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Heidi Denk
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Physikalisches Grundpraktikum I
Versuch:
(Versuch durchgeführt am 17.10.2000)
ELEKTRISCHE
SPANNUNGSQUELLEN
Denk Adelheid 9955832
Ernst Dana Eva 9955579
Linz, am 22.10.2000
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Heidi Denk
I.
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PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
1. OMSCHES GESETZ
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
2. KIRCHOFFSCHE REGELN
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
3. SERIEN- UND PARALLELSCHALTUNG VON WIDERSTÄNDEN
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
4. QUELLEN- UND KLEMMENSPANNUNG
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
5. TROCKENELEMENT
Das Trockenelement ist ein spezielles galvanisches Element, bestehend
aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten (Stoff, der in
wässriger Lösung elektrischen Strom leitet).
6. DAS GALVANISCHE ELEMENT
In galvanischen Elementen wird chemische Energie in elektrische
umgewandelt.
Im Bleiakkumulator wandern aufgrund der chemischen Reaktionen der
Platten mit der Schwefelsäure negative Ionen von der Bleidioxidplatte
(PbO2) zur Bleiplatte (Pb). Die bei der Reaktion freiwerdende Energie ist
dabei größer als die Arbeit, die zum Verschieben der Ionen vom positiven
zum negativen Pol aufgewendet werden muß.
Wird die äußere Stromrichtung umgekehrt, so laufen die Reaktionen an
den Bleiplatten entgegengesetzt. Die Batterie wird geladen. Zwischen
den Polen unserer Batterie herrschte eine Spannung von 4,5 V.
7. DIE ELEKTROMOTORISCHE KRAFT (EMK)
ε hat die entgegengesetzte Richtung wie die Quellenspannung, d.h. sie
wirkt gegen das elektrische Feld zwischen den Polen. Der positive und
negative Pol eines galvanischen Elements entsprechen den Platten eines
Kondensators. Es fließt dauernd ein Strom vom positiven zum negativen
Pol, der den Kondensator entlädt. Daher muß im Inneren der
Spannungsquelle dauernd positive Ladung vom negativen zum positiven
Pol geschafft werden, zu dem eine EMK ε notwendig ist. Fließt kein
Strom, so lädt sie den aus den Elektroden bestehenden Kondensator auf
die Quellenspannung auf, die die entgegengesetzte Richtung wie ε hat.
Physikalischer Hintergrund dieser Kraft (Spannung) ist beim galvanischen
Element die Wärmebewegung atomarer Teilchen.
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8. SPANNUNGSTEILERSCHALTUNG
Schließt man einen homogenen Leiter der
Länge l mit überall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der
Klemmenspannung U an, so fließt durch ihn
ein Strom I. Das Verhältnis zwischen der
Teilspannung und der Gesamtspannung ist
gleich dem Verhältnis der entsprechenden
Längen bzw. auch der Widerstände. Mit einer
Spannungsteilerschaltung kann man jede
beliebige Spannung zwischen 0 und U herstellen (siehe Versuche). Dies
gilt nur wenn der Schalter S offen ist und über den Potentiometerabgriff
kein Strom fließt. Nur an den Endpunkten (x=0 & x=l) bleibt die
Spannung auch bei geschlossenem S unverändert.
9. KOMPENSATIONSSCHALTUNG
Das Grundprinzip ist in der Skizze
dargestellt. Von einer Spannungsquelle mit
bekannter Klemmenspannung UK kann über
einen veränderbaren Spannungsteiler eine
beliebige Vergleichsspannung UV
abgegriffen werden. Die Spannung UX wird
unter Zwischenschaltung eines empfindlichen
Spannungsmessers der Vergleichsspannung
UV so parallelgeschaltet, dass gleichnamige Pole von UV und UX
miteinander verbunden sind. Zur Messung von UX wird der
Spannungsteiler so eingestellt, daß der Spannungsmesser 0 V anzeigt.
Nach dem 2. Kirchoffschen Gesetz gilt dann für ABB`A` UV-UX = 0. Mit
den Gleichungen des Spannungsteilers folgt dann für UX = UV = RX. UK/R
= x.UK/l
10. SPANNUNGSQUELLEN
In Spannungsquellen ist die Energie gespeichert, die zum Verschieben
von Elektronen in einem Stromkreis notwendig ist: Während die
Elektronen in Spannungsquellen ( unter Arbeitsaufwand ) vom positiven
Pol zum negativen Pol verschoben werden, fließen die Elektronen im
äußeren Stromkreis ( unter Energieabgabe ) vom negativen zum positiven
Pol der Spannungsquelle.
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
ihren Anschlußquellen eine von der Belastungsstromstärke unabhängige
Klemmenspannung UK anliegt. Reale zeigen aber demgegenüber ein
Absinken der Klemmenspannung mit wachsender Belastungsstromstärke.
In einer Schaltung kann man dies berücksichtigen, indem man die reale
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Spannungsquelle durch eine Serienschaltung einer idealen
Spannungsquelle und eines sogenannten inneren Widerstandes RI ersetzt.
Dieser Widerstand läßt sich bestimmen, indem man die
Klemmenspannung UK1 und UK2 bei zwei verschiedenen Strömen mißt:
RI = (UK1 - UK2) / (I2 – I2) . Die Klemmenspannung kann man durch
folgende Formel berechnen, wobei UQ die Quellenspannung ist:
UK = UQ – I .RI . Daraus kann man die größte Stromstärke IK, der
sogenannte Kurzschlußstrom, die man einer Spannungsquelle entnehmen
kann, berechnen und zwar ist IK = UQ / RI. Diese Berechnungen sind
einfache Folgerungen des zweiten Kirchhoffschen Gesetzes, bei einer
Serienschaltung aus einer idealen Spannungsquelle, eines inneren
Widerstandes RI und eines Belastungswiderstandes RA (außen), für die
gilt: UQ –I.RI – I.RA = 0 und UK – I.RA = 0.
II. VERSUCHE
1.Messen der Spannung
Schaltungsaufbau:
Als Voltmeter verwendeten wir ein Normameter S2. Ziel war die
Messung der Spannung einer 4,5 V Taschenlampenbatterie bei einem
Innenwiderstand (siehe Rückseite des Normameters)
Meßbereich von 15 V
50 kΩ
bzw 5 V
16,7 kΩ
Ergebnis der Messung :
Nr.
1
2
3
4
5
V
4,85
4,82
3,85
4,7
4,48
Batterie
25.04.99
Jänner 2000
12.10.99
19.10.98
12.10.99
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2. Spannungsteiler, Potentiometer
a.) das unbelastete Potentiometer
Schaltungsaufbau
Verwendete Taschenlampenbatterien : 25.4.99
Jänner 2000
Ö maximale Spannung laut 1. = 4,85 + 4,82 = 9,67 V
An die 4,5 V Batterie wird nun ein Helipotentiometer angeschlossen,
welchem ein Voltmeter parallel geschaltet ist. Bei verschiedenen
Widerständen des Potentiometers wurde die Spannung am Voltmeter
angezeigt.
Ergebnis:
Helipot 1 kOhm Ausschlag des Voltmeters
0 Ohm
0V
100 Ohm
1V
200 Ohm
2V
250 Ohm
2,4 V
300 Ohm
2,9 V
400 Ohm
3,8 V
500 Ohm
4,8 V
600 Ohm
5,7 V
700 Ohm
6,7 V
800 Ohm
7,6 V
900 Ohm
8,6 V
1 kOhm
9,6 V
(linearer Zusammenhang)
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Skala
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
1,5 V
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b.) das belastete Potentiometer
Schaltungsaufbau:
An die Ausgangsklemmen wird nun ein Widerstand R, der sich aus
den Angaben des Helipot und der Spannungsquelle ergibt,
angeschlossen. Der Helipot hat einen maximalen Widerstand von1000
Ω und eine maximale Leistung von 6,9 Watt. Aus der Beziehung P =
U.I und aus dem Ohmschen Gesetz kann man sich nun die maximale
Spannung, die man an die Enden der Wicklungen legen darf,
berechnen. Weiters erhält man daraus dann die maximale Stromstärke.
Anschließend wurde wieder die Spannung als Funktion der
Skaleneinstellung am Potentiometer gemessen, wobei sich nun kein
linearer Zusammenhang ergibt, da der Widerstand R einen
zusätzlichen Spannungsabfall erzeugt.
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Ergebnis:
Helipot 1 kOhm Ausschlag des Voltmeters
0 Ohm
0V
100 Ohm
1,1 V
200 Ohm
2V
300 Ohm
2,8 V
400 Ohm
3,6 V
500 Ohm
4,5 V
600 Ohm
5,5 V
700 Ohm
6,6 V
800 Ohm
8,0 V
900 Ohm
9,8 V
1 kOhm
12,4 V
3. Kompensationsschaltung nach Poggendorf
Schaltungsaufbau:
Nach dem Prinzip der Kompensationschaltung, wurde eine Schaltung
erstellt, um die EMK zu ermitteln. Dabei verwendeten wir eine 9 V
Spannungsquelle und eine 4,5 V Batterie.
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4. Messung der EMK und des inneren Widerstandes bei einem
Trockenelement
Gemessen werden nach folgender Schaltung Stromstärke und
Spannung einer 4,5 V Batterie bei Belastung durch eine
Serienschaltung aus einem 4,7 Ohm und einem veränderlichem
Widerstand (100 Ohm, 50 Watt). Dabei wird der Widerstand
solange verändert, bis die Spannung um max. 1V abgesunken ist.
Wir haben folgende Daten gemessen:
Ergebnis:
Stromstärke [A]
0,047
0,06
0,09
0,18
0,7
Spannung [V]
4,8
4,8
4,6
4,5
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Das folgende Diagramm zeigt den Verlauf von Spannung und
Stromstärke.
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