IP Physik, Großmann Sommersemester 2012 Versuch Widerstand, Kapazität, Induktivität Teamauftrag Ihre Firma hat aus sehr unterschiedlichen Bereichen mehrere Aufträge zur Untersuchung von elektrischen Geräten erhalten. Die BIA‐Messmethode zur Körperfettmessung unterscheidet zwischen Körperflüssigkeit (≈ohmscher Widerstand) und Zellflüssigkeit (≈kapazitiver Widerstand). Ist der Widerstand eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators frequenzabhängig? Wie drückt sich die Frequenzabhängigkeit theoretisch aus und stimmt diese mit den Messungen überein? Ein Sport‐ und Fitnessstudio will für Kunden mit leichter Herz‐/Kreislauferkrankung ein zusätzliches Monitoring der Herzfunktion (also nicht nur des Pulses) einbinden. Kann das EKG mit einfachen Mitteln sichtbar gemacht werden? Ihre Firma überlegt, RFID zur Vereinfachung der Lagerwirtschaft und der Protokollierung von Produktionsprozessen einzuführen. Untersuchen Sie Probleme hinsichtlich der Lesbarkeit von RFID‐Tags in Verbindung mit verschiedenen Materialien (Blech, Tetrapack, Glas, Aluminiumfolie usw). Wie verhält ein Kondensator in einem Gleichstromkreis, wenn die Spannung ein‐ bzw. ausgeschaltet wird? Batterien haben wesentliche Nachteile: Sie haben ein relativ hohes Gewicht, benötigen Platz und es entsteht Müll, den man richtig entsorgen muss. Das ist gerade auf Trekkingtouren schwierig. Kann auf Batterien z.B. in Taschenlampen verzichtet werden? Gibt es andere Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie? Teilauftrag 1 und 2 Um weiterführende Empfehlungen zur Körperfettmessung und zum Monitoring der Herzfunktion geben zu können, sollten Sie zunächst folgende Fragen untersuchen: Ist der Widerstand eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators frequenzabhängig? Wie drückt sich die Frequenzabhängigkeit theoretisch aus und stimmt diese mit den Messungen überein? Gibt es im Fitness‐Studio die Einsatzmöglichkeit der EKG‐Messungen? Wie ist die Handhabbarkeit dieser EKG‐Messung? Welche Ausbildung bräuchten Mitarbeiter eines Fitness‐Studios, um die EKG's auswerten zu können? Geben Sie zu den jeweiligen Punkten Empfehlungen an den Auftraggeber ab! Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik RCL Versuch: RCL Induktivität und Kapazität, Aufgabe 1 und 2 Gruppe: A Team: 1 Datum: 19.03.2012 Name Schmitz Versuchsaufbau Versuchsaufbau Vorname Josef Sicherheitshinweis Um Verletzungen oder Beschädigungen an den Geräten zu vermeiden, dürfen Sie die Spannungsquellen erst nach Abnahme der Schaltung durch Frau Winkens oder Frau Korsten bzw. Herrn Großmann einschalten. Versuchsbeschreibung Aufgabe 1 und 2 bestehen aus 3 Versuchsteilen. Führen Sie diese Aufgaben zu zweit durch! Schaltskizze Digitalmultimeter, solar = Voltcraft Typ VC260 Bestimmung des kapazitiven Widerstandes XC Bauen Sie eine Schaltung nach obiger Skizze auf. Der Vorwiderstand R beträgt 220 Ω. Bauen Sie einen Kondensator mit einer Kapazität von 1 µF ein. Notieren Sie jeweils die Spannung, die Stromstärke und den Widerstand. Bestimmung des ohmschen Widerstandes R Bauen Sie eine Schaltung nach obiger Skizze auf. Der Vorwiderstand R beträgt 220 Ω. Bauen Sie einen ohmschen Widerstand von 1 kΩ ein. Notieren Sie jeweils die Spannung, die Stromstärke und den Widerstand. Nehmen Sie in dem Frequenzbereich von ca. 300 Hz bis 3 kHz mindestens 5 Messwerte so auf, dass Sie ein aussagekräftiges Diagramm erstellen können. Erhöhen Sie gegebenenfalls die Anzahl der Messwerte, um eine ausreichende Qualität der Ergebnisse sicher stellen zu können. Untersuchungen der Herzfrequenz Kleben Sie eine Elektrode auf die Innenseite Ihres linken Handgelenkes und zwei Elektroden mit etwas Abstand voneinander auf Ihr rechtes Handgelenk. Befestigen Sie die Klemmen an den Elektroden (LA = linker Arm, RA = rechter Arm). Für den Umgang mit dem Datenlogger lesen Sie die Bedienungsanleitung. Führen Sie eine Messung in Ruhe, eine weitere nach Belastung (15 Kniebeugen o.ä.) durch. Nach den Messungen übertragen Sie die Daten in die Excelvorlage. Sie haben für die Durchführung der gesamten Aufgabe 60 Minuten Zeit. Teilaufgabe 1 und 2 sind bei zügiger Bearbeitung in 20 Minuten, Teilaufgabe 3 (EKG) in 10 Minuten zu schaffen. Bringen Sie zum Praktikumstermin einen Ausdruck eines EKG's aus der Literatur zum Vergleich mit. Bestimmung des kapazitiven Widerstandes Geben Sie die konstanten Größen ein: Vorwiderstand und Kapazität Kapazität des Kondensators in μF Vorwiderstand in Ω 1 220 Erstellen Sie eine Messwerttabelle. Sie sollte folgende Werte enthalten: Frequenz f, Spannung U, Stromstärke I, Kreisfrequenz ω, Widerstand aus Frequenzmessung XC, Widerstand aus Ohmschen Gesetz XC. Lfd. Nr. Frequenz Spannung Stromstärke Kreisfrequenz ω in Hz U in V I in mA f in Hz Widerstand XC in Ω aus XC = 1/(ω*C) 1 2 3 4 5 6 7 8 324 621 960 1.207 1.523 2.036 2.504 3.031 6,53 5,15 3,92 3,28 2,69 2,05 1,67 1,37 12,9 19,5 23,0 24,3 25,2 26,0 26,3 26,5 2.036 3.904 6.032 7.584 9.569 12.793 15.733 19.044 491 256 166 132 105 78 64 53 Widerstand XC in Ω aus XC = U/I 507 264 171 135 107 79 64 52 Erstellen Sie ein Diagramm Widerstand XC gegen Frequenz f. Kapazitiver Widerstand 600 Widerstand XC in Ohm 500 400 aus Frequenzmessung 300 aus Ohmschen Gesetz 200 100 0 0 1.000 2.000 Frequenz f in Hz 3.000 4.000 Bestimmung des ohmschen Widerstandes Geben Sie die konstanten Größen ein: Vorwiderstand und Widerstand Widerstand R in kΩ Vorwiderstand in Ω 0,9913 220 Erstellen Sie eine Messwerttabelle. Sie sollte folgende Werte enthalten: Frequenz f, Spannung U, Stromstärke I, Kreisfrequenz ω, Widerstand aus Frequenzmessung R, Widerstand aus Ohmschen Gesetz R. Lfd. Nr. Frequenz Spannung Stromstärke Kreisfrequenz ω in Hz U in V I in mA f in Hz 1 2 3 4 5 6 7 8 312 601 910 1.211 1.524 2.112 2.697 3.012 5,730 5,720 5,710 5,710 5,700 5,680 5,660 5,650 5,730 5,730 5,720 5,710 5,710 5,700 5,680 5,680 1.963 3.774 5.717 7.609 9.576 13.270 16.946 18.925 Widerstand R in Ω R abgelesen 991 991 991 991 991 991 991 991 Widerstand R in Ω R = U/I 1.000 998 998 1.000 998 996 996 995 Erstellen Sie ein Diagramm Widerstand R gegen Frequenz f. Ohmscher Widerstand 1.200 Widerstand R in Ohm 1.000 800 abgelesene Messwerte 600 aus Ohmschen Gesetz 400 200 0 0 1.000 2.000 Frequenz f in Hz 3.000 Messungen der Herzfrequenz Kopieren Sie die Daten, die Sie vom Datenlogger erhalten, auf der rechten Seite in die Spalte U in V. Spannung in V EKG (Ruhe) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 0 2 4 6 8 10 6 8 10 8 10 Zeit in s Spannung in V EKG (Belastung) 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 0 2 4 Zeit in s Spannung in V EKG (Ruhe und Belastung) 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 0 2 4 6 Zeit in s Berechnen Sie die Herzfrequenz Herzfrequenz Herzschlag Ruhe 1,05 Hz 63 1/min Belastung 1,65 Hz 99 1/min Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik RCL3 Versuch: RCL Induktivität und Kapazität, Aufgabe 3 Gruppe: A Team: 1 Datum: 19.03.2012 Name Schmitz Vorname Josef Versuchsaufbau RFID Reader Antenne Tag Versuchsbeschreibung 1. Ermitteln eines geeigneten Verpackunsmaterials Starten Sie am PC das Programm zum Auslesen der Tags (siehe Beschreibung). Halten Sie einen der Tags in 30 cm Entfernung zur Antenne und überprüfen Sie, ob der Tag ausgelesen wird. Notieren Sie die Bezeichnung und Nummer des Tags, die in der Software angezeigt wird Die Software zeigt alle lesbaren Tags in der Umgebung an (in Ihrem Falle nur einer) und aktualisiert die Suche im Abstand von wenigen Millisekunden automatisch, so dass eine kontinuierliche Suche läuft. Jeder weitere lesbare Tag in Reichweite der Antenne wird demnach sofort angezeigt. Entfernen Sie einen Tag aus der Reichweite der Antenne, so wird dieser auch automatisch in der Software nicht mehr angezeigt. Finden Sie heraus, ab welcher Entfernung (näherungsweise) der Tag nicht mehr lesbar ist! Legen Sie nun den Tag in die vorhandenen Lebensmittelvepackungen (Blechdose / Glas / Tetrapak / metallbedampfte Tüte / Pappkarton usw. und verschließen Sie die Verpackungsmaterialien. Messen Sie jetzt mit einem Abstand von ca. 30 cm zur Antenne und überprüfen Sie jedes Mal, ob der Tag erkannt wird. Führen Sie die Testreihe danach mit einer selbst gewählten Entfernung von mindestens 1,00 m zwischen Tag und Antenne noch einmal aus. Geben Sie aufgrund Ihrer Messergebnisse eine Empfehlung über geeignete und problematische Verpackunsmaterialien ab. 2. Überprüfen der geeigneten Positionierung Lesen Sie die Tags aus, die an den bereit liegenden Lebensmitteln/Gefäßen/ Verpackungen angebracht sind. Variieren Sie hierbei die Positionen der Tags, indem Sie die Verpackungsmaterialen drehen und so Tags sichtbar und unsichtbar an der Antenne vorbei führen können. Wählen Sie einen Abstand von ca. 10 cm zur Antenne. Geben Sie aufgrund Ihrer Messergebnisse eine Empfehlung über die geeignete Positionierung der Tags. Nennen Sie auch die Probleme, die bei der Messung auftreten können bzw. aufgetreten sind. Welche Materialen (Verpackungen und Inhalt) bereiten Schwierigkeiten? 1. Ermitteln eines geeigneten Verpackungsmaterials Erstellen Sie ein Messwerttabelle! Sie sollte folgende Werte enthalten: Materialbezeichnung, Entfernung 1, Tag ausgelesen (ja/nein), Entfernung 2, Tag ausgelesen (ja/nein). 300833B2DDD9048035050006 ca. 3,60 m (bis zum Fenster) Name/Nummer des Tags: maximale Reichweite: Material ohne Befüllung Entfernung 1 Tag ausgelesen Entfernung 2 Tag ausgelesen in m ja / nein in m ja / nein Blechdose (Nüsse) 0,30 nein 1,00 nein Tetrapak (Saft) 0,30 nein 1,00 nein Glas (Würstchen) 0,30 ja 1,00 ja Alufolie (Schokolade) 0,30 nein 1,00 nein PET (Wasser) 0,30 ja 1,00 ja PET (Öl) 0,30 ja 1,00 ja Metallbedampfter Karton (Chips) 0,30 nein 1,00 nein Papier (Zucker) 0,30 ja 1,00 ja Pappkarton (Milchreis) 0,30 ja 1,00 ja 2. Überprüfen der geeigneten Positionierung Erstellen Sie ein Messwerttabelle! Sie sollte folgende Werte enthalten: Materialbezeichnung, Tag ausgelesen (ja/nein) zur Antenne hingewandt und abgewandt, Tagnummer. Entfernung 0,1 m zur Antenne hingewandt von der Antenne abgewandt Tag ausgelesen Tag ausgelesen ja / nein ja / nein Blechdose (Nüsse) nein nein Tetrapak (Saft) nein nein ja nein nein nein ja ja 300833B2DDD9048035050017 ja ja 300833B2DDD9048035050022 nein nein Material mit Befüllung Glas (Würstchen) Alufolie (Schokolade) PET (Wasser) PET (Öl) Metallbedampfter Karton (Chips) Tagnummer 300833B2DDD9048035050023 Papier (Zucker) ja ja 300833B2DDD9048035050024 Pappkarton (Milchreis) ja ja 300833B2DDD9048035050020 Schildern Sie die auftretenden Probleme und nennen Sie mögliche (kreative) Lösungsansätze. Was fällt auf im Vergleich zu den Versuchen mit den leeren Verpackungen? Welche Probleme treten auf im Hinblick auf die Befüllung mit bestimmten Lebensmitteln? IP Physik, Großmann Sommersemester 2012 Versuch Widerstand, Kapazität, Induktivität Teamauftrag Ihre Firma hat aus sehr unterschiedlichen Bereichen mehrere Aufträge zur Untersuchung von elektrischen Geräten erhalten. Die BIA‐Messmethode zur Körperfettmessung unterscheidet zwischen Körperflüssigkeit (≈ohmscher Widerstand) und Zellflüssigkeit (≈kapazitiver Widerstand). Ist der Widerstand eines ohmschen Widerstands und eines Kondensators frequenzabhängig? Wie drückt sich die Frequenzabhängigkeit theoretisch aus und stimmt diese mit den Messungen überein? Ein Sport‐ und Fitnessstudio will für Kunden mit leichter Herz‐/Kreislauferkrankung ein zusätzliches Monitoring der Herzfunktion (also nicht nur des Pulses) einbinden. Kann das EKG mit einfachen Mitteln sichtbar gemacht werden? Ihre Firma überlegt, RFID zur Vereinfachung der Lagerwirtschaft und der Protokollierung von Produktionsprozessen einzuführen. Untersuchen Sie Probleme hinsichtlich der Lesbarkeit von RFID‐Tags in Verbindung mit verschiedenen Materialien (Blech, Tetrapack, Glas, Aluminiumfolie usw). Batterien haben wesentliche Nachteile: Sie haben ein relativ hohes Gewicht, benötigen Platz und es entsteht Müll, den man richtig entsorgen muss. Das ist gerade auf Trekkingtouren schwierig. Kann auf Batterien z.B. in Taschenlampen verzichtet werden? Gibt es andere Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie? Wie verhält ein Kondensator in einem Gleichstromkreis, wenn die Spannung ein‐ bzw. ausgeschaltet wird? Teilauftrag 4 Um weiterführende Empfehlungen zu alternativer Energiespeicherung geben zu können, sollten Sie zunächst folgende Fragen untersuchen: Wie verhält sich ein Kondensator in einem Gleichstromkreis, wenn die Spannung ein‐ bzw. ausgeschaltet wird? Warum stimmt τtheoretisch nicht mit τexperimentell überein? Welchen Einfluß hat die Schütteldauer einer Schüttellampe bzgl. ihrer Lichtstärke und Leuchtdauer ? Beeinflußt das Ergebnis ihre Tauglichkeit für Trekkingtouren? Geben Sie zu den jeweiligen Punkten Empfehlungen an den Auftraggeber ab! Integriertes Praktikum Mathematik, EDV und Physik RCL4 Versuch: RCL Induktivität und Kapazität, Aufgabe 4 Gruppe: A Team: 1 Datum: 19.03.2012 Name Schmiz Vorname Josef Versuchsaufbau Kondensator und Schalter Schüttellampe Sicherheitshinweis Um Verletzungen oder Beschädigungen an den Geräten zu vermeiden, dürfen Sie die Spannungsquellen erst nach Abnahme der Schaltung durch Frau Winkens oder Frau Korsten bzw. Herrn Großmann einschalten. Versuchsbeschreibung Die Messungen werden mit dem Datenlogger MultiLogPro durchgeführt. Zur Bedienung des Datenloggers und der Software lesen Sie die Dokumentation im Versuchsordner. Hinweis: Die Bedienung des Datenloggers unterscheidet sich für die einzelnen Versuchsteile! 4. Auf‐ und Entladen eines Kondensators Schließen Sie die Kabel an die vorhandene Schaltung mit dem Kondensator mit der Kapazität von 1000 µF an. Schalten Sie die benötigten Geräte ein. Stellen Sie eine Spannung von ca. 2 V ein. Schließen Sie den Schalter. Die Spannung baut sich auf. Nach Öffnen des Schalters entläd sich der Kondensator. Der Datenlogger zeichnet währenddessen die Spannung kontinuierlich auf. Einschaltwiderstand R1 und Ausschaltwiderstand R2 haben eine Größe von je 470 Ω. Die von Ihnen ermittelte Zeitkonstante τexperimentell wird sich von τtheoretisch unterscheiden. Verändern Sie den Wert der Kapazität in Zelle G6 solange bis τexperimentell mit τtheoretisch übereinstimmt. Ermitteln Sie dann den relativen Fehler des Kondensators. Messungen an einer Schüttellampe Schalten Sie die Taschenlampe aus (untere Arretierung). Halten Sie die Taschenlampe waagerecht und schütteln Sie sie mit gemäßigter Kraft. Seitwärts Schütteln lädt die Lampe NICHT auf. Sobald der Magnet die Spule durchläuft wird eine Spannung erzeugt, die den Kondensator auflädt. Nehmen Sie die 'Entladung' der Lampe mit dem Datenlogger auf und kopieren Sie die Daten in die Excelvorlage. Sie haben für die Durchführung der gesamten Aufgabe 60 Minuten Zeit. Teilaufgabe 1 (Kondensator) ist bei zügiger Bearbeitung in 15 Minuten, Teilaufgabe 2 (Schüttellampe) in 20 Minuten zu schaffen. 4. Auf- und Entladen eines Kondensators Geben Sie die konstanten Größen ein: Kapazität, Netzspannung, Spannung am Kondensator, Ein- und Ausschaltwiderstand. Kapazität des Kondensators = Netzspannung U = Einschaltwiderstand = Ausschaltwiderstand = U0 an Kondensator = 1.000 2,00 465,9 466,4 2,14 μF V Ω Ω V Kopieren Sie die Spannungsdaten, die Sie vom Datenlogger erhalten, auf der rechten Seite in die Spalte U in V. Trennen Sie die Werte für das Auf-und Entladen. Lassen Sie die Werte für t und UTrend unverändert. Ermitteln Sie anschließend durch Ausprobieren den Wert für τexperimentell , indem Sie solange seinen Wert verändern, bis die Trendlinie auf den Messwerten liegt. Aufladen 1.000 U0 = τexperimentell = τtheoretisch = µF 2,11 V 0,54 s 0,47 s Entladen 1.000 U0 = τexperimentell = τtheoretisch = µF 2,08 V 0,54 s 0,47 s Erstellen Sie das Entladungsdiagramm entsprechend des Diagramms 'Aufladung eines Kondensators' Auf- und Entladen des Kondensators 2,5 Spannung in V 2,0 1,5 Aufladen Versuch AufladenTrend Entladen Versuch 1,0 Entladen Trend 0,5 0,0 0 1 2 Zeit in s Kapazität Ctheoretisch = Kapazität Cexperimentell = relative Abweichung = 1000 1160 16,0 3 µF µF % 4 5 Messungen an einer Schüttellampe Erstellen Sie eine Messwerttabelle. Sie sollte folgende Werte enthalten: Schütteldauer, und die Beleuchtungsstärke E0 bei ausgeschalteter Lampe in Lux Versuch Schütteldauer t Beleuchtungsstärke E 0 1 15 0 2 45 0 3 90 0 in s in Lux Kopieren Sie die Spannungsdaten, die Sie vom Datenlogger erhalten, auf der rechten Seite in die Spalte E in Lux. Lassen Sie die Werte für t und E-E0 unverändert. Beleuchtungsstärke gegen Zeit 3500 Beleuchtungsstärke in Lux 3000 y = ‐660,5ln(x) + 3050,1 R² = 0,9993 2500 y = ‐373,7ln(x) + 1719,9 R² = 0,9984 15s 2000 y = ‐207,5ln(x) + 901,14 R² = 0,9906 1500 45s 90s 1000 500 0 0 10 20 30 40 50 Zeit in s verwendete Funktion: y = a·Ln(x) + b Berechnen Sie mit Hilfe der Trendlinienfunktion wie lange die Lampe mit einer Leuchtstärke von mindestens 100 Lux brennt Kapazität des Kondensators 0,22 Schütteldauer in s 15 Funktionsparameter: a = -207,5 b = 901,1 Leuchtdauer t mit 100 Lux 47,5 Leuchtdauer (E>100 Lux) in s Spannung an der LED F 45 -373,7 1719,9 76,3 90 -660,5 3050,1 87,0 100 90 80 70 60 50 40 1,2 V in s y = 22,445ln(x) - 12,117 R² = 0,9837 0 20 40 Schütteldauer in s 60 80 100 Ergebnis Stellen Sie die Ergebnisse des Versuches RCL zusammen. Dazu gehören: Versuch 1 und 2: Beschreiben Sie die Charakteristika der Frequenzabhängigkeit eines Kondensators und eines ohmschen Widerstandes. Inwieweit stimmt die Theorie mit Ihren Messungen überein? Wie hoch war Ihr Herzschag in Ruhe und bei Belastung? Würden Sie diese Methode der EKG‐Messung für ein Fitness‐Studio empfehlen? Begründen Sie Ihre Empfehlung. Versuch 3: Bis zu welcher Entfernung konnte ein Tag gelesen werden? Welche Verpackungsmaterialien behindern die Lesbarkeit? Welche Lebensmittel behindern die Lesbarkeit? Nennen Sie mögliche Lösungsansätze um die Lesbarkeit zu verbessern. Versuch 4: Beschreiben Sie die Charakteristika der Auf‐ bzw. Entladung eines Kondensators. Inwieweit stimmt die Theorie mit Ihren Messungen überein? Nach welcher Funktion entlädt sich eine Schüttellampe? Würden Sie eine Schüttellampe für Treckingtouren empfehlen? Begründen Sie Ihre Empfehlung. Welche Schütteldauer würden Sie empfehlen? Begründen Sie Ihre Empfehlung.