGABEN zu VERSUCH 12
Man berechne den Gesamtstrom in folgender Schaltung:
[IG = 0.5 A]
1) Ein Kraftwerk speist Wechselstrom in eine Überlandleitung ein, dessen
Effektivstromstärke 10 A beträgt. Die elektrische Leistung des Kraftwerks beträgt 1000
kW.
a) Wie groß ist die Effektivspannung?
[100 kV]
b) Welche Leistung geht durch Erwärmung pro km Leitung verloren, wenn diese
einen Widerstand von 10  /km hat?
[1000 W/km]
c) Sind die Verluste im Sommer oder im Winter größer (Begründung)?
[im Sommer größer, weil bei der höheren Temperatur
der Widerstand des Kabels größer ist]
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3) a) Erkläre an Hand des Bändermodells kurz den Unterschied zwischen Leiter,
Halbleiter und Isolator.

E
b) Für einen NTC-Widerstand gilt: R (T )  A e k BT mit A = 0.01  und
kB = 8.62 10-5 eV/K . Bei einer Temperatur von 300 K misst man einen
Widerstand von 50 000 . Welchen Widerstand misst man bei T = 400 K
[ 0,399 eV]
und wie groß ist die Bandlücke E in eV ?
© II. Physikalisches Institut, Universität Göttingen, Physik-Nebenfachpraktikum V7.14e, 2010
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