Die Eigenschaften der Erdung

Die Eigenschaften der Erdung
Lukas Boesch
Paolo Gervasi
Betreut von Arno Germann
Kantonsschule Kreuzlingen
Naturwissenschaftliche Woche
Kreuzlingen 20.9.2004 - 24-9-2004
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Die Eigenschaften der Erdung
Lukas Boesch
Paolo Gervasi
Betreuer: Arno Germann
Kantonsschule Kreuzlingen
Zusammenfassung
Im Rahmen einer Naturwissenschaftlichen Woche an der Kantonsschule Kreuzlingen wurden
die Eigenschaften von verschiedenen Erdungen untersucht. Das Ziel war es, die Frage, wie
eine ideale Erdung aussähe, zu beantworten. Dazu wurde mit einem Elektronikbaukasten ein
primitives Radio gebaut und der Empfang bei verschiedenen Erdungen getestet. Um
herauszufinden, durch welche Art von Erdung der grösste Stromfluss stafffindet, wurden der
Nullleiter und die Phase einer Steckdose über ein Ampèremessgerät über verschiedene
Erdungen geerdet. Bei einer Erdung wurde die Kontaktfläche zum Boden variiert, um die
Hypothese zu beweisen, dass der Stromfluss steigt, wenn die Kontaktfläche vergrössert wird.
Riassunto
Nella settimana dedicata alle scienze naturali, abbiamo voluto analizzare una cosa con la quale
molte persone hanno contatto nella vita quotidiana senza chiedersi come funzioni: la presa a
terra. Il nostro traguardo era di scoprirne le caratteristiche e cercare di costruirne una che abbia
le stesse capacita' come le prese a terra che si trovano nel sistema elettrico presente in
qualunque edificio. Per questo scopo abbiamo costruito una radio primitiva che abbiamo
collegato con diverse prese a terra come per esempio un rubinetto o lo stagno davanti la
scuola cantonale. In questo modo era facile verificare se la presa a terra funzionava o no.
Un altro traguardo che ci siamo posti era di confermare o provare l'invalidita' dell'ipotesi che
aumentando la superfice di contatto della presa a terra col terreno, il flusso di corrente diventi
piu' grande.
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Einleitung
Die Erdung ist eine Methode, zu verhindern, dass sich in Gehäusen von elektrischen Geräten
eine elektrische Ladung aufbaut, von welcher der Benutzer einen Schlag kriegen könnte. Um
dies zu verhindern wird das Gehäuse geerdet. Erdungen sind mit dem Boden verbundene
elektrische Leiter bei denen der Boden als negativer Pol dient. Auch bei der Steckdose gibt es
eine Erdung. Da das Stromnetz sonst eine Verbindung zurück bis zum Kraftwerk haben müsste
(was den Aufwand für das Stromnetz vervielfachen würde), bedient man sich der Erde als
Rückleiter.
Ein anderes wichtiges Beispiel der Anwendungen der Erdung ist die Bahn. Bei einer
Elektrolokomotive dient die Fahrleitung als + Pol und eine Erdung über die Schienen als – Pol.
Die Erdung wird bei allen elektrischen Anwendungen benötigt, die nicht mithilfe von Batterien
funktionieren.
Für elektrische Geräte gibt es teilweise gesetzliche Vorschriften, ob das betreffende Gerät am
Gehäuse eine Erdung benötigt, wie beispielsweise bei Waschmaschinen, da sich durch
austretendes Wasser die Metallhülle aufladen könnte.
Erdungen werden auch benötigt, um die Leistungsfähigkeit von Antennen zu erhöhen.
Was nun interessiert, sind die Eigenschaften von verschiedenen Erdungen, wobei die Fragen
aufkommen, wie eine ideale Erdung aussehen würde und wie stark der Stromfluss durch eine
Erdung ist.
Dazu zwei Hypothesen
1. Eine Erdung kann dadurch verbessert werden, indem man die Kontaktfläche zum
Boden vergrössert oder die Leiteigenschaften der Erdung und des umliegenden
Bodens verbessert.
2. Eine aktive Erdung erwärmt sich.
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Material & Methoden
Experiment mit einem Radio und verschiedenen Erdungen:
Material: Kosmos Elektronikbaukasten, 100 Meter langes Kabel als Antenne, Eisenrohr als
Erdung, Netzgerät mit eingebauter Erdung.
Erdung von 220 V:
Material: Steckdose, Messgerät, 80 Meter langes Kabel, Eisenrohr, In Serie geschaltete
Widerstände (zusammen 114 kΩ)
Ergebnisse
In den folgenden Experimenten wurde als Leiter ein Eisenrohr, das mit einem Kabel verbunden
war verwendet.
Experiment 1:
Die Phase einer Steckdose (Spannung: 230 V) wurde mit verschiedenen Materialien bzw.
Böden geerdet wobei nach dieser Skizze vorgegangen wurde.
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Hierbei wurden die folgenden Ergebnisse gemessen:
Erdung
Gemessene Stromstärke
Trockene Wiese
1.8 mA
Biotop
2.0 mA
Nasse Wiese
2.0 mA
Erdung der Steckdose
2.0 mA
Stromstärke in mA
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
Trockene Wiese
Biotop
Nasse Wiese
Erdung der
Steckdose
Irrtümlicherweise wurde das gleiche Experiment auch mit dem Nullleiter (Spannung: 0.1 V)
durchgeführt. Dabei wurden folgende Daten gemessen:
Erdung
Stromstärke
Stromstärke
1. Messung
2. Messung
Biotop
0.002 mA
0.002 mA
Nasse Wiese
0.002 mA
0.003 mA
Erdung der Steckdose
0.002 mA
0.003 mA
Stromstärke in µA
3
1. Messung
2. Messung
2.75
2.5
2.25
Die Schwankungen der
Messung sind auf die
Ungenauigkeit des
Messgeräts im µABereich
zurückzuführen
2
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
Biotop
Nasse Wiese
Steckdose
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Experiment 2:
Nach dem Bau eines primitiven Radios, war es möglich dieses mit verschiedenen Materialien
zu erden. Erwähnenswert ist, dass das Radio nicht immer eine Erdung zum sauberen Empfang
benötigte. Hieraus entstand eine andere Vermutung, nämlich dass der Empfang nicht nur von
der Erdung, sondern auch vom Wetter bzw. von der Luftfeuchtigkeit abhängig ist.
Bei unklarem Empfang mit fehlender Erdung wurde das Radio mit folgenden Materialien
geerdet:
Erdung
Empfang
keine
Starkes Rauschen
Steckdose
Sehr gut
Wasserhahn
Starkes Rauschen (wie ohne Erdung)
Siphon
Lautes Rauschen mit Ansätzen von Gespräch
Biotop
Gespräch verständlich, jedoch sehr leise
Nasse Wiese
Gespräch verständlich, jedoch sehr leise
Experiment 3:
Ein Eisenstab, der mit dem Nullleiter verbunden
ist(wegen der geringen Spannung von 0.1 V
haben wir den Nulleiter statt der Phase
verwendet) , wurde mit verschiedenen Tiefen in
das Biotop gesteckt. Je tiefer der Stab im
Wasser
steckte,
desto
grösser
war
die
Kontaktfläche.
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Dabei wurden folgende Daten gemessen:
Tiefe
Stromfluss
5 cm
150 µA
10cm
220 µA
15 cm
270 µA
20 cm
300 µA
30 cm
310 µA
35 cm
320 µA
40 cm
320 µA
Stromflusskurve
325
300
wobei es gelang eine geeignete
275
Regressionskurve, nämlich eine
Exponentialkurve, zu finden.
Formel:
f  x=−322.4∗e−0.1202∗x323.1
Standardabweichung: 4.702
Stromfluss in µA =>
Hierbei wurde die folgenden Kurve erhalten,
250
225
200
175
150
125
100
75
50
25
0
0
5
10
15
20
Tiefe in cm =>
Messdaten
Regressionskurve
-7-
30
35
40
Diskussion
Die Fragestellung über die ideale Erdung warf zuerst Probleme auf, da sie mithilfe eines
Radios getestet wurde. Dieses Radio wurde über ein Netzgerät, das auch als Stromversorgung
diente, geerdet. Aber jede andere Erdung verursachte ein starkes Rauschen, sodass der
Empfang fast nicht mehr hörbar war und kein Unterschied zum Radio ohne irgendeiner Erdung
bemerkbar war. Am gleichen Tag etwa zwei Stunden später waren keine Störgeräusche mehr
zu hören, obwohl die Erdung ausgesteckt wurde. Durch die Verbindung mit einer
selbstgebauten Erdung konnte der Empfang nur verschlechtert werden. Mögliche Erklärungen
dafür wären Störsender oder die Luftfeuchtigkeit. Der schlechte Empfang mit der
selbstgebauten Erdung könnte vom langen Kabel, das zur Verbindung mit der Erde verwendet
wurde, abhängig sein, da dieses wie eine störende Antenne hätte wirken können. Die ideale
Erdung für ein Radio wäre deshalb eine Erdung, die möglichst gut von
störender Hintergrundstrahlung abgeschirmt ist und eine gute Verbindung zum Boden bildet.
Durch Experimente mit 230 V konnte bewiesen werden, dass für eine gute Erdung der Kontakt
zum Boden und die Leiteigenschaften der Erdung wichtig sind. Obwohl bei der Steckdose
zuerst der Nullleiter, der eine sehr kleine Spannung führt, statt der Phase verwendet wurde,
zeigte das Messgerät eine Veränderung des Stromflusses um mehr als das Doppelte, als der
Bodenkontakt etwa verdreifacht wurde. Damit ist die Hypothese, die besagt, dass der
Stromfluss durch eine Erdung grösser wird, wenn man die Kontaktfläche zum Boden
vergrössert, bestätigt.
Die zweite Hypothese über die Erwärmung einer Erdung ist nur theoretisch bewiesen, denn
eine Erdung hat wie fast alle elektrischen Leiter einen Widerstand und bei Widerständen wird
immer Energie in Form von Wärme abgegeben. Diese Erwärmung ist jedoch kaum messbar,
da der Widerstand von dem Eisenrohr, das als Erdung diente, zu gering und die Abkühlung
durch die Umgebung zu gross ist.
Als die Phase der Steckdose mit verschiedenen Erdungen geerdet wurde, veränderte sich der
Stromfluss kaum, wobei selbstgebauten Erdungen durch Wasser oder nasse Erde die
Eigenschaften der in der Steckdose eingebauten Erdung erreichte.
Um eine gute Erdung zu konstruiren, die auch zur Verbesserung einer Antenne gebraucht wird,
sollte die Erdung zusätzlich zum grossem Bodenkontakt gegen Radionwellen gut abgeschirmt
sein.
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Literaturverzeichnis
Experimentieranleitung „Kosmos electronic XN3000“
Franckh-Kosmos Verlags-Gmbh & Co., Stuttgart
Danksagungen
Wir möchten uns herzlich bei Herrn Müller bedanken, der uns viele wertvolle Ratschläge gab
und sich sehr viel Mühe gegeben hat, ein Ersatzteil aufzutreiben, ohne das es uns nicht
möglich gewesen wäre einige unserer Experimente durchzuführen. Wir bedanken uns auch bei
Herrn Germann wegen seiner ausgezeichneten Betreuung.
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