Grundpraktikum I
Spannungsquellen
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Mittendorfer Stephan Matr. Nr. 9956335
Grundlagen
Ohmsches Gesetz
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
Kirchhofsche Regeln
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
Serien und Parallelschaltung von Widerständen
siehe Protokoll : „Elektrische Messinstrumente“
Trockenelement
Das Trockenelement ist ein spezielles galvanisches Element, bestehend aus zwei verschiedenen Elektroden und einem Elektrolyten (Stoff, der in wässriger Lösung elektrischen Strom leitet).
Galvanisches Element
In galvanischen Elementen wird chemische Energie in elektrische umgewandelt. Im Bleiakkumulator wandern aufgrund der chemischen Reaktionen der Platten mit der Schwefelsäure negative Ionen von der Bleidioxidplatte (PbO2) zur Bleiplatte (Pb).
Die bei der Reaktion freiwerdende Energie ist dabei größer als die Arbeit, die zum Verschieben der Ionen vom positiven zum negativen Pol aufgewendet werden muß. Wird die äußere Stromrichtung umgekehrt, so laufen die Reaktionen an den Bleiplatten entgegengesetzt. Die Batterie wird geladen. Zwischen den Polen unserer Batterie herrschte eine Spannung von 4,5 V.
Elektromotorische Kraft (EMK)
e hat die entgegengesetzte Richtung wie die Quellenspannung, d.h.
sie wirkt gegen das elektrische Feld zwischen den Polen. Der positive und negative Pol eines galvanischen Elements entsprechen den Platten eines Kondensators. Es fließt dauernd ein Strom vom positiven zum negativen Pol, der den Kondensator entlädt. Daher muß im Inneren der Spannungsquelle dauernd positive Ladung vom negativen zum positiven Pol geschafft werden, zu dem eine EMK e notwendig ist. Fließt kein Strom, so lädt sie den aus den Elektroden bestehenden Kondensator auf die Quellenspannung auf, die die entgegengesetzte Richtung wie e hat. Physikalischer Hintergrund dieser Kraft (Spannung) ist beim galvanischen Element die Wärmebewegung atomarer Teilchen.
Spannungsquellen
In Spannungsquellen ist die Energie gespeichert, die zum Verschieben von Elektronen in einem Stromkreis notwendig ist: Während die Elektronen in Spannungsquellen ( unter Arbeitsaufwand ) vom positiven Pol zum negativen Pol verschoben werden, fließen die Elektronen im äußeren Stromkreis ( unter Energieabgabe ) vom negativen zum positiven Pol der Spannungsquelle.
Eine ideale Spannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen ihren Anschlußquellen eine von der Belastungsstromstärke unabhängige Klemmenspannung UK anliegt. Reale zeigen aber demgegenüber ein Absinken der Klemmenspannung mit wachsender Belastungsstromstärke. In einer Schaltung kann man dies berücksichtigen, indem man die reale Spannungsquelle durch eine Serienschaltung einer idealen Spannungsquelle und eines sogenannten inneren Widerstandes RI ersetzt. Dieser Widerstand läßt sich bestimmen, indem man die Klemmenspannung UK1 und UK2 bei zwei verschiedenen Strömen mißt:
RI = (UK1 - UK2) / (I2 – I2) . Die Klemmenspannung kann man durch folgende Formel berechnen, wobei UQ die Quellenspannung ist:
UK = UQ – I .
RI . Daraus kann man die größte Stromstärke IK, der sogenannte Kurzschlußstrom, die man einer Spannungsquelle entnehmen kann, berechnen und zwar ist IK = UQ / RI. Diese Berechnungen sind einfache Folgerungen des zweiten Kirchhoffschen Gesetzes, bei einer Serienschaltung aus einer idealen Spannungsquelle, eines inneren Widerstandes RI und eines Belastungswiderstandes RA (außen), für die gilt: UQ –I.RI – I.RA = 0 und UK – I.RA = 0.
Versuche
Messen der Spannung
Schaltungsaufbau siehe Unterlagen.
Als Voltmeter wird ein Voltmeter (S2, Skala 15V) Normameter S2 verwendet.
Als Spannungsquelle diente ein Netzgerät.
Spannungsanzeige am Netzgerät: 10 V
Spannungsanzeige am S2: 11,0 V
Spannungsteiler, Potentiometer
Spannungsteilerschaltung
Schließt man einen homogenen Leiter der Länge l mit überall gleichem Querschnitt A an eine Spannungsquelle mit der Klemmenspannung U an, so fließt durch ihn ein Strom I. Das Verhältnis zwischen der Teilspannung und der Gesamtspannung ist gleich dem Verhältnis der entsprechenden Längen bzw. auch der Widerstände.
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