Experimentiertafeln Auf 10 fahrbaren Tafeln sind beidseitig grundlegende Experimente zur...

Experimentiertafeln

Auf 10 fahrbaren Tafeln sind beidseitig grundlegende Experimente zur Elektrizitätslehre aufgebaut, die der Besucher selbst bedienen kann. Thematisch beginnen die Experimente beim einfachsten Stromkreislauf und gehen über die elektromagnetische Induktion bis zur Elektrizitätsverteilung und zur Sicherheit im Umgang mit Elektrizität.

Themen der einzelnen Tafeln:(Durch Mausklick zu den Tafeln, Bild dazu)

Tafel 1: Experimente und Modelle zur Elektrizitätslehre

Tafel 2: Wirkungen des elektrischen Stromes

Tafel 3: Messung elektrischer Grössen

Tafel 4: Gleichspannung, Wechselspannung, Induktion

Tafel 5: 1-Phasen Generator 3-Phasen Generator

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Experimentiertafeln

Tafel 6: Inselbetrieb, Synchronisation, Netzverbund

Tafel 7: Belastung des Generators

Tafel 8: Asynchrongenerator

Tafel 9: Verbundnetz, Transformator

Tafel 10: Überstromschutz, Fehlerstromschutz

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Tafel 1

symbolisch

P: Pumpe H: Hahn I: Indikator (z.B. Wasseruhr)

Im geschlossenen Kreis bewegt sich ein Medium, das Energie von der Quelle zum Verbraucher überträgt. Das Übertragungsmedium wird dabei nicht verbraucht; es ist gleichzeitig im ganzen Kreis in Bewegung.

P

Experimente und Modelle zur Elektrizitätslehre Der elektrische Stromkreis

Das Experiment zeigt: Mechanisches Modell zum elektrischen Stromkreis: Wasserkreislauf

B

symbolische Darstellung

B: Batterie, Quelle S: Schalter L: Lämpchen, Verbraucher

Das Lämpchen kann nur brennen, wenn der Stromkreis geschlossen ist.

P

Bild

Die Analogie von elektrischem Stromkreis und Wasserkreislauf lässt vermu-ten: Beispiele von alltäglichen Stromkreisen

Die Leuchtdioden symbolisieren die bewegten Ladungsträger. Der Ge-nerator im Elektrizitäswerk (EW) sorgt für deren Bewegung sofern der Stromkreis geschlossen ist, d.h. sofern das Haushaltgerät einge-steckt und eingeschaltet ist. Die Heizdrähte behindern die Bewegung der Ladungsträger, sie werden dadurch warm. Gezeigt sind die Verhältnisse bei „Wechselspannung“, allerdings bei einer viel tieferen Frequenz als bei der Netzwechselspannung. Die Metallteile des Velos werden als elektrischer Leiter mitbenützt. Velofahrer werden dadurch genau so wenig gefährdet, wie wenn die blanken Anschlüsse einer Taschen-lampenbatterie angefasst werden.

Im geschlossenen elektrischen Stromkreis überträgt ein bewegtes Medium Energie von der Batterie zum Verbrau-cher. Das Medium (es sind Ladungsträger) muss in jedem elektrischen Leiter bereits vorhanden sein. Die Batterie ist in der Lage, dieses Medium in Bewegung zu setzen.

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rechte Tafelhälfte

Grundprinzip: Ausnützen der Kraft, die ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnet-feld erfährt Hufeisenmagnet N: Nordpol S: Südpol um Achse drehbare stromdurchflossene F: Kraftwirkung Drahtschlaufe Rotationsrichtung Für ein kontinuierliches Drehen muss im geeigneten Moment die Stromfliessrichtung neu angepasst werden. Diese Aufgabe übernimmt der Kollektor (auch Stromwender oder Kommutator genannt).

1) Dauermagnet aufsetzen 2) Einschalten 3) Drehzahl mit Hilfe des Potentiometerknopfes regulieren

Der eine der beiden Motoren muss u.U. „angeworfen“ werden: bei vertikaler Stellung hat die Kraft auf die Drahtschlaufe(n) keine drehende Wirkung.

Beachte: Die Drehrichtung des Ankers ist eindeutig und wird durch ein entsprechendes Einsetzen des Magneten festgelegt.

Eisenkern, zur Verstärkung der magnetischen Kraftwirkung.

Der Eisenkern kann entfernt werden. Das Magnetfeld der Spule allein ist aber so schwach, dass das Gewicht am rech-ten Haken angehängt werden muss, sofern das Joch geho-ben werden soll

Im vorliegenden Experiment wird die Ausdehnung der Stoffe bei Erwärmung verwendet, um die Wärmewirkung zu zeigen; siehe auch „Sicherung“, Tafel 10.

Anwendungen

Elektromotor

Betrieb der Modellmotoren

Hubmagnet

Wärmewirkung des elektrischen Stromes

Bild

Tafel 2

Schalter nach unten

Schalter nach oben

Wirkungen des elektrischen Stromes Beachte: Von den Experimenten der linken Tafelhälfte kann gleichzeitig nur eines eingeschaltet sein. angezeigt durch kleine Kompassnadeln Leiter mit ent- Leiter mit gleich- gegengesetzt gerichtet flies- fliessenden senden Strömen Strömen stos- ziehen sich ge- sen sich ge- genseitig an genseitig ab

Bei einigen Windungen haften Verstärkung der magnetischen bereits ein paar Nägel Wirkung durch einen Eisenkern rechte Tafelhälfte

Ein elektrischer Strom erzeugt ein magnetisches Feld

Zwei stromdurchflossene Leiter üben aufeinander Kräfte aus

„Elektromagnet“: eine stromdurchflossene Spule

Anwendungen

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Tafel 3 Messung elektrischer Grössen

Im Magnetfeld des Hufeisenmagneten er-fahren die vertikalen Teilstücke der stromdurchflossenen Spule eine Kraft, die die Spule verdreht. Die Stärke der Verdrehung hängt unter anderem von der Stromstärke I ab. Zum Strommessgerät fehlen der Vorrich-tung im Wesentlichen nur der Zeiger und eine Skala.

Experiment auf der oberen Tafelhälfte symbolische Darstellung

als Quellen stehen zur Verfügung: eine Batterie mit 6V eine Batterie mit 12V Stromstärke I in A (Ampère) Spannung U in V (Volt) (Wirk-) Leistung P In W (Watt)

Grundprinzip eines Drehpulinstrumentes

Messung von Stromstärke I, Spannung U und Leistung P

Die Leistung ergibt sich aus

P = U I

Bei konstanter Leistung wird in der Zeit t die Energie

W = P t = U I t

bezogen, gemessen in Wattsekunden (Ws) oder - als grössere Einheit - in Kilowattstunden (kWh). Hinweise: - Die Stromversorgungsgeräte sind kurzschlussfest

- die Widerstände haben einen Wert von je 10 - Werte der Lampe: 12V, 21W; die angegebene Leistung gilt nur bei 12V; der Widerstand des Glühfadens ist stark temperaturabhängig - der Eigenverbrauch des Strom- und Spannungspfades des Wattmeters ist re-

lativ hoch, wie auch der Spannungsverbrauch des A-Meters, weshalb die Schaltungsart der Instrumente etwas unüblich gewählt ist.

Widerstandsmessplatz, Anordnung Quelle regelbar kurzschlussfest

Für verschiedene Spannungswerte wird der Strom gemessen und in einem Diagramm werden U und I gegeneinander aufgetragen. Die Messpunkte liegen entlang einer Geraden durch den Nullpunkt, was bedeutet, dass U und I proportional sind („Ohm’sches“) Gesetz. Die so bestimmten Widerstandswerte können mit Hilfe des ganz rechts angeordneten Ohm-Meters nachgeprüft werden (Messbereiche 0...199,9 bzw. 0...1999).

Der elektrische Widerstand

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Bemerkung: Das Kupferblech ist die positive Elektrode, das Zinkblech die negative Elektro-de. Die Drehrichtung des kleinen Motors hängt davon ab, welche Elektrode wo ange-schlossen wird.

untere Tafelhälfte grundlegendes Experiment

Beim Bewegen der am Instrument angeschlossenen Spule, wie links im Bild gezeigt, schlägt der Zeiger des Instrumentes aus: es fliesst ein In-duktionsstrom.

Bewegungsrichtung, Richtung des Magnetfeldes und Stromfliessrichtung hängen eindeutig zusammen: B: Magnetfeld v: Bewegungsrichtung I: Induktionsstrom

einige Drahtschlaufen

Experimente dazu: Transformator (Tafel 9), Generatoren (Tafel 5) und Experiment mit dem Velodynamo:

Der Velodynamo ist ein einfacher Wechselstromgenerator, was bei ganz langsamem Dre-hen und bei Schalterposition „direkt“ am Zeigerausschlag festgestellt werden kann.

Das empfindliche Messinstrument ist vor Überlast geschützt. Leuchtet die Kontrolllampe, so hat die Schutzvorrichtung angesprochen; Durch Drücken der Taste wird das Instrument wieder angeschaltet. In der Schalterposition „über Gleichrichter ...“ zeigt das Instrument die drehzahlabhängige Spannung des Dynamos.

Bitte nach Gebrauch die Wanne ausspülen und die Bleche abwaschen

Die elektromagnetische Induktion

Das magnetische Feld zeigt vom Nordpol (rot) zum Südpol (grün)

populär: Ein Induktionsstrom, eine Induktionsspannung entsteht, wenn ein elektrischer Leiter magnetische Feldlinien schneidet. Tatsache ist: Eine Induktionsspannung entsteht aber auch dann, wenn „die Menge des Magnetfeldes“ duch eine Spule ändert.

Tafel 4 Gleichspannung Wechselstrom Induktion

Die Leuchtdioden zeigen die Bewegung der La-dungsträger im elektrischen Leiter. Die Geschwin-digkeit ist willkürlich gewählt (in Wirklichkeit ist sie viel kleiner): Bei höherer Spannung ist sie aber grösser als bei kleinerer Spannung und die Lampe leuchtet entsprechend heller.

Im Gegensatz zu einer Batterie ändert die Span-nung einer Wechselspannungsquelle dauernd ihre Grösse und auch ihre Polarität:

T: Periodendauer = Kehrwert der Frequenz in Hertz (Hz). Bsp. Netzspannung Frequenz = 50Hz T = 0.02s = 20ms

U0: „Scheitelwert“ der Wechselspannung Bsp. Netzspannung: Der Wert 230V ist ein Durchschnittswert, der „Effektivwert“ Ueff .

Zum Scheitelwert besteht die Beziehung Das unedlere Zink oxidiert, d.h. Zinkionen gehen unter „Zurücklassung“ eines Elektrons in die Lösung. Gleichzeitig muss beim edleren Kupfer ein Elektron an einen Partner in der Lösung abgegeben werden. Partner sind Wassermoleküle: Es entstehen Wasserstoffgas und Hydroxidionen. Damit der Stromkreis auch durch die Flüssigkeit geschlossen wird, muss sie bewegliche Ladungsträger (Ionen) enthalten: Mittels Waschpulver und Salz wird dies erreicht.

Vorbereitung: - Acrylglaswanne aus der Halterung nehmen - je 1... 2 Kaffeelöffel Waschpulver und Kochsalz einfüllen - mit Wasser auffüllen - die Wanne wieder in die Halterung stellen und die Elektrodenbleche ein-

schieben.

Modell eines Gleichstromkreises

S: Schalter zum Unterbrechen des symbolischen Stromkreises

Modell eines Wechselstromkreises

Modell einer Batterie (Gleichspannungsquelle)

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Eine interne Vorrichtung begrenzt die Generatorspannung aus Sicherheitsgründen auf 50V (die Schutzvorrichtung ist unabhängig von einer Fremdspeisung). Während mit dem permanent magnetisierten Rotor der Generator auch ohne Fremd-spannung betrieben werden kann, muss beim gewickelten Rotor ein Erregerstrom einge-stellt werden (ohne Anzeigeinstrument).

Als Last steht ein aufsteckbarer, dreieckförmiger Kasten zur Verfügung, der auf der einen Frontseite drei Lämpchen in „Sternschaltung“ enthält und auf der andern Seite drei Lämpchen in „Dreieckschaltung“ Stern Dreieck Die drei Phasen lassen sich individuell durch Herausziehen von Überführungssteckern unterbrechen. Bei sternförmiger Last kann zu Demonstrationszwecken der Sternpunkt der Last mit dem Sternpunkt des Generators verbunden werden.

Bemerkungen: Aus Sicherheitsgründen wird die Generatorspannung auf 50V begrenzt.

Die Lämpchen sind vor Überlast geschützt (ab einer gewissen Spannung macht sich beim Antreiben des Generators ein Widerstand deutlich bemerkbar).

Betrieb des 3-Phasen Generators

Sternpunkt Überführungsstecker

Bild

Tafel 5 1-Phasen Generator 3-Phasen Generator Ist der gewickelte Rotor eingesetzt, so kann, nach dem Einschalten der Stromversorgung (orange Taste), mit dem Potentiometerknopf der Erregerstrom reguliert werden (0 ... 1,0A). Der Generator besitzt zwei Wicklungen, die parallel oder in Serie geschaltet werden kön-nen. parallel: Serie: Als Verbraucher bzw. Last lassen sich einstecken: eine Glühlampe (12V, 5W oder 21W), ein Widerstand oder ein Kurzschlussbügel. Die Last kann ein- oder ausgeschaltet wer-den.

Bemerkungen: Die Instrumente messen den Effektivwert von Strom bzw. Spannung bis zu einer unteren Grenzfrequenz von etwa 1Hz.

Wird der Rotor mit Permanentmagneten verwendet, so muss zur Aktivierung der Instru-mente (für Generatorstrom und -spannung) die Stromversorgung auch eingeschaltet sein.

Bei beiden Generatoren kann sowohl der Rotor mit Permanentma-gneten oder der gewickelte Rotor (für Fremderregung) verwendet werden. Einsatz eines Rotors: Rotor mit dem Kupplungsteil gegen den Ge-nerator bis zum Anschlag auf die Welle schieben und mit der einen Hand festhalten. Mit der andern Hand an der zugehörigen Kurbel kleine Drehbewegungen ausführen. Wenn die Zähne der beiden Kupplungshälften aufeinanderpassen, rastet die Halterung des Ro-tors deutlich hörbar ein. Bitte kontrollieren, ob der Rotor festhält! Entfernen eines Rotors: Den leicht versenkten, zentralen Ring beim Rotor hineindrücken. Hierauf springt der Rotor ein wenig heraus; den Rotor ganz von der Welle ziehen und in der Halterung deponieren.

Betrieb des 1-Phasen Generators

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Tafel 6 Inselbetrieb Synchronisation Netzverbund Im Inselbetrieb arbeiten die verschiedenen Stromerzeuger autonom, sie versorgen nur ihr eigenes Gebiet. Allfällige Überschüsse können von Verbrauchern ausserhalb des Ver-sorgungsgebietes nicht genutzt werden. Die Kapazität für die Versorgung des eigenen Gebietes ist begrenzt.

Die verschiedenen Stromerzeuger sind untereinander mit Hochspannungsleitungen ver-bunden. Lokale Versorgungsengpässe können so durch andere Elektrizitätswerke über-brückt werden.

Bevor aber ein Generator dem Netz zugeschaltet werden kann, muss er erst mit dem Netz synchron laufen. Das Problem der Synchronisation zeigt sich bei jedem schaltbaren Getriebe, wie z.B. beim Autogetriebe.

Die Drehzahl des unteren Zahnrades ist fest, die des oberen am Drehknopf verstellbar.

Die Blitzlichtlampe leuchtet synchron zur Zahnfolge des unteren Rades, sodass es im Beobachtungsbereich still zu stehen scheint. Bei nicht angepasster Drehzahl des oberen Rades verschieben sich dessen Zähneposi-tionen gegenüber denen des unteren Rades.

Bei richtiger Synchronisation kann ohne „Kratzgeräusch“ eingerastet werden.

Bemerkung: Bei falscher Zähnestellung oder bei verschiedener Drehzahl besteht keine Beschädigungsgefahr.

Inselbetrieb

Netzverbund

Synchronisation

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eigener Generator Netz A: Aufnahmelöcher für B: Verbindungsstelle zum Netz den Hilfsantrieb (Akkuschrauber) Frequenz des künstlichen Netzes: 0,5 .. 5,0Hz in Schritten von 0,5Hz einstellbar. Die rotierende Scheibe symbolisiert den Generator des Netzes.

L1 ist direkt mit dem Modellgenerator verbunden. Mit diesem Generator können wiederum beide Rotoren verwendet werden. Die Stromversorgung für den gewickelten Rotor wird mit dem Drehknopf am linken Kästchen geregelt (ohne Anzeigeinstrument).

Der Antrieb des Generators erfolgt von Hand über die Kurbel (beim Drehen leicht gegen die Kurbel drücken) oder über einen Hilfsantrieb: Im Bereich A kann der bereitliegende Akkuschrauber eingesteckt werden (falls erforderlich, während des Einsteckens den Ak-kuschrauber langsam drehen lassen, so dass er besser einrastet). Die Handkurbel wird dabei ausgekuppelt.

Gegebenenfalls muss beim Akkuschrauber zuerst der im Ladegerät deponierte Akku ein-gesetzt werden.

Beobachtungen

L2 leuchtet regelmässig (mit der doppelten Frequenz des künstlichen Netzes), L1 leuchtet gemäss den Bedingungen des eigenen Generators, L3 verhält sich eher seltsam. Bei ein-gesetztem Überbrückungsstecker im Verbindungsfeld wird L3 von zwei Quellen versorgt:

Die Spannung von L3 ist die Dif-ferenz der Netzspannung und der des eigenen Generators.

Nur bei exakter Übereinstim-mung leuchtet L3 nicht und der Generator kann mit dem Netz verbunden werden.

A

Bitte nach dem Gebrauch den Akku wieder im Ladegerät einstecken

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Tafel 7 Belastung des Generators Wird dem Genrator ein Verbraucher angeschlossen, so fliesst - verursacht durch die Ge-neratorspannung - ein Strom. Generator und Verbraucher bilden einen geschlossenen Stromkreis, also fliesst der Strom auch durch die Spulen im Innern des Generators. Strom und Spannung folgen bei Spulen aber einer andern Gesetzmässigkeit als bei W i-derständen: Bedingt durch die „Selbstinduktion“ erfährt der Strom durch eine Spule eine Verzögerung gegenüber der Spannung.

Beide Zweige (Lämpchen mit Spule L bzw. mit Wi-derstand R in Serie) werden durch S gleichzeitig eingeschaltet. Dennoch brennt das Lämpchen in Serie zu R vorher. Es ist nicht die Drahtlänge der Spule, die diese Verzögerung verursacht, vielmehr hängt die Ver-zögerung mit der Stärke des aufzubauenden Ma-gnetfeldes zusammen. Um diesen Einfluss zu zei-gen, wird das Experiment mit oder ohne Eisenkern durchgeführt: Ohne Eisenkern brennen beide Lämpchen praktisch gleichzeitig, mit Eisenkern ist das Magnetfeld schliesslich bedeutend stärker, dessen Aufbau dauert entsprechend länger.

1) Messung von U und I bei Wechselspannung Gemäss folgendem Schema sind die Verbindungen vorzunehmen

Selbstinduktion

S R

Wechselstromverhalten ...

Messanleitung siehe Rückseite

* Verbindung zu Spule und/oder Kondensator

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Einschalten: S1, S2, S3 ein (der Funktionsgenerator führt einen Selbsttest durch) Einstellungen: V-Meter (Digital-Multimeter): Tasten V, AC gedrückt, Bereichsschalter auf 200

OSZ (Function-Generator): SWEEP off; OFFSET off; durch wiederholtes Drücken der Taste neben “SWEEP ON” den sinusförmigen Kurvenverlauf auswählen; die AMPLITU-DE auf ca. 1V einstellen (Tasten -20dB nicht gedrückt); FREQUENCY z.B. auf 85Hz ein-stellen (mit zugehörigen Tasten den Bereich auswählen)

KO (Kathodenstrahl-Oszilloskop): Alle variablen Einstellknöpfe in Pos. (CAL) drehen; X-MAG: x1 (neben POWER); X-POS: ; HOLD OFF: x1;

TIME/DIV: 2ms; AT/NORM: off; TRIG: AC oder DC; ALT: off; TRIG EXT: off; Kanal YI: GD off; DC gedrückt; INVERT: off; VOLTS/DIV: 50mV; Kanal YII: GD off; DC gedrückt; INVERT: off; VOLTS/DIV: 0,2V; DUAL, ADD gleichzeitig gedrückt = CHOP Strahlhelligkeit und -Schärfe mit INTENS und FOCUS 2) Darstellung der Amplitude in Abhängigkeit der Frequenz bei Parallelschal-

tung von Spule L und Kondensator C, „Resonanzüberhöhung“ * Koaxialkabel Einschalten: S1 ... S4 ein; beim KO Taste XY drücken (Achtung: INTENS nicht zu hoch einstellen!) YII (ist jetzt X): 0,5V; Verstärkung von YI während Betrieb anpassen; KO-Eingänge: DC OSZ: SWEEP ON; AMPLITUDE wie unter 1): ca. 1V Startfrequenz bei gedrückter Taste T1 einstellen (FREQUENCY, Bereich mit den Tasten auswählen); mit X-POS den Strahl bei gedrückter Taste T1 am linken Rand positionieren. Einstellung des rechten Randes beim KO: T2 drücken, mit variabler

Verstärkung von YII (Drehknopf von VOLTS/DIV) den Strahl positionieren

Obere SWEEP-Frequenz mit P2 einstellen (dabei T2 drücken). SWEEP-Wiederholrate mit P1 einstellen. Beachte: Die Geräte sind „gutmütig“; Fehleinstellungen haben i.A. keine Gerätedefek-

te zur Folge, auch Fremdspannungen nicht, sofern sie nicht zu hoch sind.

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Tafel 8

Asynchrongenerator Der Asynchrongenerator ist im Prinzip ein (3-Phasen) Asynchronmotor, der am Netz angeschlossen ist, und etwas antreiben könnte. Statt dessen wird er von einer Turbine zu einer höheren Drehzahl angetrieben. So wie aufgrund des „Schlupfs“ beim Kurz-schlussläufermotor vom Drehfeld ein Drehmoment auf den Rotor übertragbar ist, kann mit dem „voreilenden Schlupf“ beim Generatorbetrieb ein Strom in das angeschlossene Netz induziert werden.

Drehschalter „Motor“ (Drehfeldanzeige) Je nach Stellung des Drehschalters fliessen durch die drei Wicklungen des Motors Ströme in unterschiedlicher Stärke und Richtung. Die drei entstehenden Magnetfelder überlagern sich zu einem Feld mit ausgeprägter Richtung, die mit einer Kompassnadel angezeigt werden kann. (Die Richtung des Summenfeldes wird durch die Stellung des Drehschalters bestimmt). Anstelle der Kompassnadel ist eine Blechdose einsetzbar, die mit dem Drehschalter in eine Rotation versetzt werden kann (im Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn). Dabei ist einzig wichtig, ob das Blech der Dose ein guter elektrischer Leiter ist und nicht, ob es z.B. aus Eisen besteht und damit magnetisierbar ist. Der Antrieb der Dose erfolgt näm-lich über eine Wechselwirkung zwischen Wirbelströmen, die im Blech entstehen und dem rotierenden Magnetfeld.

Asynchronmotor

Bemerkungen:

- Die den Lampen parallelgeschalteten Dioden sorgen für eine eindeutige Abfolge des Leuchtens

- Die drei Spannungen des 3-Phasen-Netzes haben einen sinusförmigen Verlauf. Das Drehfeld rotiert daher gleichmässig und nicht ruckartig wie im vorliegenden Modell

drehbar gelagerter* Stator mit Anzeige der Drehfeldrichtung mit Hilfe von LED Frequenz fest (3Hz)

Kurzschlussanker, über Zahnriementrieb mit der Handkurbel verbunden

Drehmoment- Messung * Drehbereich begrenzt Das Instrument zeigt nur den Anteil des Stromes, der mit der Spannung in Phase ist; den Wirkstromanteil Generator läuft als Motor Generatorbetrieb (Antrieb über Handkurbel)

Asynchrongenerator

Anzeige Anzeige

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Tafel 9 Verbundnetz Transformator Die Karte zeigt wichtige Verbindungsleitungen und Schaltstellen zwischen den Energieerzeugungsanlagen sowie Verbindungen zum ausländischen Netz (zum Verbundnetz siehe auch Tafel 6)

Spulen auswechseln: - gegebenenfalls eingesteckte

Kabel ausziehen und neben der Experimentiertafel aufhän-gen

- Bügel lösen, seitwärts kippen und Joch entfernen

- Spulen auswechseln - Joch wieder befestigen Zur Verfügung stehen beliebig einsetzbare Spulen mit 150, 600 oder 1200 Windungen

An den Buchsen unterhalb des links angeordneten Instruments (V-Meter, Be-reich 6V) steht eine Wechselspannung von ca. 6V, 50Hz zur Verfügung. Damit wird die Primärspule versorgt. Der Eisenkern überträgt das von der Primärspule erzeugte Magnetfeld zur Se-kundärspule, in die eine Spannung induziert wird. Primär- und Sekundärspan-nung sind gemäss dem Spannungübersetzungsverhältnis miteinander ver-knüpft: U1 Primärspannung U2 Sekundärspannung n1 Windungszahl der Primärwicklung n2 Windungszahl der Sekundärwicklung Die Sekundärspannung wird mit dem rechts angeordneten V-Meter gemessen. Dieses Gerät besitzt eine automatische Bereichsumschaltung; der geltende Messbereich wird durch eine Leuchtdiode angezeigt. Je nach Spulenkombination treten Sekundärspannungen von 0,75V bis 48V auf.

Der Transformator

Joch

Primär-spule

Bügel zum Fest-halten des Jochs

Sekundär-spule

a) Überführungsstecker

Der Widerstand der Drähte ist vergleichbar mit dem Widerstand der Lämpchen. Die Lämpchen der beiden rechts angeordneten Gebäude brennen weniger hell als das Lämpchen des näher beim EW liegenden Gebäudes, weil die Leitung einen erheblichen Teil der vom EW zur Verfügug gestellten Spannung für die Energieübertragung verbraucht. Der Spannungsverbrauch der Leitungsdrähte ist um so grösser, je stärker der in ihnen fliessende Strom ist (zu beobachten durch Ein- und Ausschalten des ei-nen Lämpchens (Schalter S)). b) „Hochspannungsleitung“ Die Lämpchen in den beiden entlegenen Gebäuden brennen jetzt praktisch normal. Durch die Transformation auf eine höhere Übertragungsspannung ist der Leiterstrom bei gleicher Leistung bedeutend kleiner und damit sind auch die Übertragungsverluste kleiner. Empfehlung: Auch bei dieser Anordnung die Spannung längs der Über-tragungsleitung und bei den Verbrauchern messen.

Modell einer Übertragungsleitung

Zum sicheren Funktionieren müssen bei allen Steckplätzen entweder nur Plexiglasplättchen mit Drahtbügeln (Überführungsstecker) oder nur Transformatoren – rot ganz links, die andern beiden schwarz – einge-setzt sein. Alle Steckelemente müssen ganz eingesteckt sein! Beim Herausnehmen vorsichtig ziehen, so dass keine Stifte abbrechen!

Das beim Experimentiertrafo rechts angeordnete V-Meter kann für Spannungsmessungen entlang der Übertragungsleitung verwendet werden, dazu muss aber die Stromversorgung des Transformator-Experimentes eingeschaltet sein.

Alle Plexiglasplättchen durch Transformer gemäss obiger Skizze ersetzen

Bild

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Tafel 10 Überstromschutz Fehlerstromschutz

Experiment zur Funktionsweise eines Sicherungautomaten

Schmelzsicherungen können in vielen Anwendungen, insbesondere in Haushalten, durch Sicherungsautomaten ersetzt werden. Sicherungsautomaten müssen also einen Stromkreis bei Überlast auch sicher unterbrechen können. Dazu sind zwei Mechanis-men vorgesehen: eine schnelle Auslösung für den Fall, dass z.B. ein Kurzschluss auf-tritt, und eine „thermische“ Auslösung, die dem Überstrom entsprechend erst nach einiger Zeit anspricht, z.B. nach ca. 20s ... 50s bei doppeltem Nennstrom. Beide Arten können mit dem Experiment in der Mitte der Tafel demonstriert werden: Experiment ein/aus (mit Kontrolllampe) „Lichtschalter“

Sicherungsautomat

Mit S4 kann der Vor-schaltwiderstand R überbrückt werden

(S4 ein: Die Kontroll-lampe leuchtet)

Im kalten Zustand ist der elektrische Widerstand einer Glühlampe viel kleiner als wenn die Lampe leuchtet. Beim Einschalten fliesst daher ein relativ hoher Strom.

Mit dem Vorschaltwiderstand R in Serie wird der Lampenstrom begrenzt, bei den drei Lampen ist die Stromstärke für den eingesetzten Sicherungsautomaten dennoch zu hoch; es dauert etwa 40s bis zum Auslösen.

Bei überbrücktem R (S4 eingeschaltet, angezeigt durch die Kontolllampe) ist der Ein-schaltstrom so gross, dass der Sicherungsautomat sofort auslöst.

Schmelzsicherung, Sicherungsautomat

In einem geschlossenen Stromkreis (Bsp. siehe Tafel 1) müssen die Ströme im Hin- und Rückleiter gleich gross sein. Stellt der Fehlerstromschutzschalter eine Differenz der beiden Ströme fest, so schaltet der FI das elektrische Gerät ab. Das Gerät hat offenbar eine „undichte“ Stelle und stellt somit eine Gefahr dar. Experimente (rechte Tafelseite) a) Brandschutz Ein zu grosser Fehlerstrom kann zu einer Überhitzung bzw. zu einem Brand führen (bei 300mA und 230V wird der Fehlerstromkanal mit ca. 70W geheizt!).

Durchführung des Experimentes - Plexiglashaube abnehmen - zwischen Rohrstück und gegenüberliegendem Kontaktstift ein in Kalisalpeter ge-

tränktes Holzstück einsetzen Bitte auf der Oberseite des Holzes das Kontaktplättchen verwenden! - Haube wieder aufsetzen beachte: Das Experiment ist nur betriebsbereit, wenn beide Kontrolllämpchen

leuchten! - FI einschalten, auch dann, wenn der Betriebswahlschalter auf „ohne FI“ steht - gegebenenfalls mit einem Pinsel das Hölzchen nachtränken

b) Personenschutz Sicherheitshinweise: - der Fehlerstromschutzschalter löst bei weniger als 10mA aus - die maximal mögliche Spannung beträgt höchstens etwa 50V - eine Rückzugsfeder bewirkt, dass die Spannung beim Loslassen des Drehknopfes

sofort auf Null geht Elektrisierversuch, Vorbereitung - FI einschalten - zylindrische Elektrode in die Hand nehmen - Zange ca. 20cm von derselben Hand entfernt um den Unterarm legen, Kontaktstel-

le gut befeuchten - mit der freien Hand am Drehknopf drehen

- das mA-Meter beachten

Fehlerstromschutzschalter (FI)

Bitte am Ende des Experimentes das Hölzchen wieder entfernen und den Kontaktstift grob reinigen

Tafel 1

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Tafel 2


Tafel 3


Tafel 4


Tafel 5


Tafel 6


Tafel 7


Tafel 8


Tafel 9


Tafel 10


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