Laden und Entladen eines Kondensators (Artikelnr

Lehrer-/Dozentenblatt
Gedruckt:30.03.201717:02:45|P1373500
LadenundEntladeneinesKondensators(Artikelnr.:P1373500)
CurriculareThemenzuordnung
Fachgebiet:
Physik
Bildungsstufe:
Klasse7-10
Lehrplanthema:
Elektrizitätslehre
Unterthema:
Eigenschaften
elektrischer
Bauelemente
Experiment:
LadenundEntladen
einesKondensators
Schwierigkeitsgrad
Vorbereitungszeit
Durchführungszeit
empfohleneGruppengröße
Mittel
10Minuten
10Minuten
2Schüler/Studenten
Zusätzlichwirdbenötigt:
Versuchsvarianten:
Stoppuhr
Schlagwörter:
AufgabeundMaterial
Lehrerinformationen
Zusatzinformationen
DieSchülerwissen,dassdaselektrischeBauelementKondensatorelektrischeEnergiespeichernkann.
DerersteVersuchkonzentriertsichaufdenzeitlichenVerlaufderKondensatorspannungbeimLadenundEntladen.Zunächst
werdenqualitativeAussagengewonnen,danachwirdderVerlaufderSpannungbeimLadenundEntladenquantitativerfasst.
DerzweiteVersuchzieltaufhalbquantitativeZusammenhängezwischenderKondensatorspannungUC,demLadewiderstandR,
derKapazitätCdesKondensatorsundderZeittwährenddesLadevorgangsab.
HinweisezuAufbauundDurchführung
DurchdieWertevonCundRderzurVerfügungstehendenBauelementebedingt,vollziehensichdieLade-undEntladevorgänge
anfangsrelativrasch.DeshalbsolltenLehrerundSchülerdasschnelleAblesenvonMesswertenbeiinBewegungbefindlichem
Zeigersorgsamvorbereiten.Konsequentmussdaraufgeachtetwerden,dassjederKondensatorvorjedemLadevorgang
entladenist.
Anmerkungen
DievondeneinzelnenSchülergruppenermitteltenMessreihenwerdensichimAllgemeinenstarkunterscheiden.Dasliegtvor
allemandengroßenToleranzen,mitdenendieNennwertederKapazitätenbehaftetsind.
DasMessinstrumentbeeinflusstwegenseinesInnenwiderstandsRisowohldenLade-alsauchdenEntladevorgang.Beim
AufladenbildenderLadewiderstandRundRieinenSpannungsteiler.DaherkanndieSpannungamKondensator,derparallel
zumMessinstrumentgeschaltetist,maximaldieTeilspannung
UC=U0⋅Ri/(R+Ri)
erreichen.EineErhöhungdesLadewiderstandeszurErreichunglängererLadezeitenistdahernichtsinnvoll,weildadurchnur
nochkleinereWertevonUCerreichbarwerden.BeimEntladenbeschleunigtdasparallelzumKondensatorliegende
MessinstrumentdenEntladevorgang.
DiezeitlichenVerläufevonSpannungundStromstärkebeimLadenundEntladeneinesKondensatorsentsprechendenzeitlichen
VerläufenzahlreicherWachstums-undZerfallprozesseinderNatur.
FürdenEntladevorganggiltdieFunktion
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37079Göttingen
Tel:0551604-0
Fax:0551604-107
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U(t)=U0⋅e-t/RC
undfürdenLadevorgang
U(t)=U0⋅(1-e-t/RC).
NachderZeitt=R⋅ChatsichdieSpannungbisaufdene-tenTeilihremEndwertgenähert.DieseZeitnenntmandie
ZeitkonstanteτderSchaltung.
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LadeeuedEetladeeeieestoedeesators(Artikeler.:P1373500)
AufgabeuedMaterial
Aufgabe
WievollzieheesichderLade-uedEetladevorgaegbeieieemtoedeesator?
UntersuchedenSpannungsverlaufaneinemKondensatorwährenddesLade-undEntladevorgangssowievonwelchenGrößen
undinwelcherWeisedieGeschwindigkeitabhängt,mitderdieseVorgängeablaufen.
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Material
Positioe
Material
Besteller.
Meege
1
Leitungs-Baustein,gerade,SB
05601-01
1
2
Leitungs-Baustein,winklig,SB
05601-02
1
3
Leitungs-Baustein,T-förmig,SB
05601-03
1
4
Leitungs-Baustein,Anschlussbaustein,SB
05601-10
2
5
Leitungs-Baustein,winkligmitBuchse,SB
05601-12
2
6
Ausschalter,SB
05602-01
2
7
Umschalter,SB
05602-02
1
8
Widerstand10kOhm,SB
05615-10
1
9
Widerstand47kOhm,SB
05615-47
1
10
Kondensator(ELKO)47µF,SB
05645-47
1
11
Kondensator(ELKO)470µF,SB
05646-47
1
12
Verbindungsleitung,32A,500mm,rot
07361-01
2
13
Verbindungsleitung,32A,500mm,blau
07361-04
2
14
Vielfachmessinstrument,analog
07028-01
1
15
PHYWENetzgerätDC:0...12V,2A/AC:6V,12V,5A 13506-93
1
Stoppuhr,digital,24h,1/100sund1s
1
Zusätzliches
Material
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24025-00
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AufbauuedDurchführueg
Aufbau
1.Versuch
VersuchentsprechendAbb.1undAbb.2aufbauen;AusschalteristzunächstgeöffnetundUmschalterinPosition1(s.Abb.1);
MessbereichdesVielfachmessinstrumentes(alsSpannungsmesser)10V−wählen.
Abb.1
Abb.2
2.Versuch
VersuchentsprechendAbb.3aufbauen.
Abb.3
Durchführueg
1.Versuch
NetzgeräteinschaltenundGleichspannung10Veinstellen.
1.Aufgabe:LadestromkreisdurchBetätigendesAusschaltersschließenundSpannungsmesserbeobachten;
BeobachtungenimProtokollnotieren.
2.Aufgabe:EntladestromkreisdurchUmschalteninPosition2schließen,wiederumSpannungsmesserbeobachtenund
BeobachtungimProtokollnotieren.
3.Aufgabe:KondensatormitHilfeeinerVerbindungsleitung(25cm)einigeSekundenlangkurzschließenundKurzschluss
wiederaufheben,wenndieSpannungamKondensatorUC=0Vbeträgt.
4.Aufgabe:UmschalterinPosition1bringenund-von0Vbeginnend-dieKondensatorspannungUCnachjeweils10s
ermitteln;MesswerteinTabelle1imProtokollnotieren.
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Hieweis:FürdieErmittlungderMesswertebedarfeshoherKonzentrationundgegebenenfallsauchetwasÜbung.Fallsdie
ersteMessreihenichtgelingt,kannsienachkurzzeitigemKurzschließendesKondensatorswiederholtwerden.
5.Aufgabe:UmschalterinPosition2bringenundKondensatorspannungnachjeweils10sermitteln;MesswerteinTabelle1
imProtokollnotieren.
LadestromkreisdurchBetätigendesAusschaltersöffnen.
2.Versuch
6.Aufgabe:UmschalterinPosition1bringen;LadestromkreisschließenunddieZeitmessen,nachderdie
KondensatorspannungdenWertUC=6Verreichthat.ZeitinTabelle2imProtokolleintragen.
Ausschalteröffnen,KondensatorentladenunddurchdenKondensatormit47µFersetzen(Abb.4).
Abb.4
7.Aufgabe:
LadestromkreisschließenundwiederumdieZeitmessen,dieverstreicht,bisUC=6Verreichtist;ZeitnotiereninTabelle
2.
Widerstandmit47kΩdurchdenWiderstandmit10kΩersetzen(Abb.5)undMessungwiederholen.
Abb.5
Kondensatormit47µFdurchdenKondensatormit470µFersetzen(Abb.6)undMessungwiederholen.
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Abb.6
Netzgerätausschalten.
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Protokoll:LadeeuedEetladeeeieesKoedeesators
Ergebeis-Beobachtuegee1(10Puekte)
NotiereDeineBeobachtungenzur1.Aufgabe(s.Durchführung).
Ergebeis-Beobachtuegee2(10Puekte)
NotiereDeineBeobachtungenzur2.Aufgabe(s.Durchführung).
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Ergebeis-Tabelle1(14Puekte)
NotiereDeineBeobachtungenzur3.und5.Aufgabe(s.Durchführung).
tins
Laden
Entladen
UCinV
UCinV
0
1
±0
1
±0
10
1
±0
1
±0
20
1
±0
1
±0
30
1
±0
1
±0
40
1
±0
1
±0
50
1
±0
1
±0
60
1
±0
1
±0
Number1
1.0
Ladevorgang
Entladevorgang
UCinV
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1
-0.75
-0.5
-0.25
0
0.25
0.5
0.75
1
tins
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Ergebeis-Tabelle2(8Puekte)
NotiereDeineBeobachtungenzur6.und7.Aufgabe(s.Durchführung).
RinkΩ
CinμF
τins
tins
1
±0
1
±0
1
±0
1
±0
1
±0
1
±0
1
±0
1
±0
Auswertueg-Frage1(10Puekte)
BetrachtedasDiagrammzurTabelle1.ErkläredenVerlaufdesGraphenfürdenLadevorgangbzw.dieBeobachtungzur1.Aufgabe.
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Auswertueg-Frage2(10Puekte)
DrückeinJe-desto-Beziehungenaus,wiedieZeitdauerdesLadevorgangesvonderKapazitätCundvondemWiderstandR(Ladewiderstand
genannt)abhängigist.Erkläre,warumdieseBeziehungengeltenmüssen.
Auswertueg-Frage3(10Puekte)
BerechnedieZeitτ=R⋅C,tragedieWerteindieTabelle2einundvergleichesiemitdergemessenenZeitt.
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