Energie und Leistung
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Experimente zu Energie und Leistung Referent: Dr. Hans Joachim Prinz 2007 Vorwort Elektrische Energie ist eine wichtige Energieform aus der Erfahrungswelt der Schüler. Daher kommt der Messung der Größen Leistung und Energie im Schulunterricht eine zentrale Bedeutung zu. Im Vortag werden mit dem Joule und Wattmeter verschiedene leicht durchführbare Experimente vorgeführt. Dazu gehören Untersuchungen z.B. zu Energiesparlampe, stand-by Schaltung, Energieumwandlungen am Motor-Generator und beim Kochen. Inhalt: 1. Elektrische Energie und Strahlung Glühlampe, Halogenlampe, Energiesparlampe, LED Solarzelle 2. Elektrische Energie und Wärme Erhitzen von Wasser Thermoelement 3. Elektrische und potentielle Energie Motor-Generator 4. Diverse Verbraucher Strahlungsphysikalische Größen Strahlung Größe Strahlstärke I Strahlungsleistung F Bestrahlungsstärke E Einheit W/sr W W/m² Lichttechnik Größe Lichtstärke I Lichtstrom F Beleuchtungsstärke E Einheit Cd lm lx D 3.4.6.4.a Elektrische Grundschaltungen Arbeit, Energie und Leistung Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Elektrische Leistung und Beleuchtungsstärke von Lampen Joule- und Wattmeter, Sensor-CASSY, Lux-Sensor Versuchsziele 1. Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Beleuchtungsstärke E und elektrischer Leistung P verschiedener Glühlampen. 2. Vergleich der elektrischen Leistung und der Beleuchtungsstärke von Glüh- und Energiesparlampe. Aufbau Geräte 1 Lampenfassung, E 27 ......................................... 451 17 1 Glühlampe, E 27, 40 W ....................................... 505 30 1 Glühlampe, E 27, 60 W ....................................... 505 301 1 Energiesparlampe, E 27, 11 W ........................... 505 3181 1 Wärmeschutzfilter................................................ 200 25 098 1 Halter mit Federklemme ...................................... 460 22 1 Durchscheinender Schirm ................................... 441 53 1 Lux-Sensor .......................................................... 666 243 1 Lux-Adapter S ..................................................... 524 0511 1 Sensor-CASSY USB ........................................... 524 010 USB 1 CASSY Lab ......................................................... 524 200 1 Joule- und Wattmeter .......................................... 531 831 1 Optische Bank, S1-Profil ..................................... 460 310 3 Optikreiter mit Muffe ............................................ 460 311 1 Sockel.................................................................. 300 11 Durchführung - In die Lampenfassung die Glühlampe 40 W einschrauben. - Am Joule- und Wattmeter Taste Output betätigen, so dass die rechte LED leuchtet. - Elektrische Leistung P ablesen. - Mit F9 die Messung der Beleuchtungsstärke E starten. Vorbereitung des Sensor-CASSY: - Im Fenster „Einstellungen Sensoreingang“ folgende Einstellungen vornehmen: Messgröße: Beleuchtungsstärke EA1 (Lux) Messbereich: 0-1000 lx Messwerterfassung: gemittelte Werte - Im Fenster „Messparameter“ manuelle Aufnahme anklicken. - Raum leicht abdunkeln und im Fenster „Einstellungen Sensoreingang“ den Nullpunkt des Lux-Sensors korrigieren. - Danach zur Aufnahme der Abstrahlcharakteristik die Glühlampe mehrfach um einen Winkel von ca. 60° drehen und jeweils mit der Taste F9 den dazugehörigen Messwert aufnehmen. - Im Auswertemodus für die gemessenen Beleuchtungsstärken den Mittelwert bilden. - Mit der Glühlampe 60 W und der Energiesparlampe ebenso verfahren. Messergebnisse Vorbereitung des Joule- und Wattmeters: - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Leistung in mW einstellen. - Gegebenfalls die Taste Output betätigen, bis die linke LED leuchtet (Steckdose spannungsfrei) - Netzstecker der Lampenfassung in die Schukosteckdose des Joule- und Wattmeters stecken. Hinweis zum Experimentieren mit der Energiesparlampe: Bei der Energiesparlampe ist eine Aufheizphase von ca.10 – 15 Minuten zu berücksichtigen. Um die Beobachter vor Blendung zu schützen können Glüh- oder Energiesparlampen vor Einschalten abgeschirmt werden. (Durchscheinender Schirm 441 53). Auswertung Die Beleuchtungsstärke E gibt an, wie groß der Lichtstrom einer Lichtquelle ist, der auf eine Fläche von 1 m² trifft. Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist das Lux (lx). KR 407 Die Beleuchtungsstärke E einer Glühlampe ist von ihrer Leistung P abhängig: Je größer die Leistung einer Glühlampe ist, desto größer ist ihre Beleuchtungsstärke. Energiesparlampen erreichen mit wesentlich geringeren Leistungen gleiche Beleuchtungsstärken wie Glühlampen. Im Versuchsbeispiel beträgt die Leistung der Energiesparlampe bei gleicher Beleuchtungsstärke nur 1/6 der Leistung der Glühlampe. LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved D 3.4.7.7.a Elektrische Grundschaltungen Umwandlung und Übertragung von Energie Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Leistungskennlinie einer Solarzelle Joule- und Wattmeter Versuchsziel 1. Untersuchung der Leistung einer Solarzelle in Abhängigkeit vom Lastwiderstand. 2. Vergleich des optimalen Lastwiderstandes mit dem Innenwiderstand der Solarzelle. Aufbau Geräte 1 Solarzelle ..................................................................... 664 431 1 Fotoleuchte, 1000 W .................................................... 450 70 1 Schiebewiderstand....................................................... 537 34 1 Joule- und Wattmeter................................................... 531 831 1 Großer Stativfuß .......................................................... 300 01 1 Stativstange, 100 mm .................................................. 300 40 1 Leybold Muffe .............................................................. 301 01 2 Paar Kabel, 100 cm...................................................... 501 46 Zusätzlich erforderlich: 1 PC mit Windows 98 SE oder höher Durchführung Vorbereitung des Joule- und Wattmeters zur Aufnahme der Leistungskennlinie: - Joule- und Wattmeter mit dem Computer verbinden. - Software CASSY Lab starten - Im Fenster „Einstellungen“ mit der linken Maustaste zur Aktivierung auf die 4 mm-Buchsen im Feld OUTPUT klicken. - Im Fenster „Einstellungen Sensoreingang“ folgende Einstellungen vornehmen: Messgröße: Spannung U; Messbereich: 0 V - 15 V Messwerterfassung: Momentanwerte; Nullpunkt: links - Mit der rechten Maustaste auf das Messinstrument „Strom I“ klicken. - Im Fenster „Einstellungen Sensoreingang“ folgende Einstellungen vornehmen: Messgröße: Stromstärke I; Messbereich: -0,5 A - 0,5 A Messwerterfassung: Momentanwerte; Nullpunkt: mitte - Im Fenster „Messparameter“ manuelle Aufnahme anklicken. - Die Fotoleuchte ca. 40 cm vor der Solarzelle aufstellen. - Den Lastwiderstand R1 auf 2 Ω einstellen (Messinstrument R im CASSY-Lab benutzen). - Zur Messwertaufnahme die Taste F9 drücken. - Den Lastwiderstand jeweils um 2 Ω erhöhen und die Messwerte für jeden Widerstand R1 speichern. - Den Lastwiderstand R1 bei maximaler Leistung der Solarzelle aus dem Diagramm ablesen. - Bei gleicher Beleuchtungsstärke die Leerlaufspannung U0 und die Kurzschlussstromstärke IK der Solarzelle messen und den Innenwiderstand Ri berechnen. Hinweis: Der Versuch kann erweitert werden, indem der optimale Lastwiderstand bei unterschiedlichen Beleuchtungsstärken der Solarzelle untersucht wird. Messergebnisse Da durch die Solarzelle Energie in das Joule- und Wattmeter eingespeist wird, haben Stromstärke, Widerstand und Leistung negatives Vorzeichen. Zur didaktischen Vereinfachung besteht die Möglichkeit, dieses Problem für die Schüler „unsichtbar“ zu machen: - Im Fenster „Einstellungen“ (Parametern/Formeln/FFT) als neue Größen den Widerstand R1 und die Leistung P1 einrichten. U - Den Widerstand als Formel aus − im Messbereich von I 0 Ω - 100 Ω und die Leistung als Formel aus – P im Messbereich von 0 W - 4 W berechnen lassen. - Im Fenster „Einstellungen“ (Darstellung) auf der x-Achse R1 und auf der y-Achse P1 einrichten. KR 411 Vorbereitung des Joule- und Wattmeters zur Messung von Leerlaufspannung und Kurzschlussstromstärke: - Die Solarzelle an die mit U bzw. I bezeichneten Buchsen anschließen. - Mit der Taste U, I, P die Messgrößen Spannung in mV bzw. Stromstärke in mA einstellen. U0 =11 V; IK = 0,38 A U 11V = 29 Ω Ri = 0 = 0,38 A IK R1 = 28 Ω Auswertung Die abgegebene Leistung P einer Solarzelle ist vom Lastwiderstand R abhängig. Die maximale Leistung wird erreicht, wenn der Lastwiderstand R etwa dem Innenwiderstand Ri der Solarzelle entspricht. Im Versuchsbeispiel beträgt die maximale Leistung ca. 2,9 W und wird bei einem Lastwiderstand von ca. 28 Ω erreicht. Der berechnete Innenwiderstand der Solarzelle beträgt ca. 29 Ω. LEYBOLD DIDACTIC GMBH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Hürth . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by Leybold Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved D 3.4.6.7.b Elektrische Grundschaltungen Arbeit, Energie und Leistung Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Elektrische Arbeit eines Tauchsieders Joule- und Wattmeter Versuchsziel 1. Bestimmung der zum Erwärmen von Wasser erforderlichen elektrischen Arbeit eines Tauchsieders mit einem Joule- und Wattmeter. Aufbau Einstellungen am Joule- und Wattmeter: - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Arbeit in mWs einstellen. - Gegebenenfalls die Taste RANGE betätigen, bis die rote LED (AUTO) leuchtet. - Die Taste t START/STOP betätigen, so dass rote LED leuchtet. - Gegebenenfalls die Taste (OUTPUT) betätigen, bis die linke LED leuchtet (Steckdose spannungsfrei) Geräte 1 Joule- und Wattmeter ........................................ 531 831 1 Rührthermometer .............................................. 382 21 1 Sicherheits-Tauchsieder .................................... 303 25 1 Becherglas, 2000 ml.......................................... 602 025 1 Wärmeschutzplatte............................................ 667 100 Durchführung - Netzstecker des Tauchsieders in die Schukosteckdose am Joule- und Wattmeter stecken. KR 407 - Wassertemperatur ϑ0 vom Thermometer ablesen. - Danach wieder den Taster OUTPUT betätigen. - Elektrische Arbeit W an der Digitalanzeige des Leistungs- und Energiemessers ablesen. Messbeispiel Temperatur ϑ0 in °C 17,4 Temperatur ϑ1 in °C 100 Elektrische Arbeit W in kWs 764 Elektrische Arbeit W in kWh 0,21 Auswertung Mit einem Joule- und Wattmeter kann die von einem Verbraucher verrichtete elektrische Arbeit gemessen werden. Die von einem Tauchsieder verrichtete elektrische Arbeit beim Erwärmen von 2 l Wasser bis zum Sieden ( ∆ϑ = 82,6 K ) beträgt im Versuchsbeispiel 0,21 kWh. - Den Taster OUTPUT betätigen, so dass die rechte LED leuchtet. - Digitalanzeige des Joule- und Wattmeters beobachten. - Wenn das Wasser siedet, mit der Taste t START/STOP die Messung beenden. LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved D 3.4.6.8.a Elektrische Grundschaltungen Arbeit, Energie und Leistung Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Elektrische Arbeit beim Kochen Joule- und Wattmeter, Heizplatte Versuchsziele 1. Untersuchung der elektrischen Arbeit beim Kochen von Wasser in einem Gefäß mit und ohne Deckel. 2. Untersuchung der elektrischen Arbeit beim Kochen von Wasser in Gefäßen unterschiedlicher Durchmesser. Aufbau - Kristallisierschale (∅ 190 mm) erneut mit kaltem Wasser füllen, mit der Wärmeschutzplatte abdecken und Messung wiederholen. - Danach die Messung mit der Kristallisierschale (∅ 140 mm) und aufgelegter Wärmeschutzplatte durchführen. Messergebnisse Gefäß Durchmesser d in mm Elektrische Arbeit W in kJ Kristallisierschale 190 691 Kristallisierschale mit Deckel 190 513 Kristallisierschale mit Deckel 140 701 Auswertung Einstellungen am Joule- und Wattmeter: - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Arbeit W in mWs einstellen. - Gegebenenfalls die Taste (RANGE) betätigen, bis die rote LED (AUTO) leuchtet. - Die Taste t START/STOP betätigen, so dass die rote LED nicht leuchtet. - Taste OUTPUT betätigen, bis die linke LED leuchtet (Steckdose spannungsfrei schalten). Geräte 1 Kristallisierschale, ∅ 190 mm .......................... 664 178 1 Kristallisierschale, ∅ 140 mm .......................... 664 177 1 Wärmeschutzplatte.......................................... 667 100 1 Natriumchlorid ................................................. 673 5700 1 Heizplatte ........................................................ 666 767 1 Arbeitshandschuhe.......................................... 663 609 1 Joule- und Wattmeter ...................................... 531 831 Beim Kochen kann Energie gespart werden, wenn der Durchmesser des Topfes etwa dem Durchmesser der Heizplatte entspricht und mit Deckel verwendet wird. Im Versuchsbeispiel beträgt die verrichtete elektrische Arbeit W bei Erwärmen von Wasser bis zum Sieden im optimalen Fall 513 kJ. Wird ein Gefäß ohne Deckel oder mit zu kleinem Durchmesser verwendet, muss bis zum Sieden des Wassers deutlich mehr elektrische Arbeit verrichtet werden (hier ca. 37 %). Hinweis: Für das Versuchsbeispiel kann zusätzlich die vom Wasser aufgenommene Wärme Q bestimmt werden: Q = c ⋅ m ⋅ ∆ϑ = 4,18 kJ ⋅ 0,5 kg ⋅ 80 K = 168 kJ kg ⋅ K Ein Vergleich der Wärme Q mit der verrichteten elektrischen Arbeit W zeigt, dass beim Kochen mit einer Heizplatte bei optimaler Wahl des Gefäßes nur etwa ein Drittel der elektrischen Energie in nutzbare thermische Energie umgewandelt wird. Die restliche Energie geht verloren und wird als Wärme an die Gefäßwände und die Umgebung abgegeben. Durchführung KR 407 - Heizplatte vor Versuchsbeginn ca. 1 min vorheizen (Heiz- stufe 6). Dazu die Taste OUTPUT betätigen, so dass die rechte LED leuchtet. - In die Kristallisierschale (∅ 190 mm) 0,5 l Wasser füllen. - Kristallisierschale auf die Heizplatte stellen und die Messung mit der Taste t START/STOP starten. - Wenn das Wasser siedet, Messung mit der Taste t START/STOP beenden und die Heizplatte mit der Taste OUTPUT abschalten. LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved D 3.4.7.1.c Elektrische Grundschaltungen Umwandlung und Übertragung von Energie Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Wirkungsgrad eines Gleichstrommotors Joule- und Wattmeter Versuchsziel Bestimmung des Wirkungsgrades eines Gleichstrommotors. Aufbau Geräte 1 Motor und Tachogenerator ........................ 579 43 1 Schnur ....................................................... 309 48 1 Gummistopfen, 1 Bohrung ......................... 667 265 1 Steckplattensegment ................................. 576 71 1 Taster, Schließer........................................ 579 10 1 Joule- und Wattmeter................................. 531 831 1 Metallmaßstab, 1 m ................................... 311 02 1 Einschalenwaage....................................... 315 07 1 Großer Stativfuß ........................................ 300 01 1 Stativstange, 150 cm ................................. 300 46 1 Muffenblock ............................................... 301 25 1 Paar Zeiger ................................................ 301 29 1 Netzgerät AC/DC, 0 - 12 V......................... 521 49 2 Experimentierkabel, 200 cm ...................... 501 36 2 Experimentierkabel, 100 cm ...................... 501 30 1 Experimentierkabel, 50 cm ........................ 501 26 Durchführung - Mit der Einschalenwaage die Masse des Laststückes bestimmen. - Den Zeiger 1 so an der Stativstange positionieren, dass er die untere Kante des Stopfens markiert. - Den Zeiger 2 in 1 m Abstand vom Zeiger 1 positionieren. - Messung durch Betätigen des Kippschalters am OUTPUT starten. - Wenn die untere Kante des Stopfens den Zeiger 2 durch- läuft Messung der elektrischen Arbeit mit Taste t START/STOP stoppen und mit Kippschalter Stromkreis am OUTPUT wieder unterbrechen. - Elektrische Arbeit W vom Joule- und Wattmeter ablesen und in die Tabelle eintragen. Messergebnisse g = 9,81 m s2 Elektrische Arbeit W in Ws Weg s in m Masse m in kg 0,51 1 0,027 KR 411 Auswertung Sicherheitshinweis: Da sich die Motorwelle nach dem Ausschalten weiterdreht (Motor ohne Getriebe), wird aus Sicherheitsgründen empfohlen als Laststück einen Gummistopfen zu verwenden. Vorbereitung des Joule- und Wattmeters: - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Spannung wählen. - An den INPUT eine Spannung von 1,5 V anlegen. - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Stromstärke wählen. - Mit der Taste RANGE den Messbereich 0,00 mA wählen. - Danach mit der Taste U, I, P die Messgröße elektrische Arbeit in mWs einstellen und bei geöffnetem Kippschalter am OUTPUT die Taste t START/STOP drücken. EEl = 0,51 Ws EMec = m ⋅ g ⋅ h = 0,027 kg ⋅ 9,81 η= m ⋅ 1 m = 0,13 Nm = 0,26 Ws s2 EMec 0,26 Ws = = 0,5 EEl 0,51 Ws Der Wirkungsgrad η des verwendeten Gleichstrommotors beträgt 0,5. D.h. nur die Hälfte der zugeführten elektrischen Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Der Rest wird in thermische Energie umgewandelt und vom Motor als Wärme abgegeben. LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved D 3.4.7.2.b Elektrische Grundschaltungen Umwandlung und Übertragung von Energie Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Wirkungsgrad eines Tachogenerators Joule- und Wattmeter Versuchsziel Bestimmung des Wirkungsgrades eines Tachogenerators. Aufbau Vorbereitung des Joule- und Wattmeters: - Mit dem Taster U, I, P die Messgröße elektrische Arbeit in mWs einstellen. Geräte 1 Motor und Tachogenerator........................................ 579 43 1 Schnur ....................................................................... 309 48 1 Gummistopfen, 1 Bohrung ........................................ 667 265 1 Widerstand, 10 Ω, STE 2/19 ..................................... 577 20 1 Joule- und Wattmeter ................................................ 531 831 1 Metallmaßstab, 1 m................................................... 311 02 1 Einschalenwaage ...................................................... 315 07 1 Großer Stativfuß........................................................ 300 01 1 Stativstange, 150 cm................................................. 300 461 1 Muffenblock ............................................................... 301 25 1 Paar Zeiger................................................................ 301 29 2 Experimentierkabel, 200 cm...................................... 501 36 Durchführung - Mit der Einschalenwaage die Masse des Laststückes bestimmen. - Die Zeiger im Abstand von 1 m an der Stativstange positionieren. - Gummistopfen fallen lassen und die Taste t START/STOP drücken, wenn die Unterkante des Stopfens den oberen Zeiger durchläuft. - Wenn die Unterkante des Stopfens den unteren Zeiger durchläuft, die Messung durch Drücken der Taste U, I, P stoppen. - Die elektrische Arbeit W vom Joule- und Wattmeter ablesen und in die Tabelle eintragen. Messergebnisse g = 9,81 m s2 Elektrische Arbeit W in Ws Weg s in m Masse m in kg 0,12 1 0,027 Auswertung EMec = m ⋅ g ⋅ h = 0,027 kg ⋅ 9,81 m ⋅ 1m = 0,26 Nm = 0,26 Ws s2 EEl = 0,12 Ws η= EEl 0,12 Ws = 0,46 = EMec 0,26 Ws Der Wirkungsgrad η des verwendeten Tachogenerators beträgt 0,46. D.h. nur etwa die Hälfte der mechanischen Energie wird in elektrischen Energie umgewandelt. KR 411 Der Rest wird in thermische Energie umgewandelt und als Wärme an die Umgebung abgegeben. LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved D 3.4.6.1.a Elektrische Grundschaltungen Arbeit, Energie und Leistung Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Elektrische Leistung verschiedener Verbraucher Joule- und Wattmeter Versuchsziel 1. Bestimmung der elektrischen Leistung verschiedener elektrischer Verbraucher. Aufbau Sicherheitshinweis: Tauchsieder nur im gefüllten Becherglas einschalten. Einstellungen am Joule- und Wattmeter: - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Leistung in mW einstellen. - Gegebenenfalls die Taste Output betätigen, so dass die linke LED leuchtet (Steckdose abgeschaltet). Messergebnisse Verbraucher Leistung P in W Tauchsieder 910 Heizplatte 1350 Glühlampe 59 Energiesparlampe 10 Geräte 1 Sicherheits-Tauchsieder ................................ 303 25 1 Heizplatte ...................................................... 666 767 1 Becherglas, 2000 ml...................................... 602 025 1 Lampenfassung, E 27.................................... 451 17 1 Glühlampe, E 27, 60 W ................................. 505 301 1 Energiesparlampe, E 27, 11 W...................... 505 3181 1 Sockel............................................................ 300 11 1 Fön ................................................................ 666 735 1 Joule- und Wattmeter .................................... 531 831 Durchführung - Den Netzstecker des Tauchsieders in die Schukosteckdose KR 407 des Joule- und Wattmeters stecken. - Mit der Taste OUTPUT den Tauchsieder einschalten (rech- te LED leuchtet). - Leistung vom Display ablesen und in die Tabelle eintragen. - Mit der Taste OUTPUT den Tauchsieder wieder ausschal- ten. - Die Messung mit den anderen Verbrauchern wiederholen. Stufe 1 475 Stufe 2 940 Fön Auswertung Die Leistung von Verbrauchern kann mit einem Joule- und Wattmeter gemessen werden. Im Versuchsbeispiel wurden folgende Ergebnisse ermittelt: Die Leistung der Heizplatte ist größer als die Leistung des Tauchsieders. Die Leistung der Glühlampe ist größer als die Leistung der Energiesparlampe. Die Leistung des Föns ist in Stufe 2 größer als die in Stufe 1. Der Fön, die Heizplatte und der Tauchsieder haben eine wesentlich größere Leistung als die Glühlampe. LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved 06/05-W97-Hund Gebrauchsanweisung 531 831 Joule- und Wattmeter (531 831) 1 Zahlenwertanzeige 2 Einheitenanzeige 3 Taster t START/STOP, mit Status-LED 4 Taster OUTPUT, mit zwei Status-LEDs 5 Steckdose 6 7 8 9 Ausgang, auf 4-mm-Sicherheitsbuchsen Eingang, auf 4-mm-Sicherheitsbuchsen USB-Port Taster RANGE, mit Status-LED 10 Taster U, I, P 1 Beschreibung Das Joule- und Wattmeter ist als universelles Multimeter mit Leistungsmesser für den Einsatz in Vorlesungen, im Demonstrationsunterricht und in Praktika konzipiert. Es hat eine große Leuchtziffernanzeige und bietet Anschlussmöglichkeiten für Verbraucher über 4-mm-Sicherheitsbuchsen oder eine auf der Frontseite eingebaute Steckdose. Der Leistungsbereich erstreckt sich über 12 Dekaden von nW bis kW. Das Gerät misst die Effektivspannung U, den Effektivstrom I und die Wirkleistung P bei Spannungen und Strömen beliebiger Kurvenform und bestimmt wahlweise die elektrische Arbeit W = ∫ P(t) dt, den Spannungsstoß Φ = ∫ U(t) dt oder die Ladung Q = ∫ I(t) dt. Bei Anschluss des Gerätes an einen Computer können zusätzlich die zeitaufgelösten Kurven U(t), I(t) und P(t) sowie die Scheinleistung und der Leistungsfaktor cos ϕ dargestellt und ausgewertet und die Verbraucher computergesteuert ein- und ausgeschaltet werden. Sicherheitshinweise Das Joule- und Wattmeter entspricht den Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte nach DIN EN 61010 Teil 1 und ist nach Schutzklasse I aufgebaut. Es ist für den Betrieb in trockenen Räumen vorgesehen, welche für elektrische Betriebsmittel oder Einrichtungen geeignet sind. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist der sichere Betrieb des Gerätes gewährleistet. Die Sicherheit ist jedoch nicht garantiert, wenn das Gerät unsachgemäß bedient oder unachtsam behandelt wird. Wenn anzunehmen ist, dass ein gefahrloser Betrieb nicht mehr möglich ist, ist das Gerät unverzüglich außer Betrieb zu setzen (z.B. bei sichtbaren Schäden). • Vor Erstinbetriebnahme überprüfen, ob der auf dem Leistungsschild (Gehäuse-Rückseite) aufgedruckte Wert für die Netzanschlussspannung mit dem ortsüblichen Wert übereinstimmt. • Vor Inbetriebnahme das Gehäuse auf Beschädigungen untersuchen. Bei Funktionsstörungen oder sichtbaren Schäden das Gerät außer Betrieb setzen und gegen unbeabsichtigten Betrieb sichern. • Gerät nur an Steckdosen mit geerdetem Nullleiter und Schutzleiter anschließen. • Gerät nicht mit Spannungen über 250 V und Strömen über 10 A beschalten. • Defekte Sicherung nur mit einer dem Originalwert entsprechenden Sicherung ersetzen. • Lüftungsschlitze am Gehäuse immer frei lassen, um ausreichende Luftzirkulation zu gewährleisten. • Gerät nur durch eine Elektrofachkraft öffnen lassen. Die eingebaute Steckdose auf der Frontseite kann berührungsgefährliche Spannung u.U. auch dann führen, wenn der Ausgang nicht aktiv ist. Das gilt auch für die 4-mm-Buchsen, wenn mit berührungsgefährlicher Spannung experimentiert wird. • An die Steckdose nur Geräte mit passenden Netzsteckern anschließen. • Beim Experimentieren mit berührungsgefährlichen Spannungen an den 4-mm-Buchsen nur (unbeschädigte) Sicherheitsexperimentierkabel verwenden. Gebrauchsanweisung 531 831 2 Seite 2/8 Technische Daten Messung der Spannung U (Anschluss an Steckdose): Messbereich AC: 250 V Auflösung: 0,1 V Messung der Ladung Q: Anzeigebereiche: ±10 mAs ±10 As ±10 Ah ±10 kAh Eingangswiderstand: 2 MΩ Messgenauigkeit: 1 % am Messbereichsende ±1000 µAs ±100 mAs ±1000 mAs ±100 As ±1000 As ±100 Ah ±1000 Ahs ±9999*** kAh Auflösung: Messung der Spannung U (Anschluss an 4-mm-Buchsen): Messbereiche DC: ±5 mV ±50 mV ±500 mV ±5 V ±50 V ±250 V Messbereiche AC *: ––– ––– 350 mV 3,5 V 35 V 250 V Auflösung: 0,001 mV 0,01 mV 0,1 mV 0,001 V 0,01 V 0,1 V Eingangswiderstand: ≥1 MΩ 0,001 mAs 0,001 As 0,001 Ah 0,001 kAh Messung der elektrischen Arbeit W: Anzeigebereiche: ±10 µWs ±10 mWs ±10 Ws ±10 kWs ±10 kWh ±100 µWs ±1000 µWs ±100 mWs ±1000 mWs ±100 Ws ±1000 Ws ±100 kWs ±1000 kWs ±9999 kWh*** Auflösung: 0,001 µWs 0,001 mWs 0,001 Ws 0,001 kWs 0,001 kWh 0,01 µWs 0,01 mWs 0,01 Ws 0,01 kWs Messung des Stromes I: ±200 µA ±200 mA Messbereiche AC *: 140 µA 140 mA Auflösung: 0,1 µA 0,1 mA ±2 mA ±2 A ±20 mA ±10 A 1,4 mA 1,4 A 14 mA, 10 A 0,001 mA 0,001 A 0,01 mA 0,01 A Eingangswiderstand: 10 Ω bis 20 mA ca. 0,01 Ω über 20 mA Messgenauigkeit **: 1 % am Messbereichsende Messung der Leistung P: Anzeigebereiche: ±10 µW ±10 mW ±10 W ±2,5 kW ±100 µW ±100 mW ±100 W ±1000 µW ±1000 mW ±1000 W 0,001 µW 0,01 µW 0,1 µW 0,001 mW 0,01 mW 0,1 mW 0,001 W 0,01 W 0,1 W 0,001 kW Der kleinste aktuell zur Verfügung stehende Messbereich hängt von den gewählten Strom- und Spannungsmessbereichen ab. Auflösung: Messung des Spannungsstoßes Φ: Anzeigebereiche: ±10 mVs ±100 mVs ±1000 mVs ±10 Vs ±100 Vs ±1000 Vs ±10 kVs ±100 kVs ±1000 kVs ±10 kVh ±9999 kVh*** Auflösung: 0,001 mVs 0,01 mVs 0,1 mVs 0,001 Vs 0,01 Vs 0,1 Vs 0,001 kVs 0,01 kVs 0,1 kVs 0,001 kVh Der kleinste aktuell zur Verfügung stehende Messbereich hängt vom gewählten Spannungsmessbereich ab. 0,1 µAs 0,1 mAs 0,1 As 0,1 Ah Der kleinste aktuell zur Verfügung stehende Messbereich hängt vom gewählten Strommessbereich ab. Messgenauigkeit **: 1 % am Messbereichsende Messbereiche DC: 0,01 mAs 0,01 As 0,01 Ah 0,1 µWs 0,1 mWs 0,1 Ws 0,1 kWs Der kleinste aktuell zur Verfügung stehende Messbereich hängt von den gewählten Strom- und Spannungsmessbereichen ab. Allgemeine Daten: Anschluss: wahlweise 4-mm-Sicherheitsbuchsen oder Steckdose (Frontseite) Zahlenwertanzeige: 5-stellige 7-Segment-Anzeige Einheitenanzeige: 7x15-Matrix Ziffernhöhe: 25 mm Messbereichswahl: automatisch oder manuell AC/DCUmschaltung: automatisch oder manuell Netzspannung: Sicherung: Abmessungen: Masse: siehe Leistungsschild auf der Gehäuserückseite siehe Sicherungsschild auf der Gehäuserückseite 20 cm x 21 cm x 23 cm ca. 2 kg Weitere Daten: Abtastrate: max. 10.000 Werte/s (für Kurvenformmessung am Computer) Messwertspeicher: je 16.000 Werte für U und I (für Kurvenformmessung am Computer) USB 1.x und 2.0 (full speed), galvanisch getrennt http://www.leybold-didactic.com/software/ cassy-s.html USB-Port: DeveloperInformation: * bei sinusförmigen Eingangssignalen ** für DC sowie für AC (50 oder 60 Hz) und Crestfaktor ≤ 2 (Crestfaktor = Scheitelwert / Effektivwert) *** nur durch automatische Messbereichswahl erreichbar Seite 3/8 3 Lieferumfang Gebrauchsanweisung 531 831 4-mm-Buchsen 1 Joule- und Wattmeter 1 Software CASSY Lab für Windows 98/ Me/ 2000/ XP oder höher, mit ausführlicher Hilfe (ohne Freischaltcode, für Joule- und Wattmeter unbeschränkt nutzbar) ermöglichen die Einspeisung von elektrischer Leistung (U ≤ 250 V, I ≤ 10 A) und den Anschluss eines Verbrauchers zur Messung der elektrischen Daten. 1 USB-Kabel 5 Bedienung (ohne Computeranschluss) 5.1 Messung der Spannung (Anschluss an die 4-mm-Buchsen): 4 Kurzanleitung Taster U, I, P schaltet zyklisch von der Anzeige einer Messgröße (angezeigt durch die Messeinheit) zur nächsten. Voreingestellt ist die Auswahlliste „Spannung (V), Strom (A), Leistung (W), elektrische Arbeit (Ws)“. Mit der Tasterkombination U, I, P und t START/STOP kann anstelle der elektrischen Arbeit der Spannungsstoß (Vs) oder die Ladung (As) in die Auswahlliste aufgenommen werden. Taster RANGE schaltet zyklisch von einem Messbereich zum nächsten bzw. schaltet die automatische Messbereichswahl ein (Status-LED AUTO leuchtet). Wird der gewählte Messbereich überschritten, so schaltet das Gerät in jedem Fall automatisch zum größeren Messbereich um. Eine automatische Umschaltung zu kleineren Messbereichen erfolgt jedoch nur bei eingeschalteter automatischer Messbereichswahl. Die Umschaltung zwischen DC- und AC-Messbereichen geschieht normalerweise automatisch. Mit der Tasterkombination U, I, P und RANGE kann manuell zwischen Gleich- und Wechselstrommessbereichen umgeschaltet werden. Taster t START/STOP startet und stoppt die Integration zur Bestimmung der elektrische Arbeit, des Spannungsstoßes oder der Ladung. Taster OUTPUT schaltet zwischen der Anschlussmöglichkeit über die 4-mmSicherheitsbuchsen oder die eingebaute Steckdose hin und her. Der aktuellen Zustand wird mit Status-LEDs angezeigt. Beim Umschalten wird auch kurzzeitig der Stromnullpunkt des Jouleund Wattmeters neu kalibriert. Eingebaute Steckdose ermöglicht den Anschluss eines handelsüblichen Verbrauchers (I ≤ 10 A) zur Messung der elektrischen Daten. Die Einspeisung von elektrischer Leistung ist nicht erlaubt. Messungen an Spannungsquellen sind nur bei Anschluss an die 4-mm-Buchsen möglich. - Ggf. Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der 4-mm-Buchsen einzuschalten. - 4-mm-Eingangsbuchsen beschalten. - Mit Taster U, I, P in der Einheitenanzeige die Einheit mV oder V auswählen. - Mit Taster RANGE die automatische Messbereichswahl einschalten (LED AUTO leuchtet) oder einen geeigneten Messbereich wählen. Hinweis zu Gleich- und Wechselspannung: AC-Messbereiche werden durch das zusätzliche Symbol „~“ in der Einheitenanzeige dargestellt. Bei ungeglätteter Gleichspannung werden AC-Messbereiche eingeschaltet und Effektivwerte angezeigt. Hinweis zur Wahl der Messbereiche: Wird der gewählte Messbereich überschritten, so wird in jedem Fall automatisch der nächstgrößere Messbereich eingeschaltet. Eine automatische Umschaltung zu kleineren Messbereichen erfolgt nur bei eingeschalteter automatischer Bereichswahl (Autorange). Hinweis zur Genauigkeit: Bei unbeschalteten Eingangsbuchsen hängt der angezeigte Messwert von äußeren Umgebungseinflüssen ab und ist daher nicht aussagekräftig. Anwendungsbeispiel: Im empfindlichsten Messbereich (±5 mV, DC) kann man problemlos die Spannungen eines Thermoelements messen. Allerdings treten Thermospannungen auch bei kleinen Temperatur- Gebrauchsanweisung 531 831 unterschieden im Gerät selbst auf, die dann zu einem kleinen Offset führen können. Seite 4/8 5.3 Messung der Leistung (Anschluss an die 4-mm-Buchsen): 5.2 Messung der Stromstärke (Anschluss an die 4-mm-Buchsen): - Ggf. Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der 4-mm-Buchsen einzuschalten. - Ggf. Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der 4-mm-Buchsen einzuschalten. - Obere 4-mm-Eingangs- und obere 4-mm-Ausgangsbuchse beschalten. - Mit Taster U, I, P in der Einheitenanzeige die Einheit µA, mA oder A auswählen. - Mit Taster RANGE die automatische Messbereichswahl einschalten (LED AUTO leuchtet) oder einen geeigneten Messbereich wählen. Hinweis zu Gleich- und Wechselstrom: AC-Messbereiche werden durch das zusätzliche Symbol „~“ in der Einheitenanzeige dargestellt. Hinweis zur Wahl der Messbereiche: Wird der gewählte Messbereich überschritten, so wird in jedem Fall automatisch der nächstgrößere Messbereich eingeschaltet. Eine automatische Umschaltung zu kleineren Messbereichen erfolgt nur bei eingeschalteter automatischer Bereichswahl (Autorange). Hinweis zur Überstromfestigkeit: Die Strommessung ist geschützt bis 10 A. Zur Messung der aufgenommenen Leistung eines Verbrauchers: - Versorgungsspannung an 4-mm-Eingangsbuchsen und Verbraucher an 4-mm-Ausgangsbuchsen anschließen. Zur Messung der abgegebenen Leistung einer Spannungsquelle (z.B. Generator, Solarzelle): - Spannungsquelle an 4-mm-Ausgangsbuchsen und Verbraucher (Last) an 4-mm-Eingangsbuchsen anschließen. - Mit Taster U, I, P in der Einheitenanzeige die Einheit µW, mW, W oder kW auswählen. Hinweis zu den Messgrößen: Die angezeigte Leistung ist die Wirkleistung, d.h. bei Wechselspannungen wird die Phasenverschiebung zwischen U und I berücksichtigt. In die Ausgangsbuchsen eingespeiste Leistung wird negativ angezeigt. Die angezeigte Spannung U entspricht der Spannung an den Ausgangsbuchsen (bei einem Stromfluss I durch das Messgerät wird der Spannungsabfall ∆U = RShunt ⋅ I berücksichtigt). Hinweis zur Wahl der Anzeigebereiche: Wird der gewählte Anzeigebereich überschritten, so wird in jedem Fall automatisch der nächstgrößere Anzeigebereich eingeschaltet. Hinweis zur Genauigkeit: Bei Wechselströmen können Kabelkapazitäten innerhalb und außerhalb des Geräts für einen kleinen, aber messbaren Blindstrom im µA-Bereich sorgen. Hinweis zur Genauigkeit: Bei Wechselspannungen können Kabelkapazitäten innerhalb und außerhalb des Geräts für einen kleinen Blindstrom im µABereich sorgen. Ohmsche Verluste dieses Blindstrom im Kabel verursachen u.U. eine kleine aber messbare Wirkleistung im µW- oder mW-Bereich. Anwendungsbeispiele: Leistung eines Thermoelements; Leistung einer Solarzelle, einer Brennstoffzelle, eines galvanischen Elements; Leistungsanpassung und Wirkungsgrad am Transformator; Leistung von Motor und Generator Seite 5/8 5.4 Messung der elektrischen Arbeit (Anschluss an die 4-mm-Buchsen): Gebrauchsanweisung 531 831 Anwendungsbeispiel: Wechselstromzähler; elektrische Arbeit einer Brennstoffzelle, eines galvanischen Elements; Energieinhalt eines Kondensators 5.5 Messung des Spannungsstoßes (Anschluss an die 4-mm-Buchsen): - Ggf. Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der 4-mm-Buchsen einzuschalten. Zur Messung der aufgenommenen elektrischen Arbeit eines Verbrauchers: - Versorgungsspannung an 4-mm-Eingangsbuchsen und Verbraucher an 4-mm-Ausgangsbuchsen anschließen. Zur Messung der abgegebenen elektrischen Arbeit einer Spannungsquelle (z.B. Generator, Solarzelle): - Spannungsquelle an 4-mm-Ausgangsbuchsen und Verbraucher (Last) an 4-mm-Eingangsbuchsen anschließen. - Einen geeigneten Spannungsmessbereich und einen geeigneten Strommessbereich wählen (siehe 5.1 und 5.2). - Mit Taster U, I, P in der Einheitenanzeige die Einheit mWs, Ws, kWs oder kWh auswählen. Falls beim Weiterblättern mit Taster U, I, P keine dieser Einheiten wählbar ist, können sie durch gleichzeitiges Drücken der Taster U, I, P und Taster t START/STOP in die Auswahlliste aufgenommen werden. - Mit Taster t START/STOP die Integration starten. - Nach Ablauf der gewünschten Messzeit t mit dem Taster t START/STOP die Integration stoppen. Hinweis zur physikalischen Größe elektrische Arbeit: Die bis zum Ablauf der Messzeit t verrichtete elektrische Arbeit W ist das Zeitintegral über die Leistung P: - Ggf. Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der 4-mm-Buchsen einzuschalten. - 4-mm-Eingangsbuchsen beschalten. - Einen geeigneten Spannungsmessbereich wählen (siehe 5.1). - Durch gleichzeitiges Drücken der Taster U, I, P und Taster t START/STOP in der Einheitenanzeige die Einheit mVs, Vs, kVs oder kVh auswählen. Nun erscheint der Spannungsstoß anstelle der elektrischen Arbeit in der Auswahlliste des Tasters U, I, P . - Mit Taster t START/STOP die Integration starten. - Nach Ablauf der gewünschten Messzeit t mit dem Taster t START/STOP die Integration stoppen. Hinweis zur physikalischen Größe Spannungsstoß: Der Spannungsstoß Φ nach Ablauf der Messzeit t ist das Zeitintegral über die Spannung U: t Φ (t ) = ∫ U (t ' ) dt ' 0 t W (t ) = ∫ P (t ' ) dt ' 0 Hinweis zur Genauigkeit: Bei der Integration sehr kleiner Messgrößen können ihre Messfehler (z.B. Offsetfehler und Rundungsfehler) das Ergebnis verfälschen. Hinweis zu den Strom- und Spannungs-Messbereichen: Während eines automatischen Umschaltvorganges bei Überoder Unterschreiten eines Messbereiches wird das Integral kurzzeitig nicht korrekt berechnet. Vor einer nur wenige Sekunden dauernden Integration sollten daher geeignete Messbereiche für Strom und Spannung ausgewählt werden. Hinweis zur Genauigkeit: Bei der Integration sehr kleiner Messgrößen können ihre Messfehler (z.B. Offsetfehler und Rundungsfehler) das Ergebnis verfälschen. Hinweis zu den Spannungs-Messbereichen: Während eines automatischen Umschaltvorganges bei Überoder Unterschreiten eines Messbereiches wird das Integral kurzzeitig nicht korrekt berechnet. Vor einer nur wenige Sekunden dauernden Integration sollte daher ein geeigneter Messbereich für die Spannung ausgewählt werden. Gebrauchsanweisung 531 831 Seite 6/8 Anwendungsbeispiel: Faradaysches Induktionsgesetz: Beim Eintauchen eines Permanentmagneten in eine Spule misst man den Spannungsstoß ∆Φ, beim Wiederherausziehen den Spannungsstoß −∆Φ. Anwendungsbeispiel: Bestimmung der Faradayschen Konstante durch Messung der Gasentwicklung bei einer Elektrolyse und der dazu benötigten Ladung Q, Bestimmung der Ladung auf einem Kondensator. 5.6 Messung der Ladung (Anschluss an die 4-mm-Buchsen): 5.7 Messung der Spannung (Anschluss an die eingebaute Steckdose): - Ggf. Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der 4-mm-Buchsen einzuschalten. - Obere 4-mm-Eingangs- und obere 4-mm-Ausgangsbuchse beschalten. - Einen geeigneten Strommessbereich wählen (siehe 5.2). - Evtl. Verbraucher an die eingebaute Steckdose anschließen. - Taster OUTPUT drücken, um die Status-LED der eingebauten Steckdose einzuschalten. - Durch gleichzeitiges Drücken der Taster U, I, P und Taster t START/STOP in der Einheitenanzeige die Einheit mAs, As, Ah oder kAh auswählen. Nun erscheint die Ladung anstelle der elektrischen Arbeit in der Auswahlliste des Tasters U, I, P . - Mit Taster t START/STOP die Integration starten. - Nach Ablauf der gewünschten Messzeit t mit dem Taster t START/STOP die Integration stoppen. Hinweis zur physikalischen Größe Ladung: Die bis zum Ablauf der Messzeit t geflossene Ladung Q ist das Zeitintegral über die Stromstärke I: t Q (t ) = ∫ I (t ' ) dt ' 0 Hinweis zur Genauigkeit: Bei der Integration sehr kleiner Messgrößen können ihre Messfehler (z.B. Offsetfehler und Rundungsfehler) das Ergebnis verfälschen. Hinweis zu den Strom-Messbereichen: Während eines automatischen Umschaltvorganges bei Überoder Unterschreiten eines Messbereiches wird das Integral kurzzeitig nicht korrekt berechnet. Vor einer nur wenige Sekunden dauernden Integration sollte daher ein geeigneter Messbereiche für die Stromstärke ausgewählt werden. - Mit Taster U, I, P in der Einheitenanzeige die Einheit V auswählen (der AC-Messbereich wird durch das zusätzliche Symbol „~“ in der Einheitenanzeige dargestellt). Angezeigt wird die Spannung U an der eingebauten Steckdose, also bei angeschlossenem Verbraucher die Spannung am Verbraucher, da bei einem Stromfluss I um den Spannungsabfall ∆U = RShunt ⋅ I korrigiert wird. 02/05-W97-Hund Gebrauchsanweisung 531 835 Universelles Messinstrument Physik (531 835) Sicherheitshinweise Das Universelle Messinstrument Physik entspricht den Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte nach DIN EN 61010 Teil 1 und ist nach Schutzklasse I aufgebaut. Es ist für den Betrieb in trockenen Räumen vorgesehen, welche für elektrische Betriebsmittel oder Einrichtungen geeignet sind. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist der sichere Betrieb des Gerätes gewährleistet. Die Sicherheit ist jedoch nicht garantiert, wenn das Gerät unsachgemäß bedient oder unachtsam behandelt wird. Wenn anzunehmen ist, dass ein gefahrloser Betrieb nicht mehr möglich ist, ist das Gerät unverzüglich außer Betrieb zu setzen (z.B. bei sichtbaren Schäden). • Vor Erstinbetriebnahme überprüfen, ob der auf dem Leistungsschild (Gehäuse-Rückseite) aufgedruckte Wert für die Netzanschlussspannung mit dem ortsüblichen Wert übereinstimmt. • Vor Inbetriebnahme das Gehäuse auf Beschädigungen untersuchen. Bei Funktionsstörungen oder sichtbaren Schäden das Gerät außer Betrieb setzen und gegen unbeabsichtigten Betrieb sichern. • Gerät nur an Steckdosen mit geerdetem Nullleiter und Schutzleiter anschließen. • Defekte Sicherung nur mit einer dem Originalwert entsprechenden Sicherung ersetzen. • Lüftungsschlitze am Gehäuse immer frei lassen, um ausreichende Luftzirkulation zu gewährleisten. • Gerät nur durch eine Elektrofachkraft öffnen lassen. 1 2 Zahlenwertanzeige Einheitenanzeige 3 4 5 6 7 Taster →0← USB-Port Sensoreingang Taster RANGE, mit Status-LED Taster QUANTITY 1 Beschreibung Das Universelle Messinstrument Physik (UMI P) ist für den Einsatz in Vorlesungen, im Demonstrationsunterricht und in Praktika konzipiert. Es hat eine große Leuchtziffernanzeige und bietet eine Anschlussmöglichkeit für zahlreiche Sensoren S zur Messung von Kräften, Drücken, Temperaturen, elektrischen Feldstärken, magnetischen Flussdichten, Entfernungen, Lichtlaufzeiten, Zählraten radioaktiver Zerfälle, Spannungen oder Strömen. Bei Anschluss des Gerätes an einen Computer können zusätzlich die zeitaufgelösten Messkurven dargestellt und ausgewertet werden. Messgröße Kraft Kraft Kraft Relativdruck Relativdruck Absolutdruck Temperatur Temperatur, Temperaturdifferenz Elektrische Feldstärke Magnetische Flussdichte Magnetische Flussdichte Magnetische Flussdichte Entfernung, Lichtlaufzeit Zählrate, Impulse Spannung, Strom Geeigneter Sensor S Kraftsensor S, ±50 N (524 042) Kraftsensor S, ±1 N (524 060) Fliehkraftgerät S (524 068) Drucksensor S, ±2000 hPa (524 064) Drucksensor S, ±70 hPa (524 066) Absolutdrucksensor S, 1500 hPa (524065) Temperatursensor S, NTC (524 044) NiCr-Ni-Adapter S (524 0673) mit Sensor Elektrofeldmeter S (524 080) Kombi B-Sonde S (524 0381) Axiale B-Sonde S, ±1000 mT (524 0382) Axiale B-Sonde S, ±0,3 mT (524 0383) Laser-Bewegungssensor S (524 073) GM-Zählrohr S (524 0331) UI-Sensor S (524 062) Gebrauchsanweisung 531 835 2 Seite 2/2 Bedienung Sensoreingang (SubD15-Buchse) dient zum Anschluss eines geeigneten Sensors S. Der angeschlossene Sensor wird vom Gerät automatisch erkannt und der aktuelle Messwert automatisch dargestellt. Ist noch kein Sensor aufgesteckt, stellt das Gerät den offenen Sensoreingang in der Einheitenanzeige dar. 4 1 1 1 5 Lieferumfang Universelles Messinstrument Physik Software CASSY Lab für Windows 98/ Me/ 2000/ XP oder höher, mit ausführlicher Hilfe (ohne Freischaltcode, für Universelles Messinstrument Physik unbeschränkt nutzbar) USB-Kabel Betrieb am PC 5.1 Hard- und Softwareinstallation Die Installation der Hard- und Software setzt einen ordnungsgemäß konfigurierten Computer mit dem Betriebssystem Windows 98/Me/2000/XP oder höher voraus. Taster RANGE schaltet zyklisch von einem Messbereich zum nächsten bzw. schaltet die automatische Messbereichswahl ein (Status-LED AUTO leuchtet). Taster QUANTITY schaltet zyklisch von der Anzeige einer Messgröße (angezeigt durch die Messeinheit) zur nächsten. Spannung, Strom und magnetische Flussdichte können auch auf Effektivwerte (angezeigt durch „~“) umgeschaltet werden. Taster →0← ← setzt zur Nullpunktkalibrierung den aktuellen Messwert auf Null. Bei der Effektivwertmessung der magnetischen Flussdichte wird nur der Gleichanteil kompensiert. 3 Technische Daten Messgröße(n): siehe Gebrauchsanweisung des jeweiligen Sensors S Messbereich(e): siehe Gebrauchsanweisung des jeweiligen Sensors S Messbereichswahl: automatisch oder manuell Zahlenwertanzeige: 5-stellige 7-Segment-Anzeige Einheitenanzeige: 7x15-Matrix Ziffernhöhe: 25 mm Netzspannung: siehe Leistungsschild auf der Gehäuserückseite Sicherung: siehe Sicherungsschild auf der Gehäuserückseite Abmessungen: 20 cm x 21 cm x 23 cm Masse: ca. 2 kg Abtastrate: max. 10.000 Werte/s (für Kurvenformmessung am Computer) Messwertspeicher: 16.000 Werte (für Kurvenformmessung am Computer) USB-Port: kompatibel zu USB 1.x und 2.0 (full speed, galvanisch getrennt) Developerhttp://www.ld-didactic.com/software/ Information: cassy-s.html Zur Hardwareinstallation: - UMI P mittels USB-Kabel an Computer anschließen. Beim ersten Anschluss des UMI P am Computer wird das Gerät vom Betriebssystem automatisch erkannt und die notwendigen Treiber werden installiert. Unter Windows 98 muss die Treiberinstallation noch manuell bestätigt werden: - Erscheinende Dialogfenster mit „Weiter“ bestätigen und schließlich die Windows-Installations-CD bereitstellen. Zur Softwareinstallation: - CD mit Software CASSY Lab einlegen. - Programm START.EXE aufrufen. - gewünschte Sprache auswählen. Während der Installation wird nach einem Freischaltcode gefragt. Dessen Eingabe ist für das UMI P nicht erforderlich. Nach der Installation befindet sich die Software CASSY Lab im Startmenü unter "Programme" → "CASSY Lab". CASSY Lab enthält eine ausführliche Hilfe zu allen seinen Funktionen. Zum Kennenlernen des Programms ist es ratsam, diese Hilfe nach dem Start der Programme mit F1 aufzurufen oder das auf der CD-ROM enthaltene Handbuch zu lesen. CASSY Lab kann später in der Systemsteuerung unter "Software" wieder deinstalliert werden. Eventuelle Updates der Software (Erweiterungen, Fehlerkorrekturen) sind kostenlos auf unserem Internet-Server http://www.ld-didactic.com/software/cassy-s.html erhältlich. Dort ist auch die Developer Information (inkl. Source-Code) zu finden, mit der eigene Software zu dem Universellen Messinstrument Physik erstellt werden kann. 5.2 Betrieb des UMI P am Computer Wenn das angeschlossene UMI P beim Start von CASSY Lab erkannt wurde, wird eine Grafik mit dem UMI P angezeigt. Nach Anklicken des Eingangs wird dieser eingeschaltet. Die Messgrößen, Messbereiche und die Nullpunktkalibrierung werden in einem Einstellungsfenster von CASSY Lab vorgegeben. Die aktuell am UMI P angezeigte Messgröße kann mit der Taste QUANTITY ausgewählt werden. Die beiden anderen Tasten des UMI P sind unwirksam. LD DIDACTIC GMBH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Hürth . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved D 2.2.1.4.a Thermische Energie Änderung der thermischen Energie Spezifische Wärmekapazität von Wasser Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Universelles Messinstrument Physik Versuchsziel 1. Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität von Wasser. Aufbau Einstellungen am Joule- und Wattmeter: - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Arbeit in 0,0 kWs einstellen. - Die Taste t START/STOP betätigen, so dass die rote LED leuchtet. - Gegebenfalls die Taste OUTPUT betätigen, so dass die linke LED leuchtet (Steckdose spannungsfrei). - 0,8 kg Wasser in den Messbecher füllen. Messbeispiel ϑ0 = 26,2°C , m = 0,8 kg ∆E in kJ ϑ in °C ∆ϑ in K 11,1 29,6 3,4 c in kJ kg ⋅ K 4,1 Auswertung Geräte 1 Temperatursensor S.........................................524 044 1 Universelles Messinstrument Physik .................531 835 1 Sicherheits-Tauchsieder, 1000 W .....................303 25 1 Kunststoffbecher ..............................................590 06 1 Joule- und Wattmeter .......................................531 831 1 Kleiner Stativfuß...............................................300 02 1 Stativstange, 250 mm.......................................300 41 1 Universalklemme..............................................666 555 1 Leybold-Muffe ..................................................301 01 Durchführung Die spezifische Wärmekapazität c gibt an, wie viel thermische Energie einem Körper aus einem bestimmten Stoff mit der Masse von 1 kg zugeführt werden muss, damit sich seine Temperatur um 1 K erhöht. Die spezifische Wärmekapazität kann mit Hilfe der Formel kJ ∆E berechnet werden und wird in der Einheit c= kg ⋅ K m ⋅ ∆ϑ angegeben. Die Wärmekapazität von Wasser beträgt im Versuchsbeispiel kJ kJ ca. 4,1 .Der Tabellenwert beträgt 4,19 . kg ⋅ K kg ⋅ K - Die Temperatur ϑ0 des Wassers bestimmen. - Am Joule- und Wattmeter die Taste OUTPUT betätigen, so Hinweis: - Die Messung kann mit anderen Flüssigkeiten wiederholt werden (siehe Tabelle). - KR 506 - dass die rechte LED leuchtet. Abwarten, bis der Tauchsieder eine elektrische Arbeit von ca. 10 kWs verrichtet hat. Danach am Joule- und Wattmeter die Taste OUTPUT betätigen, so dass die linke LED leuchtet. Das Wasser im Messbecher mit dem Tauchsieder kurz umrühren. Wenn sich eine konstante Temperatur eingestellt hat, Temperatur ϑ vom Universellen Messinstrument P ablesen und in die Tabelle eintragen. - Die Temperaturerhöhung Flüssigkeit Spezifische Wärmekapazität c in Spiritus 2,43 Pflanzenöl 1,97 Milch 3,90 kJ kg ⋅ K ∆ϑ des Wassers und die ∆E ) berechnen. spezifische Wärmekapazität ( c = m ⋅ ∆ϑ LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of Germany Technical alterations reserved D 3.4.5.1.b Elektrische Grundschaltungen Kondensatoren Laden und Entladen eines Kondensators Demonstrationsversuche Physik Sekundarstufe 1 Joule- und Wattmeter Versuchsziel 1. Demonstration des Lade- und Entladevorganges am Kondensator Aufbau Vorbereitung des Joule- und Wattmeters zur Strom-, Spannungsund Ladungsmessung: - - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Spannung wählen und mit der Taste RANGE einen Messbereich von 0,00 V wählen. - Mit der Taste U, I, P die Messgröße Stromstärke einstellen. Mit der Taste RANGE den Messbereich 0,000 mA wählen. - Durch Drücken der Tasten t START/STOP und U, I, P die Messgröße Ladung auswählen. - Mit der Taste RANGE einen Messbereich von 0,0 mAs wählen. - Geräte 1 Kondensator 470 µF, BST .......................................... 539 030 1 Kondensator 100 µF, BST .......................................... 539 029 1 Widerstand 1 kΩ, BST ................................................ 539 011 1 Widerstand 4,7 kΩ, BST ............................................. 539 012 1 Umschalter, BST ......................................................... 539 026 2 Leiterbausteine, BST, gerade ..................................... 539 001 1 Leiterbaustein, BST, gerade, 2 Buchsen .................... 539 003 2 Leiterbausteine, BST, 90°-Ecke.................................. 539 004 1 Leiterbaustein, BST, T-Abzweigung mit Buchse......... 539 007 10 Brückenstecker, BST .................................................. 539 000 1 Joule- und Wattmeter.................................................. 531 831 1 Netzgerät, 12 V, DC, 230 V ........................................ 521 49 5 Sicherheits-Experimentierkabel, 100 cm .................... 500 644 1 Demo-Experimentier-Rahmen .................................... 301 300 1 Magnet-Hafttafel.......................................................... 301 301 Durchführung KR 411 - Schaltung zunächst mit dem Kondensator 470 µF aufbauen. Umschalter in Schalterstellung 1 bringen. Im ausgeschalteten Zustand am Netzgerät eine Spannung von ca. 12 V einstellen. Mit der Taste t START/STOP die Ladungsmessung aktivieren. Netzgerät einschalten und Messwertanzeige am Joule- und Wattmeter beobachten. Wenn der Kondensator vollständig aufgeladen ist, Ladung ablesen und in die Tabelle eintragen. Danach Umschalter in Schalterstellung 2 bringen und wiederum die Messwertanzeige beobachten. - Wenn der Kondensator vollständig entladen ist, Messwert ablesen und in die Tabelle eintragen. Kondensator 470 µF gegen Kondensator 100 µF (539 029) auswechseln und Messung wiederholen. Den Versuch mit dem Kondensator 470 µF wiederholen, jedoch statt der Ladung die Änderung der Spannung beobachten. Beobachtung und Messbeispiel Kapazität C in µF Laden Entladen Laden Entladen 470 100 Ladung Q in mAs 5,9 0 1,5 0 Ladevorgang: Spannung steigt bis zu einem Maximalwert an, UMAX = 12 V. Entladevorgang: Spannung geht auf Null zurück. Auswertung Befindet sich der Umschalter in Schalterstellung 1, ist der Ladestromkreis des Kondensators geschlossen. Es fließen Elektronen von der Spannungsquelle auf die am negativen Pol angeschlossene Kondensatorplatte. Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, fließen von der gegenüberliegenden Kondensatorplatte genauso viele Ladungsträger zurück zum positiven Pol der Spannungsquelle. Zwischen den Kondensatorplatten bildet sich eine Spannung aus. Sobald die Spannung zwischen den Kondensatorplatten genauso groß wie die Spannung am Netzgerät ist, ist die maximale Ladung Q im Kondensators erreicht. Im Versuchsbeispiel beträgt die maximale Ladung für den 470-µFKondensator 5,9 mAs und für den 100-µF-Kondensator 1,5 mAs. Nach Umschalten in Schalterstellung 2 wird der Ladestromkreis des Kondensators geöffnet und der Entladestromkreis geschlossen. Es findet ein Ladungsträgeraustausch der Kondensatorplatten über den Entladewiderstand statt. Nach dem Entladen beträgt die Ladung der Kondensatoren 0 mAs LD Didactic GmbH . Leyboldstrasse 1 . D-50354 Huerth / Germany . Phone (02233) 604-0 . Fax (02233) 604-222 . e-mail: [email protected] by LD Didactic GmbH Printed in the Federal Republic of German Technical alterations reserved www.ld-didactic.com Besuchen Sie die Website der LD Didactic GmbH. Hier finden Sie aktuelle Angebote und ausführliche Informationen zu unseren Produkten. Unser Online-Center hilft Ihnen bei technischen Fragen. ++ 49 (0) 2233 – 604 - 0 LD Didactic GmbH Leyboldstraße 1 D – 50354 Hürth - Deutschland ++ 49 (0) 2233 – 604 - 222 [email protected] www.ld-didactic.com
