Theorie Einf. 3

Stand:
13.10.05
Theoretische Grundlagen – Physikalisches Praktikum
Einführung III (Oszilloskop, Messgeräte)
Oszilloskop
•
Gerät zur Darstellung elektrischer Signale, wesentliches Bauteil: Elektronenstrahlröhre
(auch Braunsche Röhre genannt)
•
dabei wird ein Elektronenstrahl durch elektrische Wechselfelder, die an den X- bzw. YPlatten angelegt werden, abgelenkt
•
wichtige Anwendungen: Bildröhre bei Fernsehgeräten, Biomonitor
• der Elektronenstrahl kann bei bestimmten Geräten geteilt werden (Zweikanal-Oszilloskop)
Bildschirm mit
Leuchtschicht
Wehnelt-Zylinder
Elektronenstrahl
Anode
Kathode
U0
Y-Platten
X-Platten
Darstellung von Wechselspannungen als Funktion der Zeit mit dem Oszilloskop
•
X-Platten:
Kippspannung
Y-Platten:
darzustellende Spannung
Die Frequenzen beider Spannungen sollten ähnlich sein. Bei gleicher Frequenz wird
genau eine Periode des zu untersuchenden Signals dargestellt.
•
Der Generator für die Kippspannung
U(t)
gehört zur Grundausstattung des
Oszilloskops. Diese Spannung wird
an die X-Platten gelegt und bewirkt
das Wandern des Elektronenstrahles
von links nach rechts über den Bildschirm (bei sehr kleinen Frequenzen
t
der Kippspannung kann diese Bewegung verfolgt werden; in der Regel sieht man jedoch nur einen geschlossenen Linienzug
infolge der Trägheit des Auges).
Bestimmung von Uss bzw. T einer sinusförmigen Wechselspannung
•
die entsprechenden Größen erscheinen auf dem Bildschirm als Strecke (bzw. als Anzahl
von Skalenteilen)
•
unter Verwendung der am Gerät abzulesenden Einstellungen können diese Größen
umgerechnet werden
•
Periodendauer T:
T = l · Zt
l - Länge einer Wiederholungseinheit auf dem Bildschirm
Zt – Zeitauflösung (wird am Gerät eingestellt), Einheit: ms/cm bzw. µs/cm
•
Spitze-Spitze-Spannung Uss
Uss = s0 · A
s0 – maximale Auslenkung des Signals (von einer Spitze zur anderen)
A – Ablenkempfindlichkeit (wird am Gerät eingestellt), Einheit: V/cm bzw. mV/cm
•
Beispiel
Vertikal: 0.1V/div
Horizontal: 10µs/div
Die vorliegenden Angaben bedeuten, dass ein
Skalenteil entlang der y-Achse einer Spannung von 0.1
V entspricht, während ein Skalenteil entlang der xAchse 10 µs entspricht. Somit ist die Amplitude der
Spannung 0.6 V (d. h. die "Spitze-Spitze"-Spannung
beträgt 1.2 V). Entlang der x-Achse erkennt man, dass
ein voller Zyklus nach 5 Skalenteilen beendet ist. Dies
entspricht einer Periodendauer von 50 µs. Gemäß f =
1/T entspricht dies einer Frequenz von 20 kHz.
Kenngrößen einer sinusförmigen Wechselspannung
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U = U0 · sin(ωt)
•
drei Spannungswerte:
T
U
U0
Uss – Spitze-Spitze-Spannung
U0 – Amplitude der Spannung
Uss
Ueff – Effektivwert der
Spannung
- U0
der Effektivwert entspricht einer Gleichspannung mit gleichem Leistungsumsatz
t
•
drei Werte zur Charakterisierung des Zeitverlaufes
T - Periodendauer
f - Frequenz (Einheit Hertz, Hz; 1 Hz = 1 s-1)
ω - Kreisfrequenz (Einheit: s-1)
•
Wichtige Formeln
Uss = 2 · U0
f=1/T
Ueff = ½ √2 · U0 ≈ 0,7 · U0
ω=2πf
Spannungs- und Strommessgeräte
Messung von elektrischen Strömen
•
Wirkungen elektrischer Ströme sind die Wärmewirkung, chemische Wirkung und
magnetische Wirkung
insbesondere die magnetische Wirkung wird zur Strommessung ausgenutzt
•
Drehspul-Amperemeter
eine vom Messstrom durchflossene Spule wird im
Feld eines Permanentmagneten gedreht
eine an der Zeigerachse befestigte Spiralfeder
liefert die Rückstellkraft für den Zeiger
Zeigerausschlag ist proportional zum Strom
Messung von Gleichströmen und gleichgerichteten
Wechselströmen
Verwendung in Vielfachmessgeräten
•
Amperemeter werden in den Stromkreis geschaltet
ihr Innenwiderstand muss deshalb möglichst gering sein
Messung von Spannungen
•
hier werden ebenfalls Drehspulinstrumente verwendet
jedoch wird die Skala des Voltmeters in der Einheit R · I geeicht, wobei R der
Innenwiderstand des Drehspulinstrumentes ist
•
Voltmeter werden parallel zum stromdurchflossenen Widerstand oder zur
Spannungsquelle geschaltet
ihr Innenwiderstand soll möglichst hoch sein
Skalen an Messgeräten
Noniusskala
Beispiele: Messschieber (oder Schieblehre), Skala am Polarimeter
Noniusskalen erlauben eine Ablesung auf einen Zehntel-Skalenteil (mitunter auch auf ein
Zwangzigstel-Skalenteil) genau, d. h. auf 0,1 mm (Schieblehre) bzw. 0,1 Grad (Polarimeter)
genau.
Feinmessschraube (Mikrometerschraube)
Präzisionsmessgerät mit einer Genauigkeit von 0,01 mm
bei einer Umdrehung öffnen oder schließen sich die Backen der Messschraube um 0,5 mm
Objektmikrometer
Mikroskopisches Präparat mit einer Präzisionsskala.
Diese Skale ist gewöhnlich 1 mm lang und in 100 gleich
große Skalenteile unterteilt, d. h. ein Skalenteil auf dem
Objektmikrometer entspricht 10 µm = 0,01 mm.
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