NTS Frühlinssemester 2013 WI12 Investigation 1: Schnelle Dynamik

NTS Frühlinssemester 2013
WI12
Investigation 1: Schnelle Dynamik einer kleinen Glühbirne
Wenn man die Spannung über einer Glühlampe erhöht, wächst die Stromstärke auf
nichtlineare Weise. Macht man den Versuch langsam, ergibt sich eine eindeutige
Funktion IQ(UR). Erhöht und erniedrigt man die Spannung hingegen schnell hintereinander, wird die IQ–UR Bezieung komplizierter. Das Phänomen hat mit der thermischen Dynamik des Glühfadens zu tun. Es soll durch ein Modell erklärt werden.
Experiment
Bauen Sie eine elektrische Schaltung aus einem einzigen Stromkreis bestehend. Im
Stromkreis haben Sie eine variable Spannungsquelle, eine kleine und ein Widerstandselement zur Bestimmung der Stromstärke. Messen Sie die Spannungen über
allen drei Elementen. Nehmen Sie eine 6V/0.45A Birne (behalten Sie diese Birne für
alle Untersuchungen; jede Birne ist leicht anders!).
(a) Messen Sie zuerst die stationäre Charakteristik der Birne aus.
(b) Verändern Sie die Spannung der Spannungsquelle von Null auf etwa 5-6 Volt
und wieder auf Null. (Falls Sie höhere Spannungen verwenden wollen, müssen Sie Spannungsteiler bauen.) Die Dauer des Auf und Ab soll verändert
werden (Spannen zwischen 0.5 s bis etwa 5 s; separate Messungen).
(c) Versuch mit Einschalten der Spannungsquelle auf fixe Spannung. Stellen Sie
sicher, dass die Messung genügend Messpunkte in der Zeitspanne des dynamischen Vorgangs enthält.
Datenanalyse
Stellen Sie Ihre Messergebnisse in UR(t), IQ(t) und in IQ(UR) Diagrammen dar.
Modell und Vergleich mit Daten
Die Erklärung des Vorgangs beruht auf der Idee, dass der Glühdraht durch die elektrische Dissipation aufgeheizt wird, und dass dieses Aufheizen Zeit braucht. Der
Widerstand des Materials hängt von der Temperatur ab. Der Draht strahlt die in ihm
entstehende Entropie an die Umgebung ab. Die Abstrahlung hängt auch von der Temperatur ab (Daten in PSS > Chapter 3 > Investigation 32). Temperaturabhängige
Materialdaten findet man in Tabellensammlungen oder im Internet. Versuchen Sie,
Durchmesser und Länge des Glühdrates der Birne zu messen oder zu schätzen.
Vergleichen Sie Ihr Modell mit Ihren Daten. Schauen Sie, ob das Modell auch für
eine andere Glühlampe funktioniert. Benutzen Sie auch Daten von anderen Gruppen.
Dokumentation
Dokumentieren Sie Ihre Arbeit in einem Laborjournal.
Literatur
Fuchs H. U. (2010): The Dynamics of Heat. Springer, New York. Chapter 7.4.