PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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WS 02 / 03 PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I Schülerversuche Elektronik (Unterstufe) 1. Versuch: 17.10.2002 2. Versuch: 24.10.2002 Protokoll: 26.10.2002 verbessert am 10. 11. 2002 Adelheid Denk 9955832 412 / 406

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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

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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

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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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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

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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

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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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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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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

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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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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

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

Page 2: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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

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

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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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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

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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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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

Page 3: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406

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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

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

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

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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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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

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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

Page 5: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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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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

Page 6: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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

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Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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

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

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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

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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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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

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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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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

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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

Page 9: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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

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

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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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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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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

Page 10: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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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

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

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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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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

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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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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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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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Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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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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

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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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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

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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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

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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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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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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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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

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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

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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

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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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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

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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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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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NTL-Baukasten (Schuumllerversuche Elektronik) Adelheid Denk 9955832 412 406

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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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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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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

Page 16: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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)

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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

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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

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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

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

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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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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

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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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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

Page 17: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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

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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

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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

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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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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

Page 18: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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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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

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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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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

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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

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

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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

Page 19: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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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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

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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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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

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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

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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

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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

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

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

Page 20: 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

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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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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

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

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

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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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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

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

Page 21: 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

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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

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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

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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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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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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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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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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

Page 22: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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

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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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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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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

Physikalisches Schulversuchspraktikum I

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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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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

Page 23: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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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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

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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

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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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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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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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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

Page 25: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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

Page 26: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

Page 27: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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

Page 28: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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

Page 29: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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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

Page 30: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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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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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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

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

Page 31: PHYSIKALISCHES SCHULVERSUCHSPRAKTIKUM I

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

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