Physik-Praktikum Versuch 5 - Stromberg

Physik-Praktikum
Versuch 5
Protokoll:
Datum:
Mitarbeiter:
Siehe: Physikbuch Dorn-Bader 12/13; S. 24
Teil 1: Der Kondensator im Gleichstromkreis
Aufgabe: Untersuche das Verhalten eines Kondensators im Gleichstromkreis
Durchführung 1
1.1 Baue die Schaltung nach der Schaltzeichnung 1 auf und achte darauf, dass der Schalter im
Stromkreis geöffnet ist.
1.2 Stelle die Betriebsspannung auf 8 V ein und sorge dafür, dass diese Einstellung auch für Versuch 2
erhalten bleibt.
1.3 Schließe den Schalter und beobachte die Glühlampe.
1.4 Wiederhole das Schließen und Öffnen des Schalters.
Überbrücke nach jedem Öffnen des Schalters den Kondensator kurz mit einer Verbindungsleitung
15 cm und schließe den Schalter wieder.
1.5 Nehme nach dem letzten Schließen des Schalters den Kondensator aus der Schaltung heraus, setze
ihn in den benachbarten Stromkreis ein.
1.6 Ersetze die rechte Glühlampe durch einen Spannungsmesser und wiederhole den Versuch.
Trage alle Beobachtungen auf ein extra Blatt ein. (zu 1.3); zu 1.4); zu 1 .5); zu 1.6);
Schaltzeichnung 1
Schaltzeichnung 2
Durchführung 2
2.1 Baue die neue Schaltung nach der Schaltzeichnung 2 auf. Lege den Schalter wiederholt nach
beiden Seiten um.
Beobachtungen zu 2.1) auf ein extra Blatt
Auswertung
Fragen und Aufgaben
1. Versuche die Beobachtung zu deuten, dass beim 1. Versuchsschritt die Glühlampe wider erwarten
aufleuchtet.
2. Warum leuchtet die Glühlampe beim Einschalten wieder auf, wenn vorher der Kondensator
kurzgeschlossen wurde?
3. Was sagt die Beobachtung aus, dass beim Einsetzen des Kondensators in den 2. Stromkreis die
Glühlampe aufleuchtet bzw. der Spannungsmesser eine Spannung anzeigt?
4. Erkläre, warum in Versuch 2) die Glühlampe bei jedem Schaltvorgang aufleuchtet.
Teil 2: Spannungs- und Stromverlauf beim Lade- und Entladevorgang an einem Kondensator
Aufgabe: Untersuche den Spannungs- und Stromverlauf beim Laden und Entladen eines Kondensators
Durchführung:
1. Baue die Schaltung nach der Schaltzeichnung auf.
Entlade vor Versuchsbeginn den Kondensator, indem Du bei geöffnetem Ausschalter die beiden
Messleitungen zum Spannungsmesser mit einer Verbindungsleitung kurz überbrückst.
2. Stelle die Betriebsspannung auf 10 V ein. Schließe hierzu die rote Verbindungsleitung zum
Plusanschluss des Spannungsmessers zunächst an den Pluspol der Stromquelle an.
3. Schließe den Ausschalter und schließe den Ladestromkreis durch entsprechende Stellung des
Umschalters.
Beobachte am Spannungsmesser die Veränderung der Spannung am Kondensator.
4. Schalte auf den Entladestromkreis um. Beobachte die Veränderung der Spannung am Kondensator
mit dem Spannungsmesser.
5. Wiederhole den Ladeversuch mit einem Widerstand 47 k.
6. Wiederhole den Ladeversuch mit einem Widerstand 10 k und einem Kondensator 47 F. Achte
auf die richtige Polung des Kondensators.
7. Setze nun den Strommesser in die Schaltung ein, indem Du das Messinstrument mit Hilfe der
Leitung, unterbrochen unterhalb des Kondensators in den Stromkreis schaltest.
Messbereich Strommesser 3 mA.
Wiederhole den Ladeversuch mit dem Widerstand 10 k und dem Kondensator 470 F und beobachte
dabei die Stromänderung.
Beobachtungen/Messergebnisse (auf ein extra Blatt)
zu 3); 4); zu 5);zu 6); zu 7)
Auswertung:
Fragen und Aufgaben
1. Welche Wirkung hat ein Widerstand auf den Lade- und Entladevorgang?
2. Weshalb nimmt die Kondensatorspannung im letzten Zeitabschnitt des Ladens nur noch langsam
zu?
3. Welchen Einfluss hat ein höherer Widerstandswert auf den Ladevorgang?
4. Welchen Einfluss hat ein Kondensator mit niedriger Kapazität auf den Ladevorgang?
5. Warum hat der Ladestrom bei Beginn des Ladevorganges seinen höchsten Wert?
6.) Skizziere den ungefähren Verlauf der beobachteten Stromstärken und Spannungen in eine
Schaubild.
Mit einem y-t-Schreiber (anstelle des Voltmeters) lassen sich die in Frage 6.) verlangten
Schaubilder genau aufzeichnen.
Dieser Versuch wird vom Lehrer durchgeführt, die erhaltene Aufzeichnung wird ausgewertet.
3.)Wähle eine passende Entladekurve aus und ermittle graphisch die Momentanstromstärke zum
Zeitpunkt t = 0, nach einer Halbwertszeit und nach zwei Halbwertszeiten.
Was fällt auf?
(Es ist sinnvoll, für diese Aufgabe das beim Praktikum erhaltene Blatt zu fotokopieren und diese Kopie
zum graphischen Ableiten zu verwenden)
Für die mathematisch interessierten noch einige zusätzliche Angaben und Fragen:
Für die Halbwertszeit des Entladevorgangs gilt näherungsweise:
T1  0,7  R  C
2
.
Prüfe nach, dass das Produkt R C tatsächlich die Einheit Sekunde hat.
Verwende den folgenden Ansatz und berechne theoretisch die in Frage 2.) gemessenen Zeiten:
t
T1
1
U (t )  U 0   
2
2
; (U0 = 4,5V)
(Einen entsprechenden Ansatz haben wir in der 10. Klasse beim radioaktiven Zerfall verwendet!)
Anmerkung: Der Faktor 0,7 ist genau ln 2, der natürliche Logarithmus der Zahl 2. Die Basis der
natürlichen Logarithmen ist die Eulersche Zahl e, die etwa gleich 2,718 ist.
Wie lauten die Funktionen I(t) und Q(t)?
Anregung für eine Zusatzaufgabe: Bau eines „Bedenkzeitschalters“
Schaltungsbeschreibung:
Durch Druck auf den Taster wird der Kondensator aufgeladen. Gleichzeitig wird positive Spannung
über den 1 k-Widerstand an die Basis des Transistors gelegt. Der Transistor schaltet durch, d.h. die
Kollektor-Emitter-Strecke wird leitend und die Leuchtdiode leuchtet.
Lässt man den Taster wieder los, wird die Verbindung der Basis des Transistors mit dem Pluspol der
Spannungsquelle unterbrochen. Die Basis des Transistors liegt aber weiterhin über dem aufgeladenen
Kondensator an positiver Spannung. Der Kondensator wirkt wie eine Spannungsquelle. Die
Leuchtdiode leuchtet weiter.
Der Transistor bleibt solange durchgeschaltet, bis sich der Kondensator über den regelbaren 47 kWiderstand (fast) entladen hat.(Genauer: Siehe Frage 1.)) Der Transistor sperrt, die Leuchtdiode
erlischt.
Mit dem regelbaren Widerstand lässt sich die Entladezeit des Kondensators und damit die Leuchtzeit
der Diode einstellen.
Schaltltbild
Aufbauvorschlag für die Lochstreifenplatte
(Beachte: Als regelbaren Widerstand
verwenden wir ein Potentiometer. Wir
benötigen dann nur 2 der 3 Anschlüsse!
Fragen:
1.) Wie groß ist die Mindestspannung, damit ein Transistor durchschaltet?
2.) Stelle den regelbaren Widerstand auf seinen Maximalwert und messe:
Wie viele Sekunden vergehen dann, bis die Leuchtdiode erlischt?
2.) Stelle den regelbaren Widerstand auf seinen Maximalwert und messe:
Wie viele Sekunden vergehen dann, bis die Leuchtdiode erlischt?
Wie viele Sekunden vergehen, wenn der Widerstand auf die Hälfte seines Maximalwerts eingestellt
wird?