Allgemeine Anmerkungen zur Organisation

Allgemeine Anmerkungen zur Organisation
• Betreuung :
Assistenten
:
Dr. Marcus Iberler / Prof. Dr. Jacoby
Anschrift: Max von Laue-Str. 1
60438 Frankfurt am Main
Raum:
Zi. 2.328
Telefon: 069/798-47418
Fax:
069/798-47407
E-Mail:
[email protected]
Jannet Schmidt
Max von Laue Str. 1
60438 Frankfurt am Main
Johannes Schwenk
Anschrift: Max von Laue-Str. 1
60438 Frankfurt am Main
Raum: Zi.
Telefon: 069/798-47428
Fax:069/798-47407
E-Mail: [email protected]
Alexander Mayr
Anschrift: Max von Laue-Str. 1
60438 Frankfurt am Main
Raum: Zi. 2.316
Telefon: 069/798-47428
Fax:069/798-47407
E-Mail: [email protected]
Institut für Angewandte Physik (IAP), J.W.Goethe-Universität Frankfurt
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Allgemeine Anmerkung zur Organisation
• Praktikumsanleitung kann „erworben“ werden für 0 €
• Eintrag in die Listen mit Studentenausweis o. Ä
• Wenn möglich E-mail-Adresse angeben
• Unterschrift für Sicherheitsbelehrung
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Allgemeine Anmerkungen zur Organisation
Versuchsvorbereitung
„Gründliche“ Vorbereitung
1.)
2.)
3.)
4.)
5.)
Durchlesen der Versuchsanleitung
Zusätzliche Kenntnisse durch Lehrbücher
Kenntnisse zum Messverfahren
Zusammenfassung der theoretischen Kenntnisse.
Abnahme und Abfrage durch den jeweiligen Assistenten
Bei unzureichender Vorbereitung ist keine Versuchsdurchführung möglich!!!
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Anfertigung und Abnahme des Protokolls
Protokolle sind Voraussetzungen zum Erhalt des Scheins
- Abgabe der Protokolle spätestens zwei Termine nach der Versuchsdurchführung
- Alle Protokolle von den Betreuern als in „Ordnung“ bewertet
- Mündliche Prüfung am Ende des Praktikums
Anfertigung der Protokolle (siehe Versuchsanleitung)
unbedingt beachten
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Thema
Vorbereitung
Versuchsbeschreibung
Messergebnisse
Auswertung und Fehlerrechnung
Zusammenfassung
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4
Sicherheitsbelehrung
Bitte in die Liste eintragen und unterschreiben
Ohne Unterschrift keine Versuchsdurchführung
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5
Sicherheitsbelehrung
Gefahren durch elektrischen Strom
an der Einsatzstelle
Ohne Unterschrift keine Versuchsdurchführung
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6
Verschiedene Berührungsarten
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Gefahrenpotential
• Wirkung des elektrischen Stromes auf den Menschen
- Elektrolytisch :
Zersetzung von Zellsubstanzen (Gleichstrom *).
- Wärmewirkung : Verbrennungen, Eiweißgerinnung
(Hohe Ströme ; Wechselstrom > 100 kHz).
- Beeinträchtigung des Nervensystems : Atmungsbehinderung,
Herzrhythmusstörungen, - stillstand.
(50 Hz Wechselstrom – Netzversorgung *).
*) 50 – 100 Hz sind Frequenzen, welche in der natürlichen Herzstromkurve
vorkommen. „Ansteuerung“ mit Dosen-Strom bringt das Herz aus dem
Rhythmus.
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Gefahrenpotential
• Zahlenbeispiele
- Widerstand
“
trockener Haut
feuchter Haut
: ca. 100 kΩ
: R sinkt bis auf ≈ 500 Ω
- Wirkung verschiedener Stromstärken auf Organismus :
10 mA Muskel-Kontraktion
25 mA Atmungsbehinderung, Herzrhythmusstörungen
50 mA Bewusstlosigkeit
100 mA Tod
⇒ U = R • I = 500 Ω • 100 mA = 50 V
Spannungen ab 50 V können tödlich wirken !
Dabei ist zu beachten :
-
Bei Arm-Arm-Verbindung mit dem Stromnetz fließt 100 % des Stromes durch das Herz.
Bei Arm-Bein-Verbindung (Bodenkontakt) etwa 7 %.
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Weitere Schutzmaßnahme gegen Berührung
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Zusammenfassung
Stromstärken ab 50mA sind lebensgefährlich.
Die Gefährdung nimmt mit höherer Stromstärke
und längerer Einwirkdauer zu.
Wechselspannungen über 50V sind lebensgefährlich.
Gleichspannungen über 120V sind lebensgefährlich.
Wechselstrom mit einer Frequenz von 50Hz ist gefährlicher als Griechstrom, weil es bereits bei dieser
Frequenz zum Herzkammerflimmern kommen kann .
Wegen Unfallgefahr ist das Arbeiten an
Teilen, die unter Spannung stehen, verboten!!
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Sicherheitsvorkehrungen im Praktikum
• Aktive Sicherheit
- Alle im Praktikum vorkommenden Spannungen sind unter 70 V abgesenkt.
Jedoch: An den Steckdosen liegen 220 V !
- Alle Arbeitsplätze sind durch Schlüsselschalter verriegelt.
Freischaltung erfolgt durch den Assistenten nach Abnahme des
Versuchsaufbaus.
• Passive Sicherheit
- Notaus-Knopf an jedem Tisch (nur für diesen speziellen Versuch) und
zentrale Notaus-Knöpfe neben den Eingängen (für den ganzen Raum)!
- Notausgänge mit „Panik-Schloss“ (immer offen).
- Fehlerstromschutzschalter an jedem Arbeitsplatz.
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Sicherheitsvorkehrungen im Praktikum
•
Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter)
I1
I2
Funktionsweise :
-
-
B1
Wenn ein geschlossener Stromkreis vorliegt, fließt
der benötigte Strom über die Zuleitung zum
Verbraucher hin (I1) und in gleicher Größe wieder
zurück (I2).
Jeder Strom ist mit einem Magnetfeld verbunden
(B1 , B2). Der Schutzschalter vergleicht die
Magnetfelder des ab- und zurückfließenden
Stromes und löst ggf. ein Relais aus, das den
überwachten Stromkreis sofort abschaltet.
B2
Copyright © Bayerisches Staatsministerium für Gesundheit,
Ernährung und Verbraucherschutz
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Verbleibende Gefahren
- FI-Schalter reagiert nicht, wenn der Stromkreis geschlossen und daher nicht
unterscheidbar ist, ob im Sekundärkreis ein Verbraucher angeschlossen ist
oder ein Notfall vorliegt.
- Beispiele:
• Mit beiden Händen offene Kontakte (auf verschiedenem Potential)
anfassen ⇒ Stromkreis geschlossen !
• Transformator-Schaltung (z.B. in Gleichspannungs-Netzgeräten)
⇒ Praktikant befindet sich im Sekundärkreis und ist somit „Verbraucher“.
Schutzmaßnahme: Strombegrenzung für den Ausgang.
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Verhaltensregeln (Vorschriften !!)
- Verbindungskabel mit Bananenstecker niemals in die 220 V Steckdosen
stecken ! ⇒ Verweis aus dem Praktikum !!
- Bei Umbauten der Schaltung immer zuerst Spannungsquelle abschalten.
Assistenten rufen und umgebaute Schaltung überprüfen lassen.
- Keine offenen Leitungen (z.B. durch ineinander
Verbindungskabeln) ⇒ Lange Kabel besorgen !
Stecken
von
- Nie in offene Leitungsenden greifen !
- Wenn Leitungen beschädigt (z.B. Schäden an der Isolation), diese von den
Assistenten aussondern lassen.
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Hinweise zur Versuchsdurchführung
allgemeine Hinweise:
- Vor Versuchsbeginn überprüfen die Betreuer, ob die Schaltungen korrekt
aufgebaut sind. Durchführung erst nach Freigabe (Schlüsselschalter)
möglich.
- Zwischen- und Endergebnisse ansagen, (zu jeder (Teil-) Aufgabe gemäß
Versuchsanleitung), Versuch erst nach Bestätigung (Tagesstempel)
abbauen.
- Graphische Auswertung (auf mm-Papier; lin. oder logarithm. Darstellung)
muss während des Praktikums durchführt werden.
- Tagesstempel am Ende des Praktikumstages zwingend notwenig
- Lineare Regression, soweit erforderlich, an PC‘s im Praktikum (oder eigenem
Laptop) durchführen.
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Versuchsdurchführung – Auswertung der Ergebnisse
U
[mV]
10
20
30
R
[Ω]
1,0
1,5
2,0
± ΔU
[mV]
1
2
3
± ΔR
[Ω]
0,2
0,5
0,3
- Ergebnisse sind mit Angabe
des Fehlers zu versehen.
Sinnvoll Runden !
Beispiel:
R [Ω]
- Sofern eine Fehlerrechnung durchgeführt wurde, sind Fehlerbalken
in die Graphen einzutragen !
3
Grenz-Geraden
Beispiel :
2
1
0
0
10
R = (1,5 ± 0,3) Ω
Falsch : R = (1,5 ± 0,333333333) Ω
- Auf Größe und Skalierung achten!
Falsch:
20
U [mV]
30
40
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
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20
40
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Geräteeinführung
1.) Schiebewiderstand
Ersatzschaltbild
R1
R1
U1
U2
U ges
Spannungsteiler
U1 + U2 = Uges
I1 = I2 = Iges
R1 + R2 = Rges
U1 = R1*I
Da durch beide Widerstände im unbelasteten Zustand der gleiche Strom fließ gilt:
U1/R1 = U2/R2
U1/R1*R2 = U2
Uges = U1 + U1/R1*R2 = U1(1+R2/R1)
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1.) Messbrücke
Gesucht Spannungsdifferenz U1-U3 = U5
Abgleichverfahren
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1.) Meßbrücke
Gesucht Spannungsdifferenz U1-U3 = U5
Ausgangspunkt: Ohmsches Gesetz R = U
I
U0
U1
=
R1 R1 + R2
U3 = U0
U5 = U0
U1 = U 0
R1
R1 + R2
R3
R3 + R4
R1 R4 − R3 R2
( R1 + R2 )( R3 + R4 )
Abgleichverfahren
U5 = 0
R1 R4 = R3 R2
⇒
R1 R2
=
R3 R4
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Versuchsdurchführung – Messen / Messgeräte
- Beim Aufbau des Versuchs erst den
(geschlossenen) Stromkreis festlegen
(inklusive Amperemeter) und danach erst
die „Zuschauer-Instrumente“ (Voltmeter,
Oszi, Schreiber) anschließen !
Beispiel : Versuch 10
A
V
≈
V
V
- Meßgenauigkeit:
Fehlerangabe (DIN-Güteklasse)
1,5 1,5 1,5
Bedeutet : ± 1,5 % (Eich-) Genauigkeit (in der Regel vom Endausschlag !).
Achtung : Relativer Fehler immer größer, deshalb Skalenbereich
möglichst maximal ausnutzen, ggf. in empfindlicheren Bereich
umschalten !
Beispiel : 100 Skalenteile, I = 0 - 100 mA, Fehler = ± 1,5 %
20 mA Gemessen ⇒ Rel. Fehler = ± 1,5 mA = 7,5 %
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Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung
V
a) Versuchsaufbau:
R
A
IA
c) Auswertung:
U
[V ]
1,1
2,0
3,1
IV
U0
+
b) Messung:
I0
-
I
[mA]
10
15
20
ΔU
[1 %]
3V
3V
10V
ΔI
[1 %]
10mA
30mA
30mA
R = U/I: Mittelwertbildung, Fehler des Mittelwerts;
Regression (graphisch), Fehler (Min/Max-Methode)
P=U*I:
Fehlerfortpflanzung, relativer u. absoluter Fehler
Diskussion: Genauigkeit von U bzw. I abhängig von Position
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4) Strom- und Spannungsmessung im Überblick
Strom- und Spannungsmessung mit Multimeter
Beispiel eines digitalen Multimeters
Strommessung
Spannungsmessung
A
R U
U
R
S
Bei Messbereichserweiterung:
V
S
Innenwiderstand: sehr klein
Innenwiderstand: sehr groß
Widerstand parallel
Widerstand in reihe
V
A
R shunt
R shunt
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• Spannungsmesser (Voltmeter) :
RVor
- Spannung wird zwischen 2 Punkten
gemessen (Potentialunterschied).
⇒ Voltmeter parallel zum Messobjekt:
- Durch das Voltmeter muss ein Strom
IV = const. und klein fließen, damit der
Hauptstrom I0 durch den Verbraucher (R)
und die Klemmspannung UQ der Quelle
nicht verändert werden.
Merken:
RV
V
I0
R
IV
RQ
+
-
UQ
Innenwiderstand RV des Voltmeters groß gegenüber Verbraucher (R)
(gilt auch für Schreiber). Ggf. Vorwiderstand (RVor) verwenden.
MessbereichsErweiterung:
U
RV =
− RM
IM
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Versuchsdurchführung – Messen / Messgeräte
• Strommesser (Amperemeter):
- Amperemeter werden in den Stromkreis
geschaltet, d.h. in Reihe mit dem Messobjekt:
RPar
IP
RA
- Ohne Amperemeter : UQ = R . I0
Mit Amperemeter : UQ = (R + RA). I‘
I‘ / I0 = R / (R + RA)
⇒ RA möglichst klein, damit
der
Gesamtwiderstand der Schaltung nur geringfügig
verändert wird und I0 ≈ konstant bleibt !
Merken:
R
A
I0 ; I‘
IA
+
-
UQ
Innenwiderstand RA des Amperemeters klein gegenüber Verbraucher (R).
Eventuell noch kleineren Parallelwiderstand (RPar) einbauen, um
Messgerät zu „überbrücken“.
MessbereichsErweiterung :
RN =
I M RM
I − IM
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5) Oszilloskop
Die Ablenkung des Elektronenstrahls erfolgt bei Oszilloskopen
durch elektrische Felder. Diese Ablenkung wurde gewählt,
weil sie wesentlich unkomplizierter über große Frequenzbereiche
beherrschbar ist, zur Ablenkung keine elektrische Leistung benötigt
wird (und damit auch keine aufwendigen Verstärkerschaltungen).
Quelle: Wikipedia
• Erzeugung eines Elektronenstrahls
• Ablenkung in y-Richtung durch E-Felder des elektrischen Messsignals (Amplitude)
• Ablenkung in x-Richung durch einen Sägezahnsignals (Zeitbasis)
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Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung
a) Versuchsdurchführung:
15 Messungen mit a)
5 Messungen mit b)
a)
V
b)
R
I0
IV
A
IA
U0
+
-
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Versuchsaufbau: Versuch 1
Vom ersten Versuch soll jeder ein Protokoll anfertigen, sonst pro Versuch nur ein Protokoll!
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Darstellung Messergebnisse
U[V]
I[A] Umeß
Imeß
ΔU [V ]
ΔI [ A] ΔI
I
ΔU
U
R[Ω]
ΔR
ΔR
R
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P[W]
ΔP
ΔP
P
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Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung
Aufgabe
• Messwert für Spannung U
• Messwert für Strom I
• Messbereich für Strom
• Messbereich für Spannung
• Fehler für ΔI
• Fehler für Spannung ΔU
• Wert für Widerstand R
• Fehler für Widerstand ΔR
• Wert für Leistung P=UI
• Fehler der Leistung ΔP
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Versuch 1: Strom- und Spannungsmessung
Aufgabe
• Auftragen von I gegen U
• Bestimmung der Ausgleichsgerade
• Zeichnung der Max- und Min-Gerade
• Bestimmung des mittleren Widerstandes aus der Grafik
• Bestimmung des Fehlers aus Grafik
• Bestimmung des stat. Fehlers
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Auswertung:
R = U/I: Mittelwertbildung, Fehler des Mittelwerts;
Regression (graphisch), Fehler (Min/Max-Methode)
P=U*I:
Fehlerfortpflanzung, relativer u. absoluter Fehler
Diskussion: Genauigkeit von U bzw. I abhängig von Position
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