Strom- und Spannungsmessung

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Physikalisches Anf¨ angerpraktikum der Universit¨ at Heidelberg - Praktikum I Versuch 23 Strom- und Spannungsmessung

Versuch 23

Strom- und Spannungsmessung

Eichspannung

Kompensator

Dekaden- widerstände Taster

Schiebewiderstand

Amperemeter

Abbildung 1:Aufbau des Versuchs Strom- und Spannungsmessung.

I Messaufbau

• stabilisierte Spannungsversorgung

• Kompensator

• Milliamperemeter

• Schiebewiderstand (100 Ω)

• drei Dekadenwiderst¨ande

• Batterie

• Tastschalter

II Literatur

• W. Walcher,Praktikum der Physik, B.G.Teubner Stuttgart,

• Standardwerke der Physik: Gerthsen, Bergmann-Sch¨afer, Tipler.

• Homepage des Praktikums:

http://www.physi.uni-heidelberg.de/Einrichtungen/AP/

III Vorbereitung

Bereiten Sie sich auf die Beantwortung von Fragen zu folgenden Themen vor:

Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Gesetze, Innenwiderstand von Strom- und Spannungsmessinstrumenten, Drehspuleninstrument, Kompensationsschal- tung, Innenwiderstand und Elektromotorische Kraft von Stromquellen.

Verst¨andnisfragen:

1. Was besagen die Kirchhoffschen Gesetze?

2. Was und wie misst man mit einem Kompensator?

3. Worin besteht der prinzipielle Vorteil eines Kompensators gegen¨uber einer

”normalen“ Spannungsmessung?

4. Was muß man tun, um den Messbereich eines Voltmeters oder Ampereme- ters zu erweitern?

5. Was ist eine Elektromotorische Kraft, und wie bestimmt man sie?

6. Wie groß ist der maximale (Kurzschluss) Strom, den eine Batterie - kurz- zeitig - zur Verf¨ugung stellen kann? Berechnungsbeispiel: Auto-Batterie:

U=12 V, Innenwiderstand:R=0,1 Ω,I_max= ?

IV Aufgaben

• Eichen Sie eine Kompensationsschaltung zum Messen von Spannungen.

• Der Messbereich eines Amperemeters ist von 10 mA auf 200 mA zu erweitern.

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Dr. J.Wagner - Physikalisches Anf¨angerpraktikum - V. 1.0 Stand 07/2011

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• Die Klemmenspannung einer Batterie ist als Funktion der Belastung zu messen, um die ElektroMotorische Kraft (EMK) und den Innenwiderstand zu bestimmen.

• Zusatzaufgabe f¨ur Physiker: Berechnen Sie, f¨ur welchen Lastwiderstand aus der Batterie die maximale LeistungP =U I entnommen wird.

V Grundlagen

VI Durchf¨ uhrung des Versuchs

Es wird dringend empfohlen, sich die Formeln für die Vor- und Parallel- widerstände zur Messbereichsänderung schon vor dem Praktikum klar zu machen. Nicht einfach abschreiben, sondern selbst entwickeln!

1. Skizzieren Sie den Versuchsaufbau.

2. Machen Sie sich den Aufbau und die Wirkungsweise des Kompensa- tors klar. Vergleichen Sie die Schaltelemente des Kompensators mit dem Schaltplan. (Geh¨ause von unten ansehen; Linearit¨atsfehler des Drehpotentio- meters notieren).

6 VHilfsspannung

+ -

50W

51 kW

Eichregler

µA

100W

Drehpotentiometer Taster

Nullinstrument

0-5 VMessbuchsen

+ -

Abbildung 2:Schaltplan des Kompensators.

3. Die 6 V Hilfsspannung zum Betrieb des Kompensators wird dem Netzgerät entnommen. Eichung des Kompensator: Eichspannung (1,018 V) an die Messbuchsen legen, am Drehpotentiometer 2,036 Skt einstellen und durch Drehen am Eichknopf den Kompensator auf Null abgleichen. Die Drucktaste ist mit 51 kΩ überbrückt. Dadurch fließt bei Fehleinstellung ein kleiner Strom durch das Nullinstrument. Dieser verrät sofort die richtige Drehrichtung zum Nullabgleich. ( Überlegen Sie sich, was hinter dieser Eichvorschrift steckt).

Nach dem Abgleich entsprechen 10,00 Skt am Drehpotentiometer genau 5,00 Volt an den Messbuchsen, 8,00 Skt entsprechen genau 4,00 Volt usw.

Bemerkung zur Eichspannung: Üblicherweise wird zur Eichung von Kom- pensatoren ein chemisches Normalelement (Weston-Element) verwendet, das unabhängig von der speziellen Einzelherstellung einen festen Spannungswert von 1,01830 Volt (bei 20^◦C) hat. Die Temperaturabhängigkeit der Spannung ist genau bekannt. Da ein solches Normalelement sehr teuer und gegen Belastung sehr empfindlich ist, wurde eine elektronische Ersatzschaltung mit demselben Spannungswert vorgezogen.

4. Erweitern Sie den Messbereich eines Amperemeters von 10 mA auf 200 mA. Benutzen Sie dazu die drei Dekadenwiderstände (schauen Sie sich die Skizze auf deren Rückseite an). Den Innenwiderstand des 10 mA-Meters finden Sie auf demselben vermerkt (Fehler±1Ω). Der Innenwiderstand des 10 mA-Meters ist künstlich erhöht worden, damit Sie bei dieser Aufgabe mit drei Dekadenwiderständen auskommen.

+-

100W

mA

Taster

Batterie

Kompensator 200

Abbildung 3:Schaltung zu Aufgabe 5.

5. Mit dem erweiterten mA-Meter und dem Kompensator wird in der ange-

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zeichneten Anordnung die Klemmenspannung der Taschenlampenbatterie bei Belastung aufgenommen. Der Batterie wird ein StromIentnommen und gleich- zeitig die Klemmenspannung mit dem Kompensator gemessen. Mit dem Schie- bewiderstand wird die Stromstärke von ca. 0 bis 200 mA geregelt (9 Mes- spunkte). Um die Batterie zu schonen, wird die Morsetaste zur Messung im- mer nur kurz (während des Abgleichs des Kompensators) gedrückt. Sofort ein DiagrammU =U(I) zeichnen! Welchen Verlauf erwarten Sie?

VII Auswertung

1. Bestimmen Sie R_i und die EMK aus dem Diagramm. Diskutieren Sie Ihre Messungen unter Ber¨ucksichtigung der Messfehler.

2. Zusatzaufgabe f¨ur Physiker: Rechnen Sie durch Differenzieren der Gleichung P = U(I)I aus, bei welchem Lastwiderstand die von der Batterie abgegebene Leistung am gr¨oßten ist. (Leistungsanpassung). Wie groß ist dann U(I) ?

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