physikalisches schulversuchspraktikum i
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WS 02 03
PHYSIKALISCHESSCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I
Schuumllerversuche Elektronik(Unterstufe)1 Versuch 171020022 Versuch 24102002
Protokoll 26102002verbessert am 10 11 2002
Adelheid Denk9955832 412 406
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
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Inhaltsverzeichnis helliphelliphellipSeite 2
1helliphelliphelliphelliphellipAufgabenstellung helliphelliphellipSeite 3
Was will ich erreichen
2helliphelliphelliphelliphellipTheoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer helliphelliphellipSeite 6
3helliphelliphelliphelliphellipWie erklaumlre ich den Stoff helliphelliphellipSeite 14
4helliphelliphelliphelliphellipTafelbild helliphelliphellipSeite 15
5helliphelliphelliphelliphellipFolien helliphelliphellipSeite 15
6helliphelliphelliphelliphellipVersuche helliphelliphellipSeite 18
6ahellipZeit
6bhellipVersuchsanordnungen
6chellipVersuchsdurchfuumlhrung
6dhellipTheoretischer Hintergrund
7helliphelliphelliphelliphellipExperimentelle Schwierigkeiten helliphelliphellipSeite 34
8helliphelliphelliphelliphellipMedien helliphelliphellipSeite 35
9hellipWas diktiere ich ins Heft helliphelliphellipSeite 35
10 helliphelliphelliphellipAnmerkungen helliphelliphellipSeite 36
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
11helliphelliphelliphellipAnhang helliphelliphellipSeite 37
Arbeitsblaumltter
Literaturverzeichnis helliphelliphellipSeite 35
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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1 Aufgabenstellung
Die Aufgabe bestand darin Schuumllerversuche mithilfe eines NTL- Elektronik
Baukastens durchzufuumlhren
Die NTL - Baukaumlsten beinhalten auszliger den bdquoSteckbretternldquo noch eine Vielzahl kleiner
Bauteile mit denen man Versuche aus nahezu allen Themenkreisen der Elektronik
nachbauen kann Zu den Baukaumlsten gibt es vorgefertigte Versuchsunterlagen die als
Grundlage fuumlr die Arbeitsanleitungen der Schuumller benuumltzt werden koumlnnen
Man kann zudem davon ausgehen in jeder normal ausgestatteten Schule Baukaumlsten
fuumlr ca 10 Gruppen vorzufinden Im folgenden Protokoll habe ich daher versucht fuumlr
die durchgefuumlhrten Unterstufen - Versuche eine vollstaumlndige Arbeitsgrundlage fuumlr
den Lehrer zu erstellen
Von den empfohlenen Experimenten wurden folgende Versuche von uns
ausgewaumlhlt durchgefuumlhrt und ausgewertet
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
Kennlinien von Halbleiterdioden
Einweggleichrichtung
Die Zenerdiode
3 Experimente mit Transistoren
Besteht ein Transistor aus 2 Dioden
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Der Transistor als Verstaumlrker
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Steuerkennlinie eines NPN -Transistors
Automatische Beleuchtung
Feuermelder
Dieses Protokoll behandelt fast alle Versuche mit Widerstaumlnden und Dioden die
Experimente mit Transistoren sowie den Versuch bdquoEinweggleichrichtungldquo finden Sie
im Protokoll der Oberstufe (Lindenbauer Edith) Der Versuch bdquoZenerdiodeldquo wird in
beiden Protokollen behandelt
Im Lehrplan der Unterstufe ist die Elektronik hauptsaumlchlich fuumlr die 3 aber auch fuumlr
den Beginn der 4 Klasse vorgesehen
Was will ich erreichen (Was sollen die Schuumller lernen)
grobe Gliederung
3Klasse elektrische Stromstaumlrke Einheit und Messung
elektrische Spannung deren Einheit und Messung
Unterschied zwischen Gleich und Wechselstrom
Umgang mit Messgeraumlten
Definition des Widerstandes
elektronische Grundschaltungen
4 Klasse Halbleiter
Dioden
Transistoren
Auszug aus dem Lehrplan der Unterstufe (AHS)
3 Klasse
Elektrische Phaumlnomene sind allgegenwaumlrtig
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Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller immer
intensiver mit grundlegenden elektrischen Vorgaumlngen im technischen Alltag und in
Naturvorgaumlngen vertraut gemacht werden
Auswirkungen der elektrisch geladenen Atombausteine auf makroskopische
Vorgaumlnge qualitativ verstehen
Verschiedene Spannungsquellen als Energieumformer und einfache
Stromkreise verstehen Gleichstrom und Wechselstrom Stromstaumlrke
Spannung Widerstand das Ohmsche Gesetz
Elektrische Erscheinungen in Technik und Natur erklaumlren koumlnnen
Elektrotechnik macht vieles moumlglich
Ausgehend von Erfahrungen der Schuumllerinnen und Schuumller soll ein grundlegendes
Verstehen von Aufbau und Wirkungsweise wichtiger elektrischer Geraumlte erreicht und
die Wichtigkeit von Schutz- und Sparmaszlignahmen erkannt werden
Energieumformung Arbeitsverrichtung und Wirkungsgrad wichtiger
Elektrogeraumlte verstehen
Grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen
Einrichtungen entwickeln (Arten von Sicherungen und Isolation)
Einsicht in die oumlkologische Bedeutung von Energiesparmaszlignahmen gewinnen
und oumlkologische Handlungskompetenz aufbauen
4 Klasse
Elektrizitaumlt bestimmt unser Leben
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller ein immer
tiefer gehendes Verstaumlndnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen
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Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen Permanentmagnet und Elektromagnet elektromagnetische
Induktion
Grundlegendes Wissen uumlber Herstellung Transport und Verbrauch
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator)
Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen
Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geraumlte aus dem
Interessensbereich der Schuumllerinnen und Schuumller gewinnen (Elektromotor)
2 Theoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz
In einem homogenen Leiter gilt bei stationaumlrem Strom
E = U l elektrische Feldstaumlrke
F = eU l elektrisches Feld
v = const
I = enAv Stromstaumlrke
(In 1 s stroumlmen die in einem Leiterstuumlck der Laumlnge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A Jedes traumlgt die Ladung
e Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstaumlrke = I = enav )
Die elektrische Stromstaumlrke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional
I = GU Ohmsches Gesetz
G =UI elektrischer Leitwert
[G] = 1 A V
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Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
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Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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26102002 21 36
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 2 36
Inhaltsverzeichnis helliphelliphellipSeite 2
1helliphelliphelliphelliphellipAufgabenstellung helliphelliphellipSeite 3
Was will ich erreichen
2helliphelliphelliphelliphellipTheoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer helliphelliphellipSeite 6
3helliphelliphelliphelliphellipWie erklaumlre ich den Stoff helliphelliphellipSeite 14
4helliphelliphelliphelliphellipTafelbild helliphelliphellipSeite 15
5helliphelliphelliphelliphellipFolien helliphelliphellipSeite 15
6helliphelliphelliphelliphellipVersuche helliphelliphellipSeite 18
6ahellipZeit
6bhellipVersuchsanordnungen
6chellipVersuchsdurchfuumlhrung
6dhellipTheoretischer Hintergrund
7helliphelliphelliphelliphellipExperimentelle Schwierigkeiten helliphelliphellipSeite 34
8helliphelliphelliphelliphellipMedien helliphelliphellipSeite 35
9hellipWas diktiere ich ins Heft helliphelliphellipSeite 35
10 helliphelliphelliphellipAnmerkungen helliphelliphellipSeite 36
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
11helliphelliphelliphellipAnhang helliphelliphellipSeite 37
Arbeitsblaumltter
Literaturverzeichnis helliphelliphellipSeite 35
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 3 36
1 Aufgabenstellung
Die Aufgabe bestand darin Schuumllerversuche mithilfe eines NTL- Elektronik
Baukastens durchzufuumlhren
Die NTL - Baukaumlsten beinhalten auszliger den bdquoSteckbretternldquo noch eine Vielzahl kleiner
Bauteile mit denen man Versuche aus nahezu allen Themenkreisen der Elektronik
nachbauen kann Zu den Baukaumlsten gibt es vorgefertigte Versuchsunterlagen die als
Grundlage fuumlr die Arbeitsanleitungen der Schuumller benuumltzt werden koumlnnen
Man kann zudem davon ausgehen in jeder normal ausgestatteten Schule Baukaumlsten
fuumlr ca 10 Gruppen vorzufinden Im folgenden Protokoll habe ich daher versucht fuumlr
die durchgefuumlhrten Unterstufen - Versuche eine vollstaumlndige Arbeitsgrundlage fuumlr
den Lehrer zu erstellen
Von den empfohlenen Experimenten wurden folgende Versuche von uns
ausgewaumlhlt durchgefuumlhrt und ausgewertet
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
Kennlinien von Halbleiterdioden
Einweggleichrichtung
Die Zenerdiode
3 Experimente mit Transistoren
Besteht ein Transistor aus 2 Dioden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 4 36
Der Transistor als Verstaumlrker
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Steuerkennlinie eines NPN -Transistors
Automatische Beleuchtung
Feuermelder
Dieses Protokoll behandelt fast alle Versuche mit Widerstaumlnden und Dioden die
Experimente mit Transistoren sowie den Versuch bdquoEinweggleichrichtungldquo finden Sie
im Protokoll der Oberstufe (Lindenbauer Edith) Der Versuch bdquoZenerdiodeldquo wird in
beiden Protokollen behandelt
Im Lehrplan der Unterstufe ist die Elektronik hauptsaumlchlich fuumlr die 3 aber auch fuumlr
den Beginn der 4 Klasse vorgesehen
Was will ich erreichen (Was sollen die Schuumller lernen)
grobe Gliederung
3Klasse elektrische Stromstaumlrke Einheit und Messung
elektrische Spannung deren Einheit und Messung
Unterschied zwischen Gleich und Wechselstrom
Umgang mit Messgeraumlten
Definition des Widerstandes
elektronische Grundschaltungen
4 Klasse Halbleiter
Dioden
Transistoren
Auszug aus dem Lehrplan der Unterstufe (AHS)
3 Klasse
Elektrische Phaumlnomene sind allgegenwaumlrtig
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 5 36
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller immer
intensiver mit grundlegenden elektrischen Vorgaumlngen im technischen Alltag und in
Naturvorgaumlngen vertraut gemacht werden
Auswirkungen der elektrisch geladenen Atombausteine auf makroskopische
Vorgaumlnge qualitativ verstehen
Verschiedene Spannungsquellen als Energieumformer und einfache
Stromkreise verstehen Gleichstrom und Wechselstrom Stromstaumlrke
Spannung Widerstand das Ohmsche Gesetz
Elektrische Erscheinungen in Technik und Natur erklaumlren koumlnnen
Elektrotechnik macht vieles moumlglich
Ausgehend von Erfahrungen der Schuumllerinnen und Schuumller soll ein grundlegendes
Verstehen von Aufbau und Wirkungsweise wichtiger elektrischer Geraumlte erreicht und
die Wichtigkeit von Schutz- und Sparmaszlignahmen erkannt werden
Energieumformung Arbeitsverrichtung und Wirkungsgrad wichtiger
Elektrogeraumlte verstehen
Grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen
Einrichtungen entwickeln (Arten von Sicherungen und Isolation)
Einsicht in die oumlkologische Bedeutung von Energiesparmaszlignahmen gewinnen
und oumlkologische Handlungskompetenz aufbauen
4 Klasse
Elektrizitaumlt bestimmt unser Leben
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller ein immer
tiefer gehendes Verstaumlndnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 6 36
Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen Permanentmagnet und Elektromagnet elektromagnetische
Induktion
Grundlegendes Wissen uumlber Herstellung Transport und Verbrauch
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator)
Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen
Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geraumlte aus dem
Interessensbereich der Schuumllerinnen und Schuumller gewinnen (Elektromotor)
2 Theoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz
In einem homogenen Leiter gilt bei stationaumlrem Strom
E = U l elektrische Feldstaumlrke
F = eU l elektrisches Feld
v = const
I = enAv Stromstaumlrke
(In 1 s stroumlmen die in einem Leiterstuumlck der Laumlnge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A Jedes traumlgt die Ladung
e Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstaumlrke = I = enav )
Die elektrische Stromstaumlrke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional
I = GU Ohmsches Gesetz
G =UI elektrischer Leitwert
[G] = 1 A V
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 7 36
Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
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Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 3 36
1 Aufgabenstellung
Die Aufgabe bestand darin Schuumllerversuche mithilfe eines NTL- Elektronik
Baukastens durchzufuumlhren
Die NTL - Baukaumlsten beinhalten auszliger den bdquoSteckbretternldquo noch eine Vielzahl kleiner
Bauteile mit denen man Versuche aus nahezu allen Themenkreisen der Elektronik
nachbauen kann Zu den Baukaumlsten gibt es vorgefertigte Versuchsunterlagen die als
Grundlage fuumlr die Arbeitsanleitungen der Schuumller benuumltzt werden koumlnnen
Man kann zudem davon ausgehen in jeder normal ausgestatteten Schule Baukaumlsten
fuumlr ca 10 Gruppen vorzufinden Im folgenden Protokoll habe ich daher versucht fuumlr
die durchgefuumlhrten Unterstufen - Versuche eine vollstaumlndige Arbeitsgrundlage fuumlr
den Lehrer zu erstellen
Von den empfohlenen Experimenten wurden folgende Versuche von uns
ausgewaumlhlt durchgefuumlhrt und ausgewertet
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
Kennlinien von Halbleiterdioden
Einweggleichrichtung
Die Zenerdiode
3 Experimente mit Transistoren
Besteht ein Transistor aus 2 Dioden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 4 36
Der Transistor als Verstaumlrker
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Steuerkennlinie eines NPN -Transistors
Automatische Beleuchtung
Feuermelder
Dieses Protokoll behandelt fast alle Versuche mit Widerstaumlnden und Dioden die
Experimente mit Transistoren sowie den Versuch bdquoEinweggleichrichtungldquo finden Sie
im Protokoll der Oberstufe (Lindenbauer Edith) Der Versuch bdquoZenerdiodeldquo wird in
beiden Protokollen behandelt
Im Lehrplan der Unterstufe ist die Elektronik hauptsaumlchlich fuumlr die 3 aber auch fuumlr
den Beginn der 4 Klasse vorgesehen
Was will ich erreichen (Was sollen die Schuumller lernen)
grobe Gliederung
3Klasse elektrische Stromstaumlrke Einheit und Messung
elektrische Spannung deren Einheit und Messung
Unterschied zwischen Gleich und Wechselstrom
Umgang mit Messgeraumlten
Definition des Widerstandes
elektronische Grundschaltungen
4 Klasse Halbleiter
Dioden
Transistoren
Auszug aus dem Lehrplan der Unterstufe (AHS)
3 Klasse
Elektrische Phaumlnomene sind allgegenwaumlrtig
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 5 36
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller immer
intensiver mit grundlegenden elektrischen Vorgaumlngen im technischen Alltag und in
Naturvorgaumlngen vertraut gemacht werden
Auswirkungen der elektrisch geladenen Atombausteine auf makroskopische
Vorgaumlnge qualitativ verstehen
Verschiedene Spannungsquellen als Energieumformer und einfache
Stromkreise verstehen Gleichstrom und Wechselstrom Stromstaumlrke
Spannung Widerstand das Ohmsche Gesetz
Elektrische Erscheinungen in Technik und Natur erklaumlren koumlnnen
Elektrotechnik macht vieles moumlglich
Ausgehend von Erfahrungen der Schuumllerinnen und Schuumller soll ein grundlegendes
Verstehen von Aufbau und Wirkungsweise wichtiger elektrischer Geraumlte erreicht und
die Wichtigkeit von Schutz- und Sparmaszlignahmen erkannt werden
Energieumformung Arbeitsverrichtung und Wirkungsgrad wichtiger
Elektrogeraumlte verstehen
Grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen
Einrichtungen entwickeln (Arten von Sicherungen und Isolation)
Einsicht in die oumlkologische Bedeutung von Energiesparmaszlignahmen gewinnen
und oumlkologische Handlungskompetenz aufbauen
4 Klasse
Elektrizitaumlt bestimmt unser Leben
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller ein immer
tiefer gehendes Verstaumlndnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 6 36
Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen Permanentmagnet und Elektromagnet elektromagnetische
Induktion
Grundlegendes Wissen uumlber Herstellung Transport und Verbrauch
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator)
Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen
Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geraumlte aus dem
Interessensbereich der Schuumllerinnen und Schuumller gewinnen (Elektromotor)
2 Theoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz
In einem homogenen Leiter gilt bei stationaumlrem Strom
E = U l elektrische Feldstaumlrke
F = eU l elektrisches Feld
v = const
I = enAv Stromstaumlrke
(In 1 s stroumlmen die in einem Leiterstuumlck der Laumlnge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A Jedes traumlgt die Ladung
e Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstaumlrke = I = enav )
Die elektrische Stromstaumlrke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional
I = GU Ohmsches Gesetz
G =UI elektrischer Leitwert
[G] = 1 A V
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 7 36
Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 8 36
Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 13 36
Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Der Transistor als Verstaumlrker
Basisstrom ermoumlglicht Kollektorstrom
Steuerkennlinie eines NPN -Transistors
Automatische Beleuchtung
Feuermelder
Dieses Protokoll behandelt fast alle Versuche mit Widerstaumlnden und Dioden die
Experimente mit Transistoren sowie den Versuch bdquoEinweggleichrichtungldquo finden Sie
im Protokoll der Oberstufe (Lindenbauer Edith) Der Versuch bdquoZenerdiodeldquo wird in
beiden Protokollen behandelt
Im Lehrplan der Unterstufe ist die Elektronik hauptsaumlchlich fuumlr die 3 aber auch fuumlr
den Beginn der 4 Klasse vorgesehen
Was will ich erreichen (Was sollen die Schuumller lernen)
grobe Gliederung
3Klasse elektrische Stromstaumlrke Einheit und Messung
elektrische Spannung deren Einheit und Messung
Unterschied zwischen Gleich und Wechselstrom
Umgang mit Messgeraumlten
Definition des Widerstandes
elektronische Grundschaltungen
4 Klasse Halbleiter
Dioden
Transistoren
Auszug aus dem Lehrplan der Unterstufe (AHS)
3 Klasse
Elektrische Phaumlnomene sind allgegenwaumlrtig
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Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller immer
intensiver mit grundlegenden elektrischen Vorgaumlngen im technischen Alltag und in
Naturvorgaumlngen vertraut gemacht werden
Auswirkungen der elektrisch geladenen Atombausteine auf makroskopische
Vorgaumlnge qualitativ verstehen
Verschiedene Spannungsquellen als Energieumformer und einfache
Stromkreise verstehen Gleichstrom und Wechselstrom Stromstaumlrke
Spannung Widerstand das Ohmsche Gesetz
Elektrische Erscheinungen in Technik und Natur erklaumlren koumlnnen
Elektrotechnik macht vieles moumlglich
Ausgehend von Erfahrungen der Schuumllerinnen und Schuumller soll ein grundlegendes
Verstehen von Aufbau und Wirkungsweise wichtiger elektrischer Geraumlte erreicht und
die Wichtigkeit von Schutz- und Sparmaszlignahmen erkannt werden
Energieumformung Arbeitsverrichtung und Wirkungsgrad wichtiger
Elektrogeraumlte verstehen
Grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen
Einrichtungen entwickeln (Arten von Sicherungen und Isolation)
Einsicht in die oumlkologische Bedeutung von Energiesparmaszlignahmen gewinnen
und oumlkologische Handlungskompetenz aufbauen
4 Klasse
Elektrizitaumlt bestimmt unser Leben
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller ein immer
tiefer gehendes Verstaumlndnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen
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Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen Permanentmagnet und Elektromagnet elektromagnetische
Induktion
Grundlegendes Wissen uumlber Herstellung Transport und Verbrauch
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator)
Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen
Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geraumlte aus dem
Interessensbereich der Schuumllerinnen und Schuumller gewinnen (Elektromotor)
2 Theoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz
In einem homogenen Leiter gilt bei stationaumlrem Strom
E = U l elektrische Feldstaumlrke
F = eU l elektrisches Feld
v = const
I = enAv Stromstaumlrke
(In 1 s stroumlmen die in einem Leiterstuumlck der Laumlnge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A Jedes traumlgt die Ladung
e Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstaumlrke = I = enav )
Die elektrische Stromstaumlrke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional
I = GU Ohmsches Gesetz
G =UI elektrischer Leitwert
[G] = 1 A V
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Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
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Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 5 36
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller immer
intensiver mit grundlegenden elektrischen Vorgaumlngen im technischen Alltag und in
Naturvorgaumlngen vertraut gemacht werden
Auswirkungen der elektrisch geladenen Atombausteine auf makroskopische
Vorgaumlnge qualitativ verstehen
Verschiedene Spannungsquellen als Energieumformer und einfache
Stromkreise verstehen Gleichstrom und Wechselstrom Stromstaumlrke
Spannung Widerstand das Ohmsche Gesetz
Elektrische Erscheinungen in Technik und Natur erklaumlren koumlnnen
Elektrotechnik macht vieles moumlglich
Ausgehend von Erfahrungen der Schuumllerinnen und Schuumller soll ein grundlegendes
Verstehen von Aufbau und Wirkungsweise wichtiger elektrischer Geraumlte erreicht und
die Wichtigkeit von Schutz- und Sparmaszlignahmen erkannt werden
Energieumformung Arbeitsverrichtung und Wirkungsgrad wichtiger
Elektrogeraumlte verstehen
Grundlegendes Sicherheitsbewusstsein im Umgang mit elektrischen
Einrichtungen entwickeln (Arten von Sicherungen und Isolation)
Einsicht in die oumlkologische Bedeutung von Energiesparmaszlignahmen gewinnen
und oumlkologische Handlungskompetenz aufbauen
4 Klasse
Elektrizitaumlt bestimmt unser Leben
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schuumllerinnen und Schuumller ein immer
tiefer gehendes Verstaumlndnis von technischer Erzeugung und Konsum von
Elektroenergie gewinnen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 6 36
Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen Permanentmagnet und Elektromagnet elektromagnetische
Induktion
Grundlegendes Wissen uumlber Herstellung Transport und Verbrauch
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator)
Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen
Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geraumlte aus dem
Interessensbereich der Schuumllerinnen und Schuumller gewinnen (Elektromotor)
2 Theoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz
In einem homogenen Leiter gilt bei stationaumlrem Strom
E = U l elektrische Feldstaumlrke
F = eU l elektrisches Feld
v = const
I = enAv Stromstaumlrke
(In 1 s stroumlmen die in einem Leiterstuumlck der Laumlnge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A Jedes traumlgt die Ladung
e Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstaumlrke = I = enav )
Die elektrische Stromstaumlrke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional
I = GU Ohmsches Gesetz
G =UI elektrischer Leitwert
[G] = 1 A V
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 7 36
Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 8 36
Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
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Einsicht in den Zusammenhang zwischen elektrischer und magnetischer
Energie gewinnen Permanentmagnet und Elektromagnet elektromagnetische
Induktion
Grundlegendes Wissen uumlber Herstellung Transport und Verbrauch
elektrischer Energie erwerben (Generator und Transformator)
Gefahren des elektrischen Stromflusses erkennen und sicherheitsbewusstes
Handeln erreichen
Einsichten in Funktionsprinzipien technischer Geraumlte aus dem
Interessensbereich der Schuumllerinnen und Schuumller gewinnen (Elektromotor)
2 Theoretische Grundlagen fuumlr den Lehrer
Das Ohmsche Gesetz
In einem homogenen Leiter gilt bei stationaumlrem Strom
E = U l elektrische Feldstaumlrke
F = eU l elektrisches Feld
v = const
I = enAv Stromstaumlrke
(In 1 s stroumlmen die in einem Leiterstuumlck der Laumlnge v enthaltenen
Leitungselektronen durch den Querschnitt A Jedes traumlgt die Ladung
e Bei n Elektronen je m3 ist die in 1 s durch A transportierte Ladung =
die Stromstaumlrke = I = enav )
Die elektrische Stromstaumlrke ist zur elektrischen Spannung zwischen den Leiterenden
proportional
I = GU Ohmsches Gesetz
G =UI elektrischer Leitwert
[G] = 1 A V
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Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
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26102002 8 36
Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
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DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 7 36
Der elektrische Leitwert gibt an welche Stromstaumlrke je 1 V angelegter Spannung
auftritt Die Stromstaumlrke ist zur Spannung U und zum Leiterquerschnitt A
proportional
I = σAE = Ul
A = GU
G = l
A σ heiszligt elektrische Leitfaumlhigkeit
oder spezifischer Leitwert
Anstatt der Leitwerte benuumltzt man haumlufig Widerstaumlnde
1 spezifischer Widerstand
[ρ] = 1 Vm A
R =A
lI
UG
1 elektrischer Widerstand
[R] = 1 V A = 1 Ohm (1 Ω)
Ein Leiter hat den elektrischen Widerstand 1 Ω wenn eine zwischen seinen Enden
liegende Spannung von 1 V einen Strom von 1 A (und somit eine elektrische
Leistung P = 1 V 1 A = 1 VA = 1 W) bewirkt
U = I R R = const Ohmsches Gesetz
Jede Widerstandsmessung bewirkt eine elektrische Heizleistung und fuumlhrt zur
Erwaumlrmung des Widerstandes Dabei veraumlndert sich wiederum sein Wert R Will man
also kleine Widerstaumlnde korrekt messen darf man die Messspannung nicht zu groszlig
waumlhlen
P = U I = R
URUU
2
Leistung
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Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
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Die Kirchhoffschen Gesetze
Die Kirchhoffschen Gesetze beschreiben die Zusammenhaumlnge zwischen Stroumlmen
und Spannungen in verzweigten Leitungssystemen (Netzwerken)
1 Gesetz Die Summe aller zu einem Verzweigungspunkt hinflieszligenden Stroumlme ist
gleich der Summe der von dem Verzweigungspunkt wegflieszligenden Stroumlme oder
wenn man die hinflieszligenden Stroumlme als positiv die wegflieszligenden als negativ zaumlhlt
Die Summe aller Stroumlme in einem Verzweigungspunkt ist gleich Null
I1 + I2 = 0
Das erste Kirchhoffsche Gesetz bedeutet dass in keinem Verzweigungspunkt des
Netzes Stroumlme ndash und damit gleichbedeutend Ladungen ndash entstehen oder
verschwinden koumlnnen
2 Gesetz Laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines Netzwerkes ist die
Summe der Quellenspannungen UQ μ plus der Summe der Spannungsabfaumllle IvRv
an den Widerstaumlnden gleich Null
U1 + U2 + I1R1 + I2R2 = 0
oder allgemeiner ausgedruumlckt laumlngs einer beliebigen geschlossenen Schleife eines
Netzwerks ist die Summe aller Teilspannungen gleich Null
U1 + U2 = 0
Bei den Kirchhoffschen Gesetzen ist es notwendig Vorzeichenvereinbarungen zu
beachten wenn man richtige Resultate erhalten will
1) Der Spannung wird eine Richtung dh ein bdquoZaumlhlpfeilldquo zugeordnet er weist vom
positiven zum negativen Pol hat also die Richtung des zwischen den Polen
herrschenden elektrischen Feldes
2) Der Stromstaumlrke wird auch ein Zaumlhlpfeil zugeordnet der die Bewegungsrichtung
der positiven Ladungstraumlger kennzeichnet (bdquokonventionelleldquo Stromrichtung)
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Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 9 36
Serienschaltung und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Aus der Definition des Widerstandes und den Kirchhoffschen Gesetzen kann man die
Gesamtwiderstaumlnde R von Widerstandskombinationen berechnen und findet
1) Hintereinandergeschaltete Widerstaumlnde (bdquoSerienschaltungldquo) addieren sich
R = R1 + R2
2) Bei parallel geschalteten Widerstaumlnden (bdquoParallelschaltungldquo) addieren sich die
Leitwerte G = G1 + G2
bzw21
111RRR
R ist in diesem Fall immer kleiner als zB R1
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Innenwiderstand RA des Amperemeters erhoumlht Damit diese durch das
Messinstrument bedingte Aumlnderung des Kreiswiderstandes klein bleibt muumlssen
Strommesser also einen moumlglichst kleinen Innenwiderstand besitzen
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der
Innenwiderstand RV des Voltmeters parallel zum Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist erniedrigt (vgl Serien- und Parallelschaltung von
Widerstaumlnden) und Spannungen und Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Damit diese Aumlnderungen wiederum klein bleiben muumlssen Spannungsmesser einen
moumlglichst hohen Innenwiderstand haben
Innerer Widerstand von Messinstrumenten
Zur Messung des Innenwiderstandes RV eines Spannungsmessers baut man
folgende Schaltung auf
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 10 36
Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
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Man liest die Spannung UV ab die zwischen den Klemmen des Voltmeters liegt und
den Strom IV der durch Volt- und Amperemeter flieszligt Der Innenwiderstand des
Voltmeters ergibt sich ausV
VV I
UR
Zur Messung des Innenwiderstandes RA eines Amperemeters hingegen baut man
diese Schaltung auf
Man misst die Spannung UA an den Klemmen von Strom- und Spannungsmesser
und den Strom IA der durch den Strommesser flieszligt weil A
AA I
UR
A
V
AV
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
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NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
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Spannungsteilerschaltung (Potentiometer)
Schlieszligt man einen homogenen Leiter der Laumlnge l mit uumlberall gleichem Querschnitt A
an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an so flieszligt durch ihn ein
Strom I mit uumlber die gesamte Laumlnge l konstanter Stromdichte j = I A Aus der
Definition des Widerstandes ergeben sich die zur Gesamtlaumlnge l und einer beliebigen
Teillaumlnge x gehoumlrenden Spannungen und Widerstaumlnde
Ux = RxI Rx = Ax
Daraus folgtRR
UU xx
lx
RRx
lx
UU x
Oder wenn man die beiden Teillaumlngen x und l -x betrachtet
xl
x
xl
x
RR
UU
xl
xRR
xl
x
xlx
UU
xl
x
Mit einer Spannungsteilerschaltung kann man also jede beliebige Spannung
zwischen 0 und U herstellen Die Gleichungen gelten nur solange streng wie der
Schalter S offen ist und durch den Potentiometerabgriff C kein Strom flieszligt Wird S
geschlossen so ist Ux nicht mehr proportional zu x Ux ist dann im ganzen Bereich
0 lt x lt l erniedrigt und zwar umso mehr je kleiner der Verbraucherwiderstand R` im
Vergleich zum Potentiometerwiderstand R ist An den Endpunkten des Bereichs
(x = 0 x = l) dagegen bleibt die Spannung unveraumlndert
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
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DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
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Spannungsquellen
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet dass die zwischen ihren
Anschlussklemmen K+ und K- gemessene Klemmenspannung UK unabhaumlngig von
der Belastungsstromstaumlrke I einen konstanten Wert UQ (bdquoQuellenspannungldquo)
beibehaumllt
Reale Spannungsquellen (zB Batterien) zeigen demgegenuumlber ein mehr oder
weniger starkes ndash im Allgemeinen lineares ndash Absinken der Klemmenspannung UK mit
wachsender Belastungsstromstaumlrke Ein solches Verhalten laumlsst sich beschreiben
durch ein Ersatzschaltbild in dem die reale Spannungsquelle durch die
Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle mit einem stromunabhaumlngigen
Widerstand Ri (bdquoInnenwiderstandldquo) ersetzt ist
Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen Festkoumlrper der Strom besser als ein
Isolator (zB Hartgummi) aber schlechter als ein metallischer Leiter (zB Kupfer)
leitet Die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters unterscheiden sich also
wesentlich von den Eigenschaften eines metallischen Leiters
Die im Kristallgitter regelmaumlszligig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an
ihren Gitterplaumltzen sie schwingen um ihre mittleren Positionen Diese Schwingungen
sind umso staumlrker je houmlher die Temperatur ist Die Leitfaumlhigkeit eines reinen
Halbleiters beruht auf der Bildung frei beweglicher Ladungstraumlger Elektronen und
Elektronenloumlcher und steigt mit der Temperatur Die Elektronenloumlcher verhalten sich
dabei wie positive Ladungen
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenloumlcher Die Zahl der frei beweglichen Ladungstraumlger und damit die
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
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Leitfaumlhigkeit eines Halbleiters kann durch die Zugabe bestimmter Fremdatome
betraumlchtlich gesteigert werden Man spricht dann von dotierten Halbleitern
Durch Einbau von fuumlnfwertigen Fremdatomen (bdquoDonatorenldquo) erhaumllt man
Elektronenuumlberschussleiter (n ndashLeiter) durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(bdquoAkzeptorenldquo) hingegen erhaumllt man Elektronenmangelleiter (p ndash Leiter)
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfaumlhigkeit
Wir betrachten nun den interessanten Fall wenn eine n ndash leitende an eine p ndash
leitende Kristallzone grenzt Solange sich die beiden Stuumlcke nicht beruumlhren sind sie
elektrisch neutral Bringt man sie hingegen in Kontakt bildet sich am np ndash Uumlbergang
durch Verarmung an frei beweglichen Ladungstraumlgern eine hochohmige
Sperrschicht
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Sperrrichtung)
Man legt am pn ndash Uumlbergang eine Spannung so an dass der Minuspol am p - Leiter
und der Pluspol am n ndash Leiter liegt Die freien Elektronen des n ndash Leiters werden zum
Pluspol stroumlmen die Loumlcher des p ndashLeiters zum Minuspol Die Sperrschicht
verbreitert sich es kann kein wesentlicher Ladungstransport durch den Uumlbergang
erfolgen Die Diode sperrt
Der pn ndash Uumlbergang mit aumluszligerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n ndash Leiter den Pluspol an
den p ndash Leiter so werden die freien Elektronen bzw Loumlcher in die Sperrschicht
gedraumlngt Diese verkleinert sich Uumlberschreitet schlieszliglich die aumluszligere Spannung
einen bestimmen Schwellenwert kompensiert die angelegte Spannung das Feld der
Ionen in der Sperrschicht die Sperrschicht wird abgebaut und Strom kann flieszligen
indem an der Grenzflaumlche die einstroumlmenden Elektronen und Loumlcher rekombinieren
Ein pn ndash Uumlbergang erlaubt also den (technischen) Stromfluss vom p ndash zum n ndash Leiter
Transistor
Der Flaumlchentransistor besteht aus drei Zonen unterschiedlicher Dotierung Beim npn
ndash Transistor befindet sich zwischen zwei n ndash leitenden Bereichen eine sehr duumlnne p ndash
Leiter Schicht Die Mittelschicht wird Basis genannt die anderen Schichten heiszligen
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Emitter und Kollektor Jede Schicht traumlgt einen Kontakt (Beim pnp ndash Transistor liegt
eine n ndash leitende Schicht zwischen zwei p ndash leitenden)
Durch Anlegen der Basisspannung flieszligt im Emitter in Richtung Basis ein Strom von
Elektronen in der der Basis ein Loumlcherstrom in Richtung Emitter dadurch wird die
Sperrschicht abgebaut (vgl Halbleiterdiode) Da die Basis sehr duumlnn ist diffundiert
ein Groszligteil der Elektronen zur Sperrschicht der von der Basis und Kollektor
gebildeten Diode Von den positiven unkompensierten Donatorionen im n ndash leitenden
Bereich der Sperrschicht werden sie in den Kollektor gesaugt und flieszligen zur
positiven Elektrode Der dadurch vom Emitter zum Kollektor flieszligende Strom von
Elektronen (bdquoKollektorstromldquo) ist bis zu tausendmal groumlszliger als der Elektronenstrom
vom Emitter zur Basis (bdquoBasisstromldquo) Beim Abschalten der Hilfsspannung oder
Umpolung sinkt der Kollektorstrom auf Null
3 Wie erklaumlre ich den StoffDa man davon ausgehen kann in einer normal ausgestatteten Schule ca 10 (mehr
oder weniger funktionstuumlchtige) Baukasten - Sets zur Verfuumlgung zu haben ist diese
Thematik geradezu praumldestiniert die Schuumller selbst experimentieren zu lassen
Nach einer Einfuumlhrungsphase (vgl Tafelbild amp Folien) in der die Schuumller die
grundlegenden Kenntnisse im Umgang mit Elektrizitaumlt erwerben sollen koumlnnen sie in
Gruppen von bis zu 3 Leuten (ca 30 Schuumller 10 Baukaumlsten) selbststaumlndig neue
Erkenntnisse gewinnen
Dazu waumlre es sinnvoll Doppelstunden abzuhalten (ev mit den Kollegen oder dem
Schuladministrator sprechen) Die Schuumller sollten zuerst mithilfe von Folien etc die
noumltigen Einstiegsinformationen erhalten um anschlieszligend in Gruppen selbststaumlndig
bdquoweiterzuforschenldquo Im Anschluss daran faumlnde ich es sehr wichtig die erarbeiteten
Ergebnisse auch noch zu vergleichen bzw im Heft zu vermerken (vgl Arbeitsblaumltter)
Da wir uns in der 3 Klasse (bzw am Beginn der 4) Unterstufe befinden sind noch
nicht sehr viele Vorkenntnisse erforderlich Die Schuumller sollten aber schon wissen
was Strom eigentlich ist und wie Spannungs- und Strommessung mithilfe eines
Voltndash bzw Amperemeters funktioniert Auszligerdem sollten sie wissen wie man die
Anzeigen der Multimeter etc richtig abliest Sinnvoll waumlre auch wenn die Schuumller
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schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
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A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
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Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
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Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
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Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 15 36
schon grundlegendes Wissen uumlber lineare Zusammenhaumlnge haumltten (Ohmsches
Gesetz)
Bei allen Versuchen ist es sehr wichtig durch die Klasse zu gehen und den Schuumllern
hilfreich zur Seite zu stehen bzw bei durch offensichtliche Wissensluumlcken
verursachten Misserfolgen weiterzuhelfen Die Schuumller verlieren sonst
wahrscheinlich sehr schnell die Freude am Experimentieren
4 Tafelbild amp 5 FolienZur Erarbeitung des Grundwissens habe ich im Internet auf
httpwwwzumdedwuumahtm wirklich ausgezeichnete Folienvorlagen gefunden
Es gibt jeweils ein Aufgabenblatt das man den Schuumllern kopiert (zum Ausfuumlllen) und
eine Loumlsungsfolie mit deren Hilfe man die Aufgaben gemeinsam mit den Schuumllern
am Overheadprojektor erarbeitet (vgl Anhang 1 - 17)
Jedoch ist folgende Auflistung keine vollstaumlndige Vorlage einige Gebiete sollten auf
jeden Fall noch genauer behandelt werden
Anhang 1 Hier wird erklaumlrt was elektrischer Strom eigentlich ist (Gleichzeitig erfolgt
hiermit die Einfuumlhrung des Begriffs bdquoElektronldquo)
Anhang 2 gibt einige bekannte bdquoWirkungenldquo des elektrischen Stroms wieder Die
Beispiele dafuumlr sollen von den Schuumllern kommen
Anhang 3 amp 4 Mithilfe dieser Folien erarbeitet man gemeinsam mit den Schuumllern die
Grundlagen eines Stromkreislaufes indem man ihn mit einem Wasserkreislauf in
Verbindung bringt (Anhang 2 wird fuumlr die Schuumller kopiert Anhang 3 ist fuumlr den
Overheadprojektor gedacht) Diese Folie eignet sich durch den Alltagsbezug sehr
gut um in die Thematik einzusteigen
Anhang 5 amp 6 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Stromstaumlrkeldquo ein
Anhang 7 amp 8 fuumlhren den Begriff bdquoelektrische Spannungldquo ein
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 16 36
A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 17 36
Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 18 36
Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 19 36
Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 16 36
A
V
Anhang 9 amp 10 Eine Vorlage mit den wichtigsten Schaltsymbolen wobei ich nur
jene aufgelistet habe die die Schuumller im Anschluss fuumlr die Versuche brauchen
werden
Tafelbild
Amperemeter (zur Spannungsmessung)
Voltmeter (zur Strommessung)
Gleichstrom
Wechselstrom
Anhang 11 amp 12 Der wichtigste Inhalt dieser Folien ist die graphische
Veranschaulichung von Elektronenmangel und Elektronenuumlberschuss
Anhang 13 amp 14 In diesen Folien wird der Unterschied zwischen Serien- und
Parallelschaltung auf simple Art herausgearbeitet
Anhang 15 amp 16 Anschlieszligend werden die Gesetze fuumlr die Berechnung von in Serie
bzw parallel geschalteten Widerstaumlnden aufgelistet Ich finde diese Folien wiederum
auch fuumlr die Mitschrift der Schuumller sehr geeignet
Tafelbild An dieser Stelle sollte man den Schuumllern auch erklaumlren wie man die Volt-
und Amperemeter in den Stromkreis schaltet Auszligerdem sollte hier ein Beispiel
gerechnet werden um die Erklaumlrungen zu veranschaulichen
(Die blau eingefaumlrbten Begriffe sollen gemeinsam mit den Schuumllern erarbeitet
werden)
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 17 36
Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 18 36
Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 19 36
Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 20 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 21 36
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 22 36
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 23 36
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 17 36
Serien- und Parallelschaltung von Widerstaumlnden
Zwei Beispiele
Serienschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
R = R1 + R2 = 15 Ω
Parallelschaltung R1 = 5 Ω
R2 = 10 Ω also R =
103
101
51111
1
RRR
Schaltung von Strom- und Spannungsmessern
Zur Messung der Stromstaumlrke muss man einen Strommesser (bdquoAmperemeterldquo) seriell
in den Stromkreis schalten Dadurch wird der Gesamtwiderstand des Stromkreises
um den Widerstand RA des Amperemeters erhoumlht
Mit einem parallel geschaltetem Spannungsmesser (bdquoVoltmeterldquo) kann man (zB) die
Spannung an einem Widerstand messen Infolgedessen liegt auch der Widerstand
RV des Voltmeters parallel zum bdquonormalenldquo Widerstand der Gesamtwiderstand
zwischen den Anschlussstellen ist also erniedrigt und Spannungen und
Stromstaumlrken im Stromkreis sind veraumlndert
Anhang 17 bietet die entsprechende Veranschaulichung fuumlr den Overheadprojektor
Anhang 18 amp 19 Mithilfe dieser beiden Folien kann man den Schuumllern helfen den
undotierten Halbleiter zu verstehen Allerdings sollte man nicht sofort von den
Widerstaumlnden auf die Halbleiter uumlbergehen sondern den Uumlbergang durch Beispiele
etwas bdquosanfterldquo gestalten
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 18 36
Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 19 36
Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 20 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 21 36
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 22 36
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 23 36
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 25 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 18 36
Anhang 20 Hiermit kann man den n- und den p -dotierten Halbleiter
veranschaulichen (Erklaumlrungen vgl Theoretischer Hintergrund fuumlr den Lehrer gilt fuumlr
alle Folien)
Anhang 21 veranschaulicht nun wie eine Diode funktioniert und zeigt den
Unterschied zwischen Sperr- und Durchlassrichtung einer Halbleiterdiode
Anhang 22 amp 23 Falls noch Zeit bleibt kann man den Schuumllern auch noch erklaumlren
woraus ein Transistor besteht (vgl Oberstufen Protokoll Lindenbauer Edith
passend dazu Versuch bdquoBesteht ein Transistor aus 2 Diodenldquo)
6 Versuche
Zeit
Hier ein kurzer Uumlberblick uumlber die durchgefuumlhrten Experimente und deren ungefaumlhre
Dauer (Am Beginn hatten wir noch einige Schwierigkeiten mit der Handhabung und
dem Aufbau der Versuche Folgende Zeitangaben sind deshalb realistische
Schaumltzungen der Mindestdauer (ohne groumlbere Schwierigkeiten) Auszligerdem sollte
man mit dem NTL- Baukasten bereits etwas vertraut sein dh fuumlr Unterstufen -
Schuumller sind diese Zeitangaben unrealistisch Generell ist zu sagen dass man alle
Versuche auf jeden Fall vorher ausprobieren sollte um potentielle Fehlerquellen zu
vermeiden (defekte Messgeraumlte oder Baukloumltze Steckfehler hellip)
1 Experimente mit Widerstaumlnden
Ohmsches Gesetz 10 Min
Spezifischer Widerstand von Draumlhten 10 Min
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden 5 Min
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer 8 Min
2 Experimente mit Dioden
Die Durchlassspannung der Silizium Diode 5 Min
Kennlinien von Halbleiterdioden 10 Min
Die Zenerdiode 7 Min
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 19 36
Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 20 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 21 36
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 22 36
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 23 36
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 25 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 19 36
Generell ist zu sagen dass ich zu den einzelnen Versuchen fast keine
Messergebnisse angeben kann Bei den ersten 2-3 Versuchen hatten wir noch einige
Schwierigkeiten mit dem Aufbau auszligerdem haben wir am Ende des ersten
Versuchsnachmittags bemerkt dass die Messgeraumlte die wir verwendeten aumluszligerst
ungenau waren Zudem kommt noch dass wir bei den meisten Versuchen
improvisieren mussten und nicht die angegebenen Widerstaumlnde verwendet haben
(es gab keinen 500 Ω Widerstand) Da falsche Widerstaumlnde die
Versuchsanordnungen und Messergebnisse beeinflussen wuumlrden werde ich diese
Messergebnisse nicht angeben Fuumlr die Transformatorversuche (dh im
Oberstufenprotokoll) gibt es allerdings gute Messergebnisse
Versuchsanordnungen (1)
Versuchsdurchfuumlhrungen (2)
Theoretischer Hintergrund (3)
Ohmsches Gesetz
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 20 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 21 36
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 22 36
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 23 36
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 25 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift
werden in die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 21 36
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Leider kann ich zu diesem Versuch keine Messwerte angeben weil das verwendete
Messgeraumlt sehr ungenau war und die Messergebnisse somit hinfaumlllig sind)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
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3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
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(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
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Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 22 36
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 23 36
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 25 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 23 36
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 25 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 37 36
Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 24 36
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
(Zu diesem Versuch kann ich leider keine Werte angeben weil wir mit anderen
Draumlhten gearbeitet haben)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
(vgl Abbildung 1 Anhang 24)
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
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1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 25 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
(2)
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 26 36
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
(Widerrum kann ich keine Werte angeben weil wir keinen 500 Ω Widerstand hatten)
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
(1)
Material
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 27 36
1 Potentiometer 470 Ω
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
(2)
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 28 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
(vgl Abbildung 2 amp 3 Anhang 25)
Die Durchlassspannung der Silizium Diode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
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26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
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26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 29 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen
10 V 005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom)
misst die Spannung an der Diode
(2)
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 10 V
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 08 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten dass in der Sperrrichtung an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung nur die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt) liegt
(vgl Abbildung 4 amp 5 Anhang 26)
Kennlinien von Halbleiterdioden
(1)
Material
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 37 36
Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 30 36
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Schaltung Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
(2)
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
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26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
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26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
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26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
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26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
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26102002 37 36
Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 31 36
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
(Zu diesem Versuch kann ich wieder keine Messwerte angeben weil wir keinen
500 uacute Widerstand hatten)
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 32 36
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
(vgl Abbildung 6 Anhang 27)
Die Zenerdiode
(1)
Material
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 33 36
Schaltung Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
(2)
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
(3)
Theoretischer Hintergrund und Erkenntnis
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
N
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 34 36
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
7 Experimentelle Schwierigkeiten
Generell ist zu sagen dass man alle Versuche die man mit den Schuumllern
durchfuumlhren moumlchte vorher ausprobieren sollte Auszligerdem beduumlrfen die NTL
Baukaumlsten einer regelmaumlszligigen Wartung (Bei uns war z B die Zenerdiode
von Beginn an defekt was uns einige Zeit kostete Als wir dann das Problem
erkannt hatten mussten wir erst eine neue in den Baustein einloumlten)
Man sollte sich nicht auf Batterien verlassen Wir haben erkannt dass es
unkomplizierter ist von Beginn an ein Netzgeraumlt zu verwenden
Wenn ein Versuch nicht auf Anhieb funktioniert muss man erst herausfinden
was defekt sein koumlnnte (Kabel Bauteile Messgeraumltehellip)
Die Stecker zum Einklemmen der Draumlhte sind etwas kompliziert zu handhaben
(man braucht bdquo3 Haumlndeldquo)
Wir verwendeten zu Beginn Messgeraumlte die uns sehr ungenaue Werte
lieferten was bei einigen Versuchen zu keinem Ergebnis fuumlhrte obwohl die
Schaltung richtig aufgebaut war Man sollte also auch die Messgeraumlte vorher
uumlberpruumlfen
Auszligerdem sind an manchen Messgeraumlten die Werte nur sehr ungenau
abzulesen
Man muss vor allem flexibel sein Wenn man nicht den richtigen Draht oder
Widerstand zu Verfuumlgung hat nimmt man eben einen anderen Bei den
Schuumllerversuchen geht das allerdings nicht so einfach Man sollte sich vorher
uumlberlegen wie viel man an welchen Materialien hat und wie man sie am
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 35 36
besten verwendet Auszligerdem aumlndern sich dabei ja die Messwerte bzw muss
man aufpassen dass der Schutzwiderstand nicht zu klein fuumlr eine Diode etc
wird
Aufpassen muss man vor allem bei den Dioden auf die Stromrichtung
(technische oder konventionelle)
Die Schaltplatten nuumltzen sich mit der Zeit ab Manche Platten funktionieren nur
noch am Rand einwandfrei (man steckt normal in die Mitte) Man sollte die
Schuumller also motivieren die Schaltung mit moumlglichst wenig Bauteilen (Kabel
verwenden uumlberfluumlssige Bauteile rausnehmen) und am Rand zu bauen
Oft mussten wir die Einstellungen an den Messgeraumlten variieren Man sollte
die Schuumller auf die Auswirkungen eines zu kleinen Messbereichs auf das
Messgeraumlt aufmerksam machen bdquoLieber einmal mehr hinunterschalten als das
Messgeraumlt zu ruinierenldquo
Vorher uumlberlegen sollte man sich auch was man sonst noch benoumltigt Fuumlr den
Versuch mit der bdquoautomatischen Beleuchtungldquo zB mussten wir eine Kerze
(Taschenlampe oder aumlhnliches) besorgen
Nach der Eingewoumlhnungsphase gelingen die Versuche dann auch viel
schneller und besser Man kennt seine gaumlngigen Fehlerquellen
8 MedienAuszliger dem Overheadprojektor und der Tafel werden bei dieser Thematik keine
weiteren Medien benoumltigt Die Versuche sollen ja selbststaumlndig von den Schuumllern
durchgefuumlhrt und ausgewertet werden Am Ende sollte man dann noch die
Ergebnisse und Erkenntnisse vergleichen
9 Was diktiere ich ins HeftDie Arbeitsblaumltter veranlassen die Schuumller einerseits dazu mitzuarbeiten und
andererseits dienen sie gleichzeitig als Mitschrift Selbiges gilt fuumlr die Folien
Die Schuumller haben alleine durch die Folien und Arbeitsblaumltter eine bdquoBasisldquo fuumlr die
Mitschrift Natuumlrlich sollten noch einige Dinge ergaumlnzt werden (die Folien sind ja nicht
vollstaumlndig ausgearbeitet es fehlt zB der Innenwiderstand eines Geraumltes) wie zB
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406
26102002 36 36
natuumlrlich die Messergebnisse die Mitschrift an der Tafel die gewonnenen
Erkenntnisse und individuelle Zusatzinformationen der Schuumller Man sollte die
Mitschrift der Schuumller vielleicht im Nachhinein kontrollieren um zu erfahren was man
noch einmal wiederholen sollte und welche Messungen nicht funktioniert haben
10 Anmerkungen
Kritiken und Verbesserungsvorschlaumlge
(vgl Experimentelle Schwierigkeiten)
11 Anhang
Anhang 1 (S 1 ndash S 23) FOLIEN
Anhang 2 (S 24 ndash S 27) VERSUCHSABBILDUNGEN
Anhang 3 (S 28 - S ) ARBEITSBLAumlTTER fuumlr die Schuumller
Anmerkung Die Arbeitsblaumltter fuumlr die Schuumller sind jeweils als Kopiervorlage fuumlr die
Schuumller bzw als Loumlsungsvorschlag fuumlr den Lehrer gedacht Allerdings konnte ich
nicht alles vollstaumlndig ausfuumlllen weil wir bei den meisten Messungen andere
Widerstaumlnde bzw Materialen (anderer Draht beim spezifischen Widerstand)
verwendet haben (bdquoimprovisiertldquo) Ich habe mich aber bemuumlht trotzdem moumlglichst
viele Loumlsungsansaumltze zu geben Die Arbeitsblaumltter sind im Wesentlichen (bis auf
einige Vereinfachungen) von den obigen Versuchsanleitungen (vgl Versuche)
uumlbernommen worden
Physikalisches Schulversuchspraktikum I
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Literaturverzeichnis
Quellenangaben (in verwendeter Reihenfolge)
Versuchsunterlagen aus dem Schulversuchspraktikum
Schuumllerversuche Elektronik
Walcher Wilhelm Praktikum der Physik
Teubner 1994
ISBN 3-519-13038-6
Sexl u a Physik 3 Neubearbeitung
Ueberreuter 1991 (1 Auflage)
ISBN3-209-01191-5
DrJosef Schreiner Angewandte Physik 1
Houmllder-Pichler-Tempsky 1983
Gollenz ndash Breyer ndash Eder ndash Tentschert Lehrbuch der Physik 3 Klasse
oumlbv amp hpt Wien
Bader ndash Walz Blickpunkt Physik 4 (fuumlr AHS)
E Dorner GmbH Wien 1998
ISBN 3-7055-0193-3
Hohl ndash Unterberger Von der Physik 3
E Dorner GmbH Wien 1997
ISBN 3-7055-0126-7
httpwwwzumdedwupep002vshtm
httpwwwzumdedwuumapethtm
Anhang 1
Anhang 2
Anhang 3
Anhang 4
Anhang 5
Anhang 6
Anhang 7
Anhang 8
Anhang 9
Anhang 10
Gleichstromquelle (zB Batterie Akkuhellip)
Leitung
Gluumlhlampe
Leitungen ohne Verbindung
Leitungen mit Verbindung
Schalter (offen)
Schalter (geschlossen)
Widerstand
Diode
Transistor
Anhang 11
Anhang 12
Anhang 13
Anhang 14
Anhang 15
Anhang 16
Anhang 17
Anhang 18
Anhang 19
Anhang 20
Anhang 21
Anhang 22
Anhang 23
Anhang 24
Abbildung 1 Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Anhang 25
Abbildung 2 amp 3 Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Anhang 26
Abbildung 4 amp 5 Die Durchlassspannung der Siliziumdiode
Anhang 27
Abbildung 6 Kennlinien von Halbleiterdioden
Anhang 28
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 29
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen helliphelliphelliphelliphellip entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer helliphelliphelliphelliphellip Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten helliphelliphelliphelliphellip Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches Gesetz
R
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = helliphellip angegeben
Anhang 30
Ohmsches Gesetz
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
2 Batterie (Akku) 12 V
2 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Sicherungsdraht 01 mm
2 Messinstrumente
4 Verbindungsleitungen
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Krokoklemmen mit Steckerstift werden in
die beiden Anschluumlsse gesteckt Dann wird der Sicherungsdraht in die
Krokoklemmen eingeklemmt Als Spannungsquelle dient zunaumlchst eine 12 V
Batterie Dort wo spaumlter die zweite 12 V Batterie eingesteckt wird wird zunaumlchst
eine Leitung gerade eingesetzt Das Voltmeter (Messbereich 3 V Gleichstrom) misst
die angelegte Spannung das Amperemeter (Messbereich 300 mA Gleichstrom)
misst die Stromstaumlrke
Versuch
Anhang 31
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Spannung und die Stromstaumlrke Dann
bilden wir den Quotienten aus Spannung und Stromstaumlrke Wir nennen ihn den
elektrischen Widerstand des Drahtes Er wird in der Einheit Ohm [Ω] gemessen
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Dann setzen wir an der Stelle des schraffierten Bausteins die zweite Batterie ein Die
angelegte Spannung sollte nun doppelt so groszlig sein Wir messen wieder die
angelegte Spannung und die Stromstaumlrke und berechnen den Widerstandswert des
Drahtes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Verschiedene Verbraucher setzen dem elektrischen Strom bei gleicher Spannung
einen unterschiedlichen Widerstand entgegen Die Stromstaumlrke durch den
Verbraucher ist je nachdem groumlszliger oder kleiner Der Quotient aus Spannung und
Stromstaumlrke hingegen ist immer gleich groszlig Die Stromstaumlrke ist proportional zur
angelegten Spannung Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstaumlrke
wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben
Ohmsches GesetzI
UR
Das Ohmsche Gesetz wird auch in der Form U = R I angegeben
Anhang 32
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 33
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 34
Wir wollen den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem Material
bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck mit
bekannter helliphelliphellip und bekanntem helliphelliphelliphelliphelliphellip den helliphelliphelliphelliphelliphelliphellipbestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 35
Spezifischer Widerstand von Draumlhten
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
3 Krokoklemmen mit Steckerstift
1 Rolle Kupferdraht 02 mm
1 Rolle Widerstandsdraht 02 mm
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Das Voltmeter (Messbereich 10 V
Gleichstrom) misst zunaumlchst an den Anschluumlssen C und D die angelegte Spannung
In die Buchsen A und B stecken wir Krokoklemmen mit Steckerstift Ein Stuumlck
Kupferdraht wird in den beiden Krokoklemmen eingeklemmt Ein gleich langes Stuumlck
Widerstandsdraht wird vorbereitet Das Amperemeter wird mit dem Messbereich 1 A
(Gleichstrom) verwendet Wir legen 5 V Gleichspannung an das Voltmeter misst
dann die am Draht liegende Spannung
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter kurzzeitig stellen die angelegte Spannung so ein dass
das Voltmeter genau 5 Volt anzeigt und messen die Stromstaumlrke Der Schalter
sollte bald wieder geoumlffnet werden da sich kein Verbraucher im Stromkreis befindet
Anhang 36
Aus den Messwerten fuumlr Spannung und Stromstaumlrke berechnen wir den Widerstand
des Drahtstuumlckes
Wir bestimmen die Laumlnge l des eingespannten Drahtstuumlckes genau und berechnen
die Querschnittsflaumlche A
Der Durchmesser des Drahtes betraumlgt helliphellip mm
Die Querschnittsflaumlche betraumlgt daher r2π mm2 = helliphellip mm2 = helliphelliphelliphellip m2
Den spezifischen Widerstand ρ fuumlr 1 m Laumlnge und 1 m2 Querschnitt erhalten wir
durch diese Formel ml
AR
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
2 Versuch
Wir ersetzen den Kupferdraht durch den Widerstandsdraht und wiederholen die
Messung des 1 Versuches Wieder berechnen wir den Widerstand und den
spezifischen Widerstand Der Widerstandsdraht hat denselben Durchmesser und
daher denselben Querschnitt wie der Kupferdraht
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Spezifischer Widerstand ρ = helliphelliphelliphellip
Was sollst Du Dir merken
Anhang 37
Wir wollen den spezifischen Widerstand von 2 Draumlhten aus unterschiedlichem
Material bestimmen Dieser kann berechnet werden indem man fuumlr ein Drahtstuumlck
mit bekannter Laumlnge und bekanntem Querschnitt den Widerstand bestimmt Der
spezifische Widerstand des Kupferdrahtes betraumlgt etwa 210-8 der des
Widerstandsdrahtes ca 110-6 Der Kupferdraht leitet also etwa 50-mal so gut wie der
Widerstandsdraht
Anhang 38
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 39
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke
helliphelliphellip Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist
helliphelliphelliphellip wie die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung helliphelliphelliphellip als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt
R
Anhang 40
Parallelschaltung von Ohmschen Widerstaumlnden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Widerstand 500 uacute
1 Widerstand 1 kuacute
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Wir verwenden in der Schaltung die
Widerstaumlnde 500 Ω und 1 kΩ = 1000 Ω Wir legen 9 V Gleichspannung an und
kontrollieren die Spannung mit dem Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) Das
Amperemeter (Messbereich 30 mA Gleichstrom) wird zunaumlchst in den Zweig des
Stromkreises geschaltet in dem sich der Widerstand 500 Ω befindet
1 Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und messen die Stromstaumlrke I1
I1 = helliphellip mA = helliphellip A
2 Versuch
Anhang 41
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (bdquoAldquo) in den beiden Zweigen der Parallelschaltung Wir schlieszligen wieder den
Schalter und messen die Stromstaumlrke I2 durch den Widerstand 1 kΩ
I2 = helliphellip mA = helliphellip A
3 Versuch
Wir vertauschen die bdquounterbrocheneldquo mit der schraffiert gezeichneten geraden
Leitung (ldquoBldquo) Nach Schlieszligen des Schalters messen wir nun die Stromstaumlrke I
I = helliphellip mA = helliphellip A
Wir bilden die Summe der Stromstaumlrken I1 und I2 in den beiden Zweigen der
Parallelschaltung und vergleichen sie mit der Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der
Schaltung
Den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung erhalten wir durch Berechnung mithilfe
des Ohmschen Gesetzes
Spannung U = helliphellipV
Stromstaumlrke I = hellipmA = helliphellipA
Widerstandswert R =
AV
IU
eStromstaumlrkSpannung
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen durch Messung von Spannung und Stromstaumlrke den Gesamtwiderstand
bei einer Parallelschaltung von ohmschen Widerstaumlnden berechnen
Durch die Parallelschaltung eines zweiten Widerstandes wird die Stromstaumlrke groumlszliger
Die Summe der Stromstaumlrken in den Zweigen der Parallelschaltung ist so groszlig wie
die Stromstaumlrke im unverzweigten Teil der Schaltung
Der Gesamtwiderstand wird bei Parallelschaltung kleiner als die beiden
Teilwiderstaumlnde
Dieser Gesamtwiderstand kann auch berechnet werden
21
111RRR
oder umgeformt21
21 RRRRR
Anhang 42
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 43
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 44
Beleuchtungsregelung mittels Potentiometer
Du brauchst
Schaltplatte
1 Schalter EIN ndash AUS
1 Lampenfassung
1 Potentiometer 470 uacute
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Am Potentiometer liegt die volle angelegte
Spannung Ein Potentiometer hat 3 Anschluumlsse zwischen dem End- und dem
mittleren Anschluss wird die Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen Wenn der
Drehknopf ganz nach links gedreht ist liegt am Gluumlhlaumlmpchen die kleinste
Spannung Wenn der Drehknopf hingegen ganz nach rechts gedreht ist wird die
maximale Spannung fuumlr das Gluumlhlaumlmpchen abgegriffen
Wir legen nun 10 V Gleichspannung an Der Drehknopf des Potentiometers ist bis
zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn gedreht
Versuch
Wir schlieszligen den Schalter und drehen den Regelknopf des Potentiometers langsam
im Uhrzeigersinn Das Gluumlhlaumlmpchen beginnt zu leuchten Dann drehen wir wieder
zuruumlck nach links wobei das Gluumlhlaumlmpchen erlischt
Anhang 45
Hinweis Wenn wir statt des Gluumlhlaumlmpchens ein Voltmeter angeschlossen haumltten
koumlnnten wir die am Verbraucher liegende Teilspannung bestimmen
Was sollst Du Dir merken
Mithilfe eines Potentiometers laumlsst sich die Spannung an einem Gluumlhlaumlmpchen
(allgemein an einem Verbraucher) regeln
Anhang 46
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 47
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also helliphellip) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip) durchgaumlngig ist Die Ergebnisse
zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 48
Durchlassspannung der Siliziumdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Si ndash Diode
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005 A
2 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Die Diode wird mit einem Gluumlhlaumlmpchen 10 V
005 A in Reihe geschaltet Das Voltmeter (Messbereich 10 V Gleichstrom) misst
die Spannung an der Diode
1 Versuch
Die Diode wird in Sperrrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt helliphelliphellipV
Wir messen zum Vergleich die angelegte Spannung
Die gesamte Spannung liegt an der Diode am Gluumlhlaumlmpchen entsteht also kein
Spannungsabfall weil kein Strom flieszligt (wenn I = 0 ist dann ist auch U = R I = 0)
2 Versuch
Anhang 49
Die Diode wird in Durchlassrichtung eingesteckt Das Voltmeter zeigt 0 V
Die Diode nimmt eine bdquoDurchlassspannungldquo auf ist also nicht ideal durchgaumlngig
Was sollst Du Dir merken
Wir untersuchen ob die Diode in Sperrrichtung ideal (also voumlllig) sperrt und ob sie in
Durchlassrichtung ideal (also ohne Spannungsabfall) durchgaumlngig ist Die
Ergebnisse zeigten in der Sperrrichtung liegt an der Diode die gesamte- in der
Durchlassrichtung die Durchlassspannung (bei Silizium 07 Volt)
Anhang 50
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 51
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter helliphelliphelliphelliphelliphellip und helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip untersuchen Die
Stromstaumlrke haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab
Anhang 52
Wenn man die Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden
Spannung in ein Diagramm einzeichnet erhaumllt man die helliphelliphelliphelliphelliphellipder Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 53
Kennlinien von Halbleiterdioden
Du brauchst
Schaltplatte
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 500 Ω
1 Si ndash Diode
1 Ge ndash Diode
2 Messinstrumente
6 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Wir bauen die Schaltung gemaumlszlig der Abbildung auf Zuerst wird das
Verhalten der Siliziumdiode untersucht Sie ist in Durchlassrichtung eingesteckt Der
Widerstand 100 Ω dient zum Schutz fuumlr die Diode Das Voltmeter misst die an der
Diode anliegende Spannung (Messbereich 3 V Gleichstrom) Das Amperemeter wird
mit dem Messbereich 30 mA (Gleichstrom) verwendet
1 Versuch
Wir legen Gleichspannung an und erhoumlhen sie langsam Die vom Voltmeter
angezeigte Spannung an der Siliziumdiode soll der Reihe nach die in der Tabelle
Anhang 54
angefuumlhrten Werte annehmen Die jeweilige Stromstaumlrke wird in die Tabelle
eingetragen
Spannung (in V) 01 02 03 04 05 06 07
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Wir tragen die Messwerte anschlieszligend in ein Diagramm ein und verbinden die
einzelnen Punkte
2 Versuch
Wir ersetzen die Siliziumdiode durch die Germaniumdiode und den Widerstand
100 Ω durch den Widerstand 500 Ω Die Germaniumdiode wird ebenfalls in
Durchlassrichtung eingesteckt Die angelegte Spannung wird der Reihe nach so
eingestellt dass das Voltmeter die in der Tabelle angegebenen Werte anzeigt Die
gemessene Stromstaumlrke wird in die Tabelle eingetragen
Spannung (in V) 01 02 04 08 10 12 14 16
Stromstaumlrke (in mA) hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip hellip
Die Messwerte werden ebenfalls in ein Diagramm eingetragen und die Punkte
verbunden
3 Versuch
Wir stecken die Germaniumdiode und dann die Siliziumdiode in Sperrrichtung ein
und legen 10 Volt Gleichspannung an Das Voltmeter zeigt nun eine viel houmlhere
Spannung als in den beiden ersten Versuchen an Will man die Messwerte ebenfalls
in das Diagramm einzeichnen so muss fuumlr die Sperrrichtung ein anderer Maszligstab
gewaumlhlt werden
Was sollst Du Dir merken
Wir wollen fuumlr eine Silizium- und eine Germaniumdiode den Zusammenhang
zwischen angelegter Spannung und Stromstaumlrke untersuchen Die Stromstaumlrke
haumlngt bei unterschiedlichen Dioden von der angelegten Spannung ab Wenn man die
Anhang 55
Stromstaumlrke in Abhaumlngigkeit von der an der Diode liegenden Spannung in ein
Diagramm einzeichnet erhaumllt man die Kennlinie der Diode
Bei einer Halbleiterdiode flieszligt in Sperrrichtung ein geringer Strom der sogenannte
Sperrstrom
Anhang 56
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 57
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa helliphellip Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu helliphelliphelliphellip wobei das Gluumlhlaumlmpchen
helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung
der angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
helliphelliphelliphelliphelliphellip
Anhang 58
Die Zenerdiode
Du brauchst
Schaltplatte
1 Lampenfassung E 10
1 Z ndash Diode 47 V
1 Gluumlhlampe E 10 10 V 005A
1 Messinstrument
4 Verbindungsleitungen
Stromversorgung
Aufbau Aufbau gemaumlszlig der Abbildung Gluumlhlaumlmpchen und Zenerdiode (in
Sperrrichtung) sind in Serie geschaltet Das Voltmeter misst die bdquoSperrspannungldquo an
der Zenerdiode
Versuch
Die Gleichspannung wird von Null langsam bis 10 Volt erhoumlht Dabei werden
Voltmeter und Gluumlhlaumlmpchen beobachtet
Was sollst Du Dir merken
In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie Siliziumdioden In Sperrrichtung
zeigen sie jedoch ein anderes Verhalten
Anhang 59
Die Spannung an der Zenerdiode steigt nur bis etwa 47 Volt dann bleibt sie trotz
Erhoumlhung der angelegten Spannung nahezu konstant wobei das Gluumlhlaumlmpchen
Stromfluss anzeigt (trotz Sperrrichtung)
Erkenntnis
Wenn Zenerdioden in Sperrrichtung geschaltet werden bricht bei einer bestimmen
Spannung (der bdquoDurchbruchspannungldquo der Diode) ein Strom durch Bei Erhoumlhung der
angelegten Spannung bleibt die an der Zenerdiode liegende Spannung ziemlich
konstant
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