Strom - Physik
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Strom - Spannungscharakteristiken Strom - Spannungscharakteristiken 1. Einführung Legt man an ein elektrisches Bauelement eine Spannung an, so fließt ein Strom. Den Zusammenhang zwischen beiden Größen beschreibt die Strom – Spannungscharakteristik. 1.1. Lernziele Bei diesem Versuch sollen Sie lernen, Strom - Spannungscharakteristiken von verschiedenen Schaltelementen aufzunehmen, aus den Kennlinien Schlüsse zu ziehen, um welche Arten von Widerständen es sich handelt, wie man einfache Messgeräte als Strom- oder als Spannungsmessgeräte schaltet, wie ein Spannungsteiler arbeitet. 1.2. Vorbereitung 1.2.1. Grundlagen Kirchhoffsche Gesetze: Knotenregel und Maschenregel Ohmsches Gesetz - Ohmscher Widerstand elektrische Leistung, Wirkungsweise von Drehspulmessgeräten Diodenkennlinie 1.2.2. Literatur W. Walcher, Praktikum der Physik, Kap. 5.0.3 bis 5.1.4 84 UC 400 W154(6) Klaus Beuth, Bauelemente der Elektronik, Kap. 5.1 - 5.9 (S. 92 – 111) 84 UH 4000 E38 -2(4) 1.2.3. Aufgaben 1.2.3.1. Schreiben Sie den Ausdruck für den Gesamtwiderstand Schaltungen der in Abb. 1. vielen Mess- auf. 1.2.3.2. Bei aufgaben wird die Schaltung von Abb. 2, die sog. Wheatstone'sche Brücke, Abbildung 1: Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen. verwendet. Die Verbindungspunkte dreier stromtragender Leitungen heißen Knoten. Für den ersten Knoten gilt: Strom - Spannungscharakteristiken Version 14.5.03 Seite 1 von 5 Strom - Spannungscharakteristiken I 0 − I 1− I 3 = 0 . Notieren Sie die Strombilanzen für die anderen drei Knoten ! 1.2.3.3. Ein geschlossener Stromkreis heißt Masche. In jeder Masche ist die Gesamtspannung Null. Für die Teilspannungen an den Widerständen der ersten Masche U 1 −U 3 U 5=0 . gilt also Mit U =R⋅I folgt R 1 I 1−R 3 I 3 R 5 I 5 =0 . Abbildung 2: Beschaltung der Wheatstone'schen Schreiben Sie die Gleichungen für Brücke. die beiden anderen Maschen auf! Was muss für die Widerstände R1, R2, R3, R4 gelten, damit durch R5 kein Strom fließt (Abgleichbedingung)? 1.2.3.4. Berechnen Sie die Leistung P als Funktion des Verbraucherwiderstandes R für Messaufgabe 4.3.2 dieses Versuchs (Abb. 3) und leiten Sie die Größe von R ab, für die die Verbraucherleistung maximal wird. 1.2.3.5. Betrachten Sie einen belasteten bzw. unbelasteten Spannungsteiler. Berechnen Sie für beide Fälle die Beziehung zwischen der Eingangsspannung U0 und der geteilten Ausgangsspannung U als Funktion der beteiligten Widerstände R1,R2 und des Lastwiderstands RL. Strom - Spannungscharakteristiken Version 14.5.03 Seite 2 von 5 Strom - Spannungscharakteristiken 2. Versuchsdurchführung Geräte: Netzgerät mit einstellbarer Spannung Vorwiderstände R0 = 200 Ω, 500 Ω, 1000 Ω als Dekadenwiderstand Testobjekte (siehe unten) Multimeter 2.1. U – I – Kennlinien Zur Messung der Abhängigkeit zwischen Spannung U und Strom I wird die Schaltung der Abb. 3 benutzt. Abbildung 3: Schaltung zur Aufnahme von U - I - Kennlinien. Messung: Bei Inbetriebnahme der Schaltung werden alle Instrumente auf den unempfindlichsten Bereich geschaltet. Die Spannungsquelle auf 0 V gestellt und dann langsam hochgedreht. Die Polung ist zu beachten! Machen Sie sich durch Messung ohne Testobjekt klar, welcher Fehler in der Strommessung unvermeidlich ist. Hängt dieser von der Empfindlichkeit des Voltmeters ab? Mit der angegebenen Schaltung von Abb. 3 messe man die Strom - Spannungscharakteristik von folgenden Testobjekten: Widerstand 470 Ω ”Black-Box” (auch umgepolt messen!) Glühbirne, 12 V Diode (auch umgepolt messen!) Für R0 nehme man bei der Glühbirne 200 Ω und bei der Diode 1 kΩ, sonst ist R0 beliebig, jedoch so zu wählen, dass die in ihm verbrauchte Leistung 1 Watt nicht überschreitet. Strom - Spannungscharakteristiken Version 14.5.03 Seite 3 von 5 Strom - Spannungscharakteristiken Auswertung Stellen Sie Ihre gemessenen Größen in U – I - Diagrammen dar. Bestimmen Sie den betreffenden ”Widerstand” aus der Steigung der Kennlinie. Bei nichtlinearen Kennlinien bestimme man den differenziellen Widerstand ∆U/∆I für zwei verschiedene Werte von U. Diskutieren Sie die Ursache der Abweichung vom Ohmschen Verhalten. Was lässt sich über den Inhalt der ”Black-Box” aussagen? Zeichnen Sie jeweils bei den einzelnen Diagrammen die entsprechenden Fehlerbalken ein. Der Fehler setzt sich zusammen aus Ablesefehler und Fehler des Messgerätes (Messungenauigkeit des Gerätes ±1,5 % vom Skalenendwert). 2.2. Elektrische Leistung Man verwende die gleiche Schaltung (Abb. 3); anstelle des Testobjekts tritt nun ein Dekadenwiderstand. R0 sei 500 Ω. Stellen Sie am Netzgerät U0 fest ein (z. B. 10 V) und variieren Sie nur R. Messung: Messen Sie U(R) und I(R). Auswertung: Berechnen Sie P(R) = U(R) · I(R) und tragen Sie die Werte in ein P-R-Diagramm ein. Betrachten Sie U0 und R0 als Generator und das Testobjekt als ”Verbraucher”. Vergleichen Sie das Messergebnis mit dem Ergebnis der entsprechenden Vorbereitungsaufgabe. 2.3. Spannungsteiler Benutzen Sie einen sog. Spannungsteiler (siehe Abb. 4), um aus einer Spannung U0 eine einstellbare Spannung U zu erzeugen. Die Ausgangsspannung U des Spannungsteilers entspricht nur dann dem Teilungsverhältnis der Widerstände, wenn im Sekundärkreis kein Strom fließt, d.h. der Verbraucher unendlich großen Widerstand besitzt. Abbildung 4: Schaltung des Spannungsteilers. Sie sollen in diesem Versuch herausfinden, wie ein endlicher Sekundärwiderstand die eingestellte Spannung verändert. Benutzen Sie als Spannungsteiler den Dekadenwiderstand. Erzeugen Sie z. B. aus Strom - Spannungscharakteristiken Version 14.5.03 Seite 4 von 5 Strom - Spannungscharakteristiken U0 = 20 V eine Spannung U = 12 V und schließen Sie an diese die 12 V-Glühbirne an. Beschreiben und begründen Sie das Ergebnis. Schließen Sie als Sekundärwiderstände 500 Ω, 1 kΩ, 2 kΩ und 4 kΩ an und messen Sie für jeden Fall die Ausgangsspannung U. Berechnen Sie jeweils die Spannungen, die sich unter Last ergeben sollten (Aufgabe 1.2.3.5). Vergleichen Sie Ihre Messergebnisse und Ihre Berechnungen in einer Tabelle mit Fehlerangaben. Strom - Spannungscharakteristiken Version 14.5.03 Seite 5 von 5
