Versuch 23 Strom- und Spannungsmessung

Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Heidelberg - Praktikum I
Versuch 23
Strom- und Spannungsmessung
II
Versuch 23 Strom- und Spannungsmessung
Literatur
• W. Walcher, Praktikum der Physik, B.G.Teubner Stuttgart,
• Standardwerke der Physik: Gerthsen, Bergmann-Schäfer, Tipler.
• Homepage des Praktikums:
http://www.physi.uni-heidelberg.de/Einrichtungen/AP/
Schiebewiderstand
Eichspannung
III
Taster
Dekadenwiderstände
Vorbereitung
Bereiten Sie sich auf die Beantwortung von Fragen zu folgenden Themen vor:
Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Gesetze, Innenwiderstand von Strom- und
Spannungsmessinstrumenten, Drehspuleninstrument, Kompensationsschaltung, Innenwiderstand und Elektromotorische Kraft von Stromquellen.
Verständnisfragen:
Amperemeter
1. Was besagen die Kirchhoffschen Gesetze?
Kompensator
2. Was und wie misst man mit einem Kompensator?
3. Worin besteht der prinzipielle Vorteil eines Kompensators gegenüber einer
normalen“ Spannungsmessung?
”
4. Was muß man tun, um den Messbereich eines Voltmeters oder Amperemeters zu erweitern?
Abbildung 1: Aufbau des Versuchs Strom- und Spannungsmessung.
I
Messaufbau
5. Was ist eine Elektromotorische Kraft, und wie bestimmt man sie?
• stabilisierte Spannungsversorgung
6. Wie groß ist der maximale (Kurzschluss) Strom, den eine Batterie - kurzzeitig - zur Verfügung stellen kann? Berechnungsbeispiel: Auto-Batterie:
U =12 V, Innenwiderstand: R=0,1 Ω, Imax = ?
• Kompensator
• Milliamperemeter
• Schiebewiderstand (100 Ω)
IV
• drei Dekadenwiderstände
Aufgaben
• Eichen Sie eine Kompensationsschaltung zum Messen von Spannungen.
• Batterie
• Der Messbereich eines Amperemeters ist von 10 mA auf 200 mA zu erweitern.
• Tastschalter
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Physikalisches Anfängerpraktikum der Universität Heidelberg - Praktikum I
• Die Klemmenspannung einer Batterie ist als Funktion der Belastung zu
messen, um die ElektroMotorische Kraft (EMK) und den Innenwiderstand
zu bestimmen.
• Zusatzaufgabe für Physiker: Berechnen Sie, für welchen Lastwiderstand
aus der Batterie die maximale Leistung P = U I entnommen wird.
V
VI
Grundlagen
Durchführung des Versuchs
Es wird dringend empfohlen, sich die Formeln für die Vor- und Parallelwiderstände zur Messbereichsänderung schon vor dem Praktikum klar zu
machen. Nicht einfach abschreiben, sondern selbst entwickeln!
1. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau.
2. Machen Sie sich den Aufbau und die Wirkungsweise des Kompensators klar. Vergleichen Sie die Schaltelemente des Kompensators mit dem
Schaltplan. (Gehäuse von unten ansehen; Linearitätsfehler des Drehpotentiometers notieren).
Versuch 23 Strom- und Spannungsmessung
3. Die 6 V Hilfsspannung zum Betrieb des Kompensators wird dem Netzgerät
entnommen. Eichung des Kompensator: Eichspannung (1,018 V) an die
Messbuchsen legen, am Drehpotentiometer 2,036 Skt einstellen und durch
Drehen am Eichknopf den Kompensator auf Null abgleichen. Die Drucktaste
ist mit 51 kΩ überbrückt. Dadurch fließt bei Fehleinstellung ein kleiner Strom
durch das Nullinstrument. Dieser verrät sofort die richtige Drehrichtung zum
Nullabgleich. (Überlegen Sie sich, was hinter dieser Eichvorschrift steckt).
Nach dem Abgleich entsprechen 10,00 Skt am Drehpotentiometer genau 5,00
Volt an den Messbuchsen, 8,00 Skt entsprechen genau 4,00 Volt usw.
Bemerkung zur Eichspannung: Üblicherweise wird zur Eichung von Kompensatoren ein chemisches Normalelement (Weston-Element) verwendet, das
unabhängig von der speziellen Einzelherstellung einen festen Spannungswert
von 1,01830 Volt (bei 20◦ C) hat. Die Temperaturabhängigkeit der Spannung
ist genau bekannt. Da ein solches Normalelement sehr teuer und gegen
Belastung sehr empfindlich ist, wurde eine elektronische Ersatzschaltung mit
demselben Spannungswert vorgezogen.
4. Erweitern Sie den Messbereich eines Amperemeters von 10 mA auf
200 mA. Benutzen Sie dazu die drei Dekadenwiderstände (schauen Sie sich
die Skizze auf deren Rückseite an). Den Innenwiderstand des 10 mA-Meters
finden Sie auf demselben vermerkt (Fehler ± 1Ω). Der Innenwiderstand des 10
mA-Meters ist künstlich erhöht worden, damit Sie bei dieser Aufgabe mit drei
Dekadenwiderständen auskommen.
Taster
Eichregler
Taster
51 kW
+
6 V Hilfsspannung
-
100 W
Nullinstrument
50 W
100 W
Drehpotentiometer
Kompensator
µA
+ Batterie
-
200
mA
+
0-5 V Messbuchsen
Abbildung 3: Schaltung zu Aufgabe 5.
Abbildung 2: Schaltplan des Kompensators.
5. Mit dem erweiterten mA-Meter und dem Kompensator wird in der ange-
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zeichneten Anordnung die Klemmenspannung der Taschenlampenbatterie bei
Belastung aufgenommen. Der Batterie wird ein Strom I entnommen und gleichzeitig die Klemmenspannung mit dem Kompensator gemessen. Mit dem Schiebewiderstand wird die Stromstärke von ca. 0 bis 200 mA geregelt (9 Messpunkte). Um die Batterie zu schonen, wird die Morsetaste zur Messung immer nur kurz (während des Abgleichs des Kompensators) gedrückt. Sofort ein
Diagramm U = U (I) zeichnen! Welchen Verlauf erwarten Sie?
VII
Auswertung
1. Bestimmen Sie Ri und die EMK aus dem Diagramm. Diskutieren Sie Ihre
Messungen unter Berücksichtigung der Messfehler.
2. Zusatzaufgabe für Physiker: Rechnen Sie durch Differenzieren der
Gleichung P = U (I)I aus, bei welchem Lastwiderstand die von der Batterie
abgegebene Leistung am größten ist. (Leistungsanpassung). Wie groß ist dann
U (I) ?
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