E10 Wechselstromwiderstände: Serienschwingkreis

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Physikalisches Anfängerpraktikum
Universität Stuttgart
WS 2013/14
Protokoll zum Versuch
E10 Wechselstromwiderstände:
Serienschwingkreis
Johannes Horn, Robin Lang
28.03.2014
Verfasser:
Mitarbeiter:
Gruppennummer:
Datum:
Betreuer:
Robin Lang (BSc. Mathematik)
Johannes Horn (BSc. Mathematik)
ST
28.03.2014
Dubravka Ukalovic̄
1
Inhaltsverzeichnis
E10 Wechselstromwiderstände
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabenstellung
3
2 Grundlagen
2.1 Ohmscher Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Kapazitiver Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Induktiver Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3
3
4
3 Fragen
4
4 Messprinzip mit Skizze und Versuchsablauf
4.1 Versuchsaufbau und -durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Verwendete Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
6
5 Benötigte Formeln
5.1 Abgleichbedingung bei der Wheatstone’schen Brückenschaltung
5.2 Berechnung des Widerstandes mit Serien-RC-Glied . . . . . . . .
5.3 Berechnung des Widerstandes mit Parallel-RC-Glied . . . . . . .
5.4 Phasenverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
7
7
7
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6 Messwerte
7
7 Auswertung
7.1 Teilaufgaben a) und b) Impedanz, Phase, Wirk-, Blind- und Scheinwiderstand
7.2 Teilaufgabe c) Grafische Aufbereitung der Messwerte und Bestimmung der Resonanzfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
8
10
8 Fehlerdiskussion
11
9 Zusammenfassung
12
10 Literatur
13
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2
GRUNDLAGEN
E10 Wechselstromwiderstände
1 Aufgabenstellung
Im Versuch soll der komplexe Widerstande eines Bauteils mit unbekanntem komplexen Widerstand in Abhänigikeit von der Wechselstromfrequenz bestimmt werden. Dazu nutzt man
eine Wheatstone’sche Brückenschaltung, die durch ein RC-Glied mit einem veränderbaren
Widerstand abgeglichen wird. Dann ist der komplexe Widerstand des Bauteils durch die
anderen bekannten Widerstände berechenbar.
2 Grundlagen
In Wechselstromkreisen gibt es drei verschieden Arten von Widerständen, da sich die Widerstände nicht nur auf die Amplituden von Stromstärke und Spannung auswirken, sondern
auch die Phasenlage verändern. Um diese beiden Eigenschaften eines Widerstands wiederzugeben, greift man auf die komplexen Zahlen zurück. Betachtet man die komplexen Zahlen
in Polarkoordinaten, so gibt der Betrag der komplexen Zahl, der Scheinwiderstand, wie beim
Gleichstrom das Verhältnis von Spannung zur Stromstärke an und der Winkel entspricht der
Phasenverschiebung von Stromstärke und Spannung. Im Folgenden werden die drei Grundtypen von komplexen Widerständen kurz erläutert. [1] [2]
2.1 Ohmscher Widerstand
Ohmsche Widerstände entsprechen keine Phasenverschiebung. Das heißt, sie sind rein reell
und es gilt wie bei Gleichstrom
U0
ZR =
,
I0
wobei U0 und I0 die Amplituden der Wechselspannung bzw. des Wechselstroms beschreiben.
2.2 Kapazitiver Widerstand
Kapazitive Widerstände werden durch Kondensatoren hervorgerufen. Für diese gilt mit der
Kapazität C des Kondesators
Q = C · U.
Daraus folgt durch differenzieren
I = C · U̇ .
Damit folgt, wenn man von einer Wechselspannungsquelle mit
U (t) = U0 · eiωt
ausgeht,
I (t) = iωC · U0 · eiωt = iωC · U (t) .
Also ergibt sich der komplexe Widerstand eines Kondesators zu
ZC =
1
1
U (t)
=
= −i
I (t)
iωC
ωC
Dieser ist wegen Re( Zc ) = 0 rein imaginär und wirkt sich demnach nicht auf das Verhältnis
der Amplituden aus. Andererseits ergibt sich aber eine Phasenverschiebung von − π2 zwischen Stormstärke und Spannung.
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4
MESSPRINZIP MIT SKIZZE UND VERSUCHSABLAUF
E10 Wechselstromwiderstände
2.3 Induktiver Widerstand
Induktive Widerstände werden durch Spulen hervorgerufen. Für eine Spule folgt aus dem
Induktionsgesetz:
U = L · İ
wobei L die Induktivität bezeichnet. Damit ergibt sich, mit einem Wechselstrom
I (t) = I0 · eiωt
U = iωL · I .
Und damit ein komplexer Widerstand von
ZL =
U (t)
= iωL
I (t)
Dieser ist wiederrum rein imaginär, erzeugt aber eine Phasenverschiebung von
π
2.
3 Fragen
Siehe handschriftliche Bearbeitung im Anhang.
4 Messprinzip mit Skizze und Versuchsablauf
4.1 Versuchsaufbau und -durchführung
Abbildung 1: Versuchsaufbau [4]
Bei dem zu untersuchenden Schaltkreis handelt es sich um eine Wheatstone’sche Brückenschaltung, welche über einen Differenzverstärker an einem digitalen Oszilloskop angeschlossen ist. Durch das Anlegen von Spannung variierender Frequenzen mithilfe des Frequenzgenerators wird die Brückenschaltung dann durch Variation der Kapazität des Kondensators
und des Potentiometers näherungsweise angeglichen. ZuVermeidung von Messungenauigkeiten wurden diese beiden Bauteile geerdet.
Der Angleich-Vorgang findet mithilfe der Betrachtung der zwischen D und B (vgl. Abbildung 2, 3) anliegenden Potentialdifferenz statt, welche minimiert werden soll und am Oszilloskop (Pk-Pk-Value1 ) abgelesen werden kann. Notiert werden hierbei die Frequenz der
1 Um
übermäßiges Rauschen zu verhindern, wurde das Oszilloskop auf 128−fache Mittelwertbildung des Inputsignals eingestellt.
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4
MESSPRINZIP MIT SKIZZE UND VERSUCHSABLAUF
E10 Wechselstromwiderstände
Spannungsquelle, der zugehörige ohmsche Widerstand und die eingestellte Kapazität des
variablen Kondensators.
Hierbei sollen jeweils mindestens zehn Frequenzen
0, 2 kHz = f 1 < f 2 < . . . < f 10 < f 0
unterhalb der Resonanzfrequenz und mindestens zehn Frequenzen
f 0 < f 11 < . . . < f 20 = 8, 0 kHz
überhalb dieser aufgezeichnet werden, wobei die lokale Schrittweite mit abnehmendem Abstand zu f 0 ebenfalls abnimmt2 (vergleiche Kapitel 6 Messwerte).
Abbildung 2: Schaltkreis für ω < ω0 [3]
Sei f 0 bzw. ω0 die Resonanz(-kreis)frequenz des Schwingkreises. Während für Frequenzen
ω < ω0 ein Reihen-RC-Glied verwendet wird (Abbildung 2), tauscht man dieses für ω > ω0
durch ein Parallel-RC-Glied aus (Abbildung 3), da diese Schaltung in der Lage ist positive
Phasen abzugleichen, während mit der Schaltung aus Abbildung 2 nur negativen Phasen
abgeglichen werden können.
Abbildung 3: Schaltkreis für ω > ω0 [3]
2 Die
Resonanzfrequenz f 0 wird vor dem Versuch durch Überbrückung von Kondensator und Potentiometer grob
geschätzt (Schätzung siehe Kapitel 6)
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5
BENÖTIGTE FORMELN
E10 Wechselstromwiderstände
4.2 Verwendete Geräte
• Wechselstrommessbrücke
– Steckplatine
– Zwei Widerstände mit R1 = R2 = R3 = 4, 7 kΩ
– Variabler Widerstand (Potentiometer)
– Variabler Kondensator (40 pF bis 1, 2 µF)
– Blackbox mit zu bestimmendem komplexen Widerstand
– Steckverbindung (Brücke)
• Frequenzgenerator (0, 2 Hz - 8 kHz)
• Differenzverstärker
• Digitales Oszilloskop
• Verbindungskabel
5 Benötigte Formeln
5.1 Abgleichbedingung bei der Wheatstone’schen Brückenschaltung
Ist die Brücke abgeglichen,
besitzen also die Punkte B
und D (vgl. Abbildung 4)
keine Potentialdifferenz,
∆UDB = 0,
so ergibt sich aus dem zweiten Kirchhoffschen Gesetz
folgender Zusammenhang
zwischen Stromstärke und
komplexem Widerstand:
Abbildung 4: Wheatstone’sche Brückenschaltung [3]
Zx I1 = Z2 I2
(1)
Z3 I1 = Z4 I2
(2)
Aus der zweiten Gleichung folgt
I2 =
Z3 I1
Z4
Zx =
Z2 Z3
.
Z4
und damit aus der ersten Gleichung
(∗)
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6
MESSWERTE
E10 Wechselstromwiderstände
5.2 Berechnung des Widerstandes mit Serien-RC-Glied
Der Gesamtwiderstand des Serien-RC-Glieds beläuft sich auf
Z2 = Rn +
1
.
iωCn
Da außerdem Z3 = Z4 = const gilt, ergibt sich mit 5 (3)
Zx = Z2 = Rn +
1
1
= Rn − i
.
iωCn
ωCn
Damit erhält man einen Scheinwiderstand von
s
| Zx | =
R2n +
(4)
1
.
(ωCn )2
(5)
5.3 Berechnung des Widerstandes mit Parallel-RC-Glied
Der Gesamtwiderstand des Parallel-RC-Glieds beläuft sich auf
−1
1
Z4 =
+ iωCn
.
Rn
Da außerdem: Z2 = Z3 = const ergibt sich wiederum mit (3) aus Kapitel 5 Formeln:
Zx =
Z22
1
+ iωCn
Rn
Damit erhält man einen Scheinwiderstand von
s
| Zx | = Zn2
=
Z22
+ iωZ22 Cn
Rn
(6)
1
+ ω 2 Cn2 .
R2n
(7)
5.4 Phasenverschiebung
Die Phase ist der Winkel der Polardarstellung der komplexen Zahlen. Dieser ergibt sich mit
der Eulerschen Formel zu:
Im( Zx )
ϕ x = arctan
(8)
Re( Zx )
6 Messwerte
Für die Resonanzfrequenz ergab sich ein Wert von ungefähr f 0 = 1, 53 kHz. Für die verschiedenen Frequenzen f i < f 0 mit dem Serien-RC-Glied ergaben folgende Messwerte, um die
Brücke abzugleichen:
Frequenz [kHz]
ZR [ Ω ]
Cn [nF]
0,2
920
47,4
0,4
1100
49,6
0,6
1060
54,5
0,8
1050
63,9
1,0
1040
83,1
1,2
1040
129,4
1,3
1040
188,3
1,4
1040
368,3
1,425
1040
488,5
1,45
1040
868,4
Bei der umgebauten Schaltung mit Parallel-RC-Glied benötigte man für die verschiedenen
Frequenzen f i > f 0 folgende Abgleichbedingungen:
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7
AUSWERTUNG
E10 Wechselstromwiderstände
Frequenz [kHz]
Rn [Ω]
Cn [nF]
1,45
21090
0
1,525
21140
0
1,55
21200
0,8
1,6
21220
1,3
1,65
21220
2,0
Frequenz [kHz]
Rn [Ω]
Cn [nF]
2,4
21490
6,9
3,0
21670
8,4
4,0
22050
9,8
6,0
23100
10,7
8,0
24900
11,1
1,7
21290
2,5
1,8
21290
3,5
2,0
21390
4,9
7 Auswertung
7.1 Teilaufgaben a) und b) Impedanz, Phase, Wirk-, Blind- und
Scheinwiderstand
Mithilfe der Formeln (4)-(8) aus Kapitel 5 erhält man folgende Auswertung. Der obere Teil
der Tabelle stellt hierbei die Auswertung der Schaltung mit dem Serien-RC-Glied, der untere
Teil die mit dem Parallel-RC-Glied dar.
Frequenz
f [kHz]
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,3
1,4
1,425
1,45
Wirkwiderstand
Re Zx [Ω]
920
1100
1060
1050
1040
1040
1040
1040
1040
1040
Blindwiderstand
Im Zx [Ω]
-16789
-8022
-4867
-3113
-1915
-1025
-650
-309
-229
-126
Impedanz
Zx [ Ω ]
920-16789i
1100-8022i
1060-4867i
1050-3113i
1040-1915i
1040-1025i
1040-650i
1040-309i
1040-229i
1040-126i
Scheinwiderstand
| Zx |
16814
8097
4981
3286
2179
1460
1227
1085
1065
1048
Phase
ϕ x [rad]
-1,51
-1,43
-1,35
-1,25
-1,07
-0,78
-0,56
-0,29
-0,22
-0,12
1,5
1,525
1,55
1,6
1,65
1,75
1,8
2,0
2,4
3,0
4,0
6,0
8,0
1047
1045
1042
1041
1041
1038
1038
1033
1028
1019
1002
956
887
0
0
172
289
458
560
874
1360
2298
3498
5441
8911
12325
1047
1045
1042+172i
1041+289i
1041+458i
1038+560i
1038+874i
1033+1360i
1028+2298i
1019+i3498
1002+5441i
956+8911i
887+12325i
1047
1045
1056
1080
1137
1179
1357
1708
2517
3643
5532
8962
12357
0
0
0,16
0,27
0,41
0,49
0,7
0,92
1,15
1,29
1,38
1,46
1,50
Abbildung 5: Auswertung der Messwerte
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7
AUSWERTUNG
E10 Wechselstromwiderstände
Exemplarisch führen wir einige Berechnungen am ersten Messwert durch:
Re Zx = R = 920 Ω
1
1
1
Im Zx = −
=−
=−
1
ωCn
2π · f Cn
2π · 200 s · 47, 4 · 10−9 F
1
V
=−
· 109 6 s ·
≈ −16789 Ω
2π · 200 · 47, 4
A· 6 s
Zx = Re Zx + i · Im Zx = (920 − 16789i ) Ω
q
p
| Zx | = (Re Zx )2 + (Im Zx )2 = 9202 + 167892 Ω ≈ 16814 Ω
Im Zx
−16789 Ω
ϕ x = arctan
≈ −1, 51 rad
= arctan
Re Zx
920 Ω
Aus obiger Tabelle lässt sich die Abhängigkeit des komplexen Widerstands von der Frequenz erkennen. In der Nähe der Resonanzfrequenz ist die Phase nahezu Null und der unbekannte Widerstand wirkt als reiner ohmscher Widerstand. Für kleine bzw. sehr große Werte
gegenüber der Resonanzfrequenz kann man die Annäherung an − π2 bzw. π2 beobachten.
Dass die Phase für ω < ω0 ebenfalls kleiner Null ist deutet auf einen RL-Widerstand hin.
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7
AUSWERTUNG
E10 Wechselstromwiderstände
7.2 Teilaufgabe c) Grafische Aufbereitung der Messwerte und
Bestimmung der Resonanzfrequenz
Mit den im vorigen Unterkapitel berechneten Werten der Scheinwiderstände und Phasen erhält man folgende Schaubilder:
Abbildung 6: Werte und Interpolation der Scheinwiderstände
In Abbildung 6 ist der Scheinwiderstand | Zx | gegenüber der Frequenz f abgetragen. Man
erkennt den durch logarithmische Skalierung entstehenden achsensymmetrischen Graphen,
welcher seinen Tiefpunkt bei einer Frequenz von fˆ0 ≈ 1, 5 kHz und dem Scheinwiderstand
von Ẑ ≈ 2000 Ω annimmt.
Eine weitere Möglichkeit zur graphischen Bestimmung der Resonanzfrequenz liefert Abbildung 7. Hierbei betrachtet man die Nullstelle der »Phasen-Funktion« , woraus sich eine
Frequenz von fˇ0 ≈ 1, 5 kHz = fˆ0 ergibt.
Diese beiden Auswertungen der Messreihen stimmen somit näherungsweise mit dem zu
Beginn des Versuchs festgestellten Schätzwert von f 0 = 1, 53 kHz überein.
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8
FEHLERDISKUSSION
E10 Wechselstromwiderstände
Abbildung 7: Werte und Interpolation der Phasenverschiebung
8 Fehlerdiskussion
Mögliche Fehlerquellen sind:
1. Der Frequenzregler der Spannungsquelle war trotz vorhandenem Feinregler recht unpräzise.
2. Die Toleranzen der benutzten Abgleichgrößen verfälschen die berechneten Scheinwiderstände und Phasen.
3. Der Abgleichpunkt lässt sich nicht präzise feststellen, da
I das Potentiometer keine rasterfreie Einstellungsmöglichkeit liefert,
I das trotz Erdung der Dekaden und Mittelwertbildung des Inputsignals vom Oszilloksop auftretende Signalrauschen eine genaue Einstellung des Amplituden-Minimums
verhindert,
I Ablesefehler des variablen Kondensators die Messwerte beeinflusst,
I die fehlende Abschirmung des Systems weitere Fehler (z.B. induzierter Art) zulässt und
I das Minimum nicht bei 0 mV, sondern bei einem arithmetischen Mittel von Ū ≈ 21 mV
liegt, also bei jeder Messung leicht variiert.
4. Die Auswertung der graphischen Aufbereitung der Messwerte führt zu Ablesefehlern.
5. Verluste durch Innenwiderstände von sämtlichen Geräten, Leitern der Schaltplatine und
Kabel werden vernachlässigt und tragen so zu Ungenauigkeiten bei.
Obiger Auflistung zu Folge setzen wir einen Fehler von ±50 Hz (also ∆ f = 100 Hz) an.
Dieser Fehlerbereich ist mit den Erfahrungen beim Brücken-Abgleich vereinbar.
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9
ZUSAMMENFASSUNG
E10 Wechselstromwiderstände
9 Zusammenfassung
Zusammenfassend stellen wir fest, dass wir die Frequenzabhängigkeit des komplexen Widerstandes am Oszilloskop trotz einiger Fehlerquellen gut beobachten konnten. Da es sich um
ein unbekanntes Bauteil mit komplexem Widerstand handelt, können wir allerdings nicht
beurteilen, ob und wie weit unser Messergebnis von dem realen komplexen Widerstand des
Bauteils abweicht. Demnach sind auch Vergleiche mit Literaturwerten weder möglich noch
sinnvoll. Die Messungen selbst ergaben allerdings, dass der Widerstand in der Blackbox von
induktiver Art sein muss. Die Resonanzfrequenz f res des so untersuchten RLC-Gliedes beträgt
f res = (1500 ± 50) Hz,
was einem relativen Fehler von δ f res ≈ ±3, 4% entspricht.
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10 Literatur
E10 Wechselstromwiderstände
10 Literatur
[1]
Otten, Ernst W.: Repetitorium Experimentalphysik III. Auflage. Springer, Berlin 2009. ISBN 978-3-540-85787-7
[2]
Demtröder, Wolfgang.: Experimentalphysik 1 - Mechanik und Wärme V. Auflage. Springer,
Berlin 2008. - ISBN 978-3-540-79294-9
[3]
Versuchsanleitung vom 28.03.2014
www3.physik.uni-stuttgart.de/studium/praktika/ap/pdf_dateien/E10.pdf
[4]
Uni Stuttgart vom 28.03.2014
http://www3.physik.uni-stuttgart.de/studium/praktika/ap/bilder/?Name=E10.
jpg
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