Praktikum Technische Grundlagen Versuch 6

Praktikum Technische Grundlagen
Versuch 6
Vers. Nr. 6: Elektrizität 2 (Motor, Generator, Wechselspannung)
Literatur
Literatur zu den folgenden Stichworten finden Sie z.B. im ‘Heywang’: Magnetisches Feld,
Elektromagnetismus, Induktion, Generatorprinzip, Kraftwirkung im Magnetfeld, Gleichstrommotor,
Gleichrichtung
Teilversuch:
1. Kraftwirkung im Magnetfeld
2. Induktionsprinzip
3. Generator
4. Elektromotor
5. Messung von Wechselspannung
6. Einweggleichrichtung
1 Kraftwirkung im Magnetfeld
Erläuterung: Auf einen stromführenden elektrischen Leiter wirkt in einem Magnetfeld mit der
Flussdichte B eine Kraft F, die der Stärke I des fließenden Stroms und der Stärke des Magnetfeldes
proportional ist:
(1)
F = const  I  B
Dabei spielen die Richtungen des Stroms und des Magnetfelds eine Rolle.
Im skizzierten Versuchsaufbau (Abb.1) wird die wirkende Kraft F über die scheinbare
Gewichtsabnahme bzw. -zunahme eines Hufeisenmagneten gemessen, der auf den Teller einer
empfindlichen Digitalwaage (Auflösung m = 1/100 g) gestellt wird.
Aufgabe: Ermitteln Sie den Zusammenhang zwischen fließendem Strom und der daraus resultierenden
Kraftwirkung auf einen Magneten.
Aufbau und Durchführung: Überzeugen Sie sich von der Wirkung der Kraft auf die Anzeige der
Waage zunächst mit Hilfe eines kleinen Stabmagneten, den Sie den Polen des Hufeisenmagneten
nähern.
Spannen Sie anschließend zwischen den Schenkeln des Magneten hindurch ein Laborkabel (es darf
den Magneten nicht berühren), das Sie an zwei Stativstangen fixieren (festknoten). Das Kabel wird
über ein Amperemeter mit dem Netzgerät verbunden. Das Netzgerät sollte zunächst noch ausgeschaltet sein - in diesem Zustand wird die Waage austariert (Abb.1).
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Stativstange
Stativstange
Hufeisenmagnet
N
B
S
I
Netzgerät
Amperemeter
A
Digitalwaage
Abbildung 1
Untersuchen Sie dann die Abhängigkeit der Waagenanzeige vom fließenden Strom (Gramm-Anzeige
in Newton umrechnen - F = m  g ; mindestens fünf Messungen durchführen). Zweckmäßig
verwenden Sie dabei das Netzgerät in der stromgeregelten Betriebsart, indem Sie den Spannungswählknopf etwa auf die Bereichsmitte setzen und unterschiedliche Werte für der Stromfluss mit dem Drehknopf für die Strombegrenzung einstellen. Die Messung ist nach Vertauschen der Anschlussleitungen
am Netzgerät mit umgepolter Stromrichtung zu wiederholen - Effekt?
Legen Sie das Laborkabel anschließend zu einer mehrfachen Leiterschleife zusammen und führen Sie
diese 'Spule' ohne Berühren über den einen Schenkel des Magneten auf der Waage. Beachten Sie, wie
die Kraftwirkung zwischen Spule und Magnet mit der Anzahl der Windungen zunimmt.
Auswertung: Stellen Sie die Kraft F auf den Magneten in Abhängigkeit vom fließenden Strom grafisch
dar. Was bedeutet die Erhöhung der Anzahl der Leiterschleifen (Diagramm F = f(n))?
2 Induktionsprinzip
Erläuterung: Wenn in einer Spule (Windungszahl n) ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld und damit
auch ein veränderlicher 'magnetischer Fluss'  herrscht, wird in ihr eine elektrische Spannung UI
(Induktionsspannung) induziert:
(2) U I  n 

t
Aufgabe: Im folgenden Versuch sollen Sie die Bedeutung dieser Gleichung 'qualitativ' nachweisen.
Aufbau und Durchführung: Die Anschlussklemmen der Spule werden mit dem Linienschreiber (eine
Beschreibung des Linienschreibers finden Sie am Ende dieser Versuchsanleitung) verbunden. An
diesem ist ein hinreichend empfindlicher (100mV) Gleichspannungsmessbereich einzustellen. Schieben Sie den Spulenkörper dann über den einen Schenkel des Hufeisenmagneten, und beobachten Sie
den Ausschlag der Schreiberspitze während der Bewegung des Magneten (Abb.2).
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2
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Spule mit n Wicklungen
Linienschreiber
mit Nullpunkt V
in Skalenmitte
S
N
Hufeisenmagnet
Abbildung 2
Bewegen Sie abschließend den Magneten so vor der Spule mit der großen Windungszahl hin und
her, dass eines der beiden Spulenenden abwechselnd mal dem Nord- und dem Südpol gegenübersteht. Beobachten Sie die Anzeige des Instruments während mehrerer Hin- und Herbewegungen.
Auswertung: Beantworten Sie auf der Grundlage Ihrer Beobachtungen die folgenden Fragen.
Wie hängt die Richtung des Ausschlags von der Bewegungsrichtung der Spule ab?
Wie ändert sich die Größe des Ausschlags, wenn die Spule schneller oder langsamer bewegt
wird?
Welchen Einfluss hat es auf die Anzeige, wenn die Magnetpole vertauscht werden?
Wie wirkt es sich aus, wenn Sie eine Spule mit größerer oder kleinerer Windungszahl verwenden?
Sind die Ergebnisse in Übereinstimmung mit Gleichung (2) zu beschreiben?
3 Generator
Erläuterung: Beim Generator nutzen Sie das Induktionsprinzip zur Stromerzeugung, indem Sie einen Dauermagneten mit seinem Magnetfeld rotieren lassen. Um diesen herum sind zwei feststehende
Spulen (Feldspulen) angeordnet sind (siehe Abb.3). Die Rotation des Dauermagneten bewirkt eine
periodische Änderung des magnetischen Flusses  in der Spule, so dass nicht wie im Versuch 2 ein
einzelner Spannungsimpuls, sondern kontinuierlich eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird.
Die Höhe der Wechselspannung ist der Drehzahl f des Dauermagneten proportional, weil die zeitliche
Änderung des Magnetfeldes in der Spule umso größer ist, je schneller sich der Rotor ('Anker') dreht.
Aufgrund der Geometrie ist dabei die erzeugte Wechselspannung UI sinusförmig. Wenn n die
Windungszahl der Ankerspule ist, gilt
(3)
UI = const.  f  n  sin (2    f  t)
Aufgabe: Im skizzierten Aufbau (Abb.3) ist die Höhe der erzeugten Wechselspannung in Abhängigkeit
von der Drehzahl zu messen. Dabei soll der Generator mit einer Glühbirne belastet sein. Der Antrieb
des Generators erfolgt durch einen Elektromotor. Die Ankerdrehzahl des Generators wird mit dem
elektronischen Drehzahlmesser ermittelt (siehe Versuch 2 im ersten Teil des Praktikums), der auf die
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Reflexionsmarke an der Ankerwelle gerichtet wird.
Voltmeter
AC
V~
Glühlampe
Feldspule
Feldspule
rotierender
Dauermagnet
Abbildung 3
Die Messung sollten Sie für zehn Drehzahlwerte zwischen ca. 15 s-1 und 50 s-1 durchführen. Beachten
Sie: Die Anzeige des Drehzahlmessers erfolgt in Umdrehungen pro Minute.
Auswertung: Die Abhängigkeit der Spannung von der Drehzahl ist grafisch darzustellen.
4 Elektromotor
Erläuterung: Bei dem hier verwendeten Elektromotor ist der Anker mit seinen zwei Spulen zwischen
den Polschuhen eines feststehenden Dauermagneten drehbar gelagert; er wird durch die im
Versuchsteil 1 untersuchten elektrodynamischen Kräfte in Rotation versetzt. Die Stromzuführung an
den Anker erfolgt durch Kohlebürsten über zwei gegeneinander isolierte Ringsegmente. Diese üben bei
der Drehung des Ankers eine Schaltfunktion aus: Der Stromfluss in den Spulen wird zwangsläufig im
richtigen Takt so umgepolt, dass eine kontinuierliche Rotation zustande kommt. Das feststehende
Magnetfeld ('Ständerfeld' oder schlicht 'Feld') wird durch zwei Dauermagneten erzeugt, und der Anker
wird über ein Netzgerät mit Gleichspannung versorgt.
Netzgerät
V
Anker
Ankerspannung
Spulen
Schleifring
Dauermagnet
Abbildung 4
Bei konstantem Magnetfeld des Dauermagneten ist die Drehzahl des Motors in folgender Weise durch
die an den Anker gelegte Spannung UA bestimmt:
Wenn die Ankerspulen im Magnetfeld rotieren, wird in ihnen nach dem Generatorprinzip zwangsläufig
auch eine Spannung UI induziert. Die Spannung UI ist der von außen angelegten Spannung UA
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entgegen gerichtet und schwächt daher den Spulenstrom im Anker. Mit wachsender Drehzahl nimmt
nach Gleichung (3) die induzierte Spannung UI zu, bis sie der angelegten Spannung UA nahezu gleich
geworden ist. Der Spulenstrom reicht dann gerade noch aus, um die Reibungsverluste beim Lauf des
unbelasteten Motors auszugleichen; in diesem Fall gilt UI  UA. Weil UI nach Gleichung (3) der
Drehzahl f proportional ist, lässt sich mithin für die Drehzahl des unbelasteten Motors
(Leerlaufdrehzahl) schreiben
(4)
f  const  UA
Sie können also durch Verändern der Ankerspannung UA die Motordrehzahl einstellen.
Aufbau und Durchführung: Erstellen Sie mit dem Versuchsmotor, dem Netzteil und einem
Digitalmultimeter den oben skizzierten Aufbau. Erhöhen Sie am Netzteil von Null ausgehend
schrittweise die Versorgungsspannung, protokollieren Sie diese und messen Sie die Drehzahl (ebenfalls
protokollieren).
Untersuchen Sie außerdem, wie sich der Motor verhält, wenn Sie die Ankerspannung durch
Vertauschen der Anschlussleitungen am Netzteil umpolen. Der fließende Strom sollte nicht über 1,5 A
hinausgehen.
Auswertung: Stellen Sie die Drehzahlen als Funktion der anliegenden Spannung grafisch dar.
5 Messung von Wechselspannung
Aufgabe: Sie sollen mittels Funktionsgenerator und Linienschreiber Eigenschaften einer
niederfrequenten Wechselspannung bestimmen. Zunächst werden Sie sich mit den
Versuchsgerätschaften vertraut machen, anschließend sollen Sie kennzeichnende Größen für eine
sinusförmige Wechselspannung erfassen.
Aufbau: Für die Versuche zum Thema Wechselspannung steht Ihnen zunächst ein
“Funktionsgenerator” zur Verfügung, mit dem man u.a. sinusförmige Spannungsverläufe von niedriger
Frequenz “herstellen” kann. In Abbildung 5 sind die wesentlichen Bedienelemente dargestellt.
Abbildung 5
Legende:
1
Netzschalter (an der Seite)
2
Einstellpotentiometer für die Frequenz (Skalenwert  x eingestellter Frequenz  = Ausgangswert). Bis zum Anschlag
nach rechts drehen.
3
Frequency Hz. Zur Verstellung der Frequenz in sechs Dekaden durch Drucktasten. (0,2, 2, 20, 200, 2k, 20k)
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Mode, Drucktasten für die Wahl der Kurvenform (Sinus, Dreieck, Rechteck)
Attenuator. Dient zur Abschwächung des Ausgangssignals (0 dB, -20 dB, -40 dB)
BNC-Buchse zum Einspeisen einer Steuerspannung (hier ohne Funktion)
Sync. Out. Zur Ausgabe von Steuerimpulsen (hier ohne Funktion)
AMPL. Einstellung der Höhe der Ausgangsspannung von 0,1Vss - 15 Vss.
OUT. Ausgang des Frequenzgenerators. Dieser Anschluss ist über einen BNC-Adapter mit dem Eingang des
Linienschreibers zu verbinden.
POWER. Betriebsanzeige = Kontroll-LED
Grundeinstellung: Die Grundeinstellung des Funktionsgenerators ergibt sich, wenn Sie die in der Liste
fettgedruckten Werte einstellen. Bringen Sie den Drehknopf für die Höhe der Ausgangsspannung
(AMPL.) in eine mittlere Position. Schalten Sie das Gerät noch nicht ein!
Neben dem Frequenzgenerator setzen Sie den Linienschreiber ein, den Sie schon im Versuchsteil 2
kennen gelernt haben und dessen Beschreibung Sie am Ende der Versuchsanleitung finden. Hier
deshalb nur noch die vorzunehmenden Einstellungen:
Setzen Sie einen Faserstift in die entsprechende Halterung des Linienschreibers, senken Sie aber den
Stift noch nicht auf das Papier ab. Wählen Sie am Linienschreiber einen Messbereich von 5V .
Drücken Sie die Taste “ZERO” ein und bringen sie den Faserstift in Mittelstellung. Achten Sie bitte
darauf, dass der Papiervorschub zunächst gestoppt ist (CHARTDRIVE - STOP). Schalten Sie das
Messgerät ein.
Schließen Sie das Ausgangssignal des Funktionsgenerators (OUT = 9) über Messleitungen an den
zuvor gewählten Kanal des Linienschreibers an. Die Anschlüsse befinden sich auf der Rückseite des
Linienschreibers. Achten Sie darauf, den richtigen Kanal zu Wählen (rot/blau) und die Anschlüsse 'Hi'
und 'Lo' zu verwenden.
Durchführung:
1. Kennen lernen des Gerätefunktionen: Schalten Sie nun den Funktionsgenerator ein. Der Faserstift
sollte sich langsam hin- und herbewegen. Um diese Bewegung mit dem Linienschreiber auf dem
Papier zu registrieren, muss zunächst eine Papiervorschubgeschwindigkeit von 300mm/min gewählt
werden. Wenn Sie jetzt den Hebel für den Faserstift nach unten drücken und die Taste CHARTDRIVE
STOP freisetzen, erhalten Sie einen Schrieb des sinusförmigen Funktionsgeneratorsignals.
Sie können jetzt durch vorsichtiges Verstellen der Potentiometer FREQUENCY bzw. APML. das
Aussehen der Kurve beeinflussen. Außerdem können Sie durch Wählen einer anderen Kurvenform
(Tasten MODE) einmal andere Verläufe registrieren.
2. Messen der Wechselstromgrößen: Wählen Sie nun am Funktionsgenerator wieder die Funktion ‘~’,
und stellen Sie die niedrigste Frequenz ein. Lassen Sie einige komplette Sinusschwingungen (Abb. 6)
aufzeichnen und beenden Sie dann die Registrierung, indem Sie den Papiervorschub abschalten und die
Faserstiftspitze wieder abheben.
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Y
+U0
Ueff.
t
T
-U0
Abbildung 6
Auswertung: Bestimmen Sie aus dem registrierten Spannungsverlauf den Scheitelwert UO der
Wechselspannung. Errechnen Sie den Effektivwert Ueff. nach der Formel U eff  U 0 / 2 .
Bestimmen Sie aus der Periodendauer, die Sie dem Schrieb entnehmen, die Frequenz der anliegenden
Wechselspannung, und vergleichen Sie diese mit der Einstellung am Funktionsgenerator.
6 Einweggleichrichtung
Aufgabe: Im Folgenden sollen Sie die Eigenschaften einer Diode als Gleichrichter erarbeiten.
Diode
Funktionsgenerator
Linienschreiber
RL
Abbildung 7
Aufbau: Bauen Sie die oben skizzierte Gleichrichterschaltung mit der Experimentierplatte (der
Lastwiderstand Rl sollte mindestens 1000  betragen) auf, und schließen Sie die Ausgangsbuchsen
des Funktionsgenerators an die Versuchsplatte an. Ersetzten Sie die Diode dabei zunächst durch einen
‚Kurzschlussstecker’. Die anliegende Wechselspannung legen Sie dann an die Eingangsbuchsen des
Linienschreibers (Einstellungen wie im Versuchsteil 5). Wählen Sie am Funktionsgenerator die
Funktion Sinus (~); die Amplitude der Spannung soll mindestens 2V betragen, und die Frequenz sollte
0,2 Hz nicht überschreiten. Den Linienschreiber stellen Sie so ein, dass der Nullpunkt in der Mitte
liegt, den Messbereich wählen Sie so, dass die Breite des Papiers möglichst voll ausgenutzt wird. Der
Papiervorschub sollte wieder 300mm/min betragen.
Durchführung: Registrieren Sie den Spannungsverlauf mit dem Linienschreiber zunächst wie im
vorigen Versuchsteil. Ändern Sie nichts an den Einstellungen, entnehmen dann den
'Kurzschlussstecker' und setzen an seiner Stelle die Diode ein. Registrieren Sie einige Wellenzüge.
Drehen Sie die Polarität der Diode anschließend einmal (Diode entnehmen, andersherum wieder
einstecken), und registrieren Sie wieder.
Auswertung: Erläutern Sie den Kurvenverläufe für die unterschiedlichen Schaltungen auf dem
Schreiberdiagramm.
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Bedienungsinformationen zum Linienschreiber:
Im Versuch verwenden Sie als Spannungsmessgerät einen 2-Kanal-Linienschreiber (Fabrikat Philips,
Type PM 8252 A). Mit diesem Gerät ist es möglich, Spannungsverläufe zeitabhängig zu registrieren.
Während der Faserstift sich proportional zur angelegten Messspannung zwischen den äußeren
Papierrändern (rechts/ links) bewegt, wird das Registrierpapier unter dem Stift mit konstanter,
vorwählbarer Geschwindigkeit vorbeigeführt. Man erhält auf diese Weise als Schreiberdiagramm, den
Spannungsverlauf als Funktion der Zeit.
Faserstifte
blau (2) / rot (1)
Hebel zum Absetzen
der Faserstifte blau (2) / rot (1)
Kanal 2 Kanal 1
blau
rot
PM 8252 A
Papiervorschub ein/aus
CHARTDRIVE
RANGE
STOP
10
20
Geschindigkeitsvorwahl
30
RANGE
1mV
x1
1mV
x1
10mV
x2
10mV
x2
100mV
x5
100mV
x5
1V
60
10V
Messbereich
1V
+/-
10V
+/-
Vorzeichen
120
Zeitbasis
300
VAR/CAL
VAR/CAL
Anpassung
ZERO/REC
ZERO/REC
Nullpunkt
mm/h
mm/min
Netzschalter
POWER
on
off
Abbildung 8
Ein Hinweis: Alle Schalter sind als Druckknöpfe ausgebildet und von einem grünen Band umfasst.
Wenn der Knopf gedrückt und eingerastet ist, ist dieser Streifen nicht sichtbar - es gilt die weiße
Aufschrift auf der Bedienblende. Wenn der Knopf nicht eingedrückt ist und das grüne Band zu sehen
ist, gilt die grüne Aufschrift.
Einstellungen:
1. Netzanschluss herstellen
2. Einen Faserstift auswählen (rot für Kanal 1 oder blau für Kanal 2) und die Faserstiftkappe abnehmen . Die Kappe bitte
unbedingt an sicherem Ort aufbewahren und nach Abschluss aller Messungen wieder aufsetzen.: Stiftpreis 7€
3. Faserstift in die vorgesehene Halterung einsetzen
4. Messleitung an "HI" und "LO" am Kanal 1 (rot) oder Kanal 2(blau) anschließen
5. Papiervorschubtaste "STOP" eindrücken (Papiervorschub ist unterbrochen)
6. Taste "ZERO/REC" für beide Kanäle eindrücken (Pos. ZERO, grünes Band unsichtbar), die Eingangsklemmen sind dann
kurzgeschlossen
7. Taste "POWER" eindrücken (Messgerät in Betrieb)
8. Lage des Nullpunktes für den gewählten Kanal überprüfen und gegebenenfalls mit dem Potentiometer (Drehknopf)
"ZERO" den Faserstift in die Mittelposition zwischen linkem und rechtem Anschlag bringen
9. Taste “ZERO/REC" am gewählten Kanal freigeben (Pos. REC, grünes Band sichtbar)
10. Taste "VAR/CAL" des gewählten Kanals überprüfen, sie soll freigegeben sein (Pos. CAL, grünes Band sichtbar), es wird
"absolut" (=calibrated) gemessen
11. Taste "+/-" überprüfen, sie soll freigegeben sein (Position ’+’, grünes Band sichtbar). Mit einer der Tasten 1mV, 10mV,
100mV, 1V oder 10V und einer der Tasten x1, x2 oder x5 den Messbereich so wählen, dass der größte zu erwartende
Messwert gerade noch dargestellt werden kann
13.05.16
8