Teil 2 - Didaktik der Physik!

Transcrição

Fachdidaktik E
Experimentieren im Physikunterricht
Sekundarstufe I
Teil 2
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– Version 3.2 –
Dr. S. M. Weber
WiSe 2012/13
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Didaktik
der Physik
ii
Fachdidaktik E – Experimentieren im Physikunterricht SI – Version 3.2
Dr. S.M. Weber – WiSe 2012/13
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Fachdidaktik E – Teil 2
Sekundarstufe I
Inhaltsverzeichnis
15 Die Diode
15.1 Fachliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . .
15.2 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.1 Kennlinie einer Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.2 Diode als Schaltelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.3 Grundeigenschaften der Fotodiode . . . . . . . . . . . . . .
15.2.4 Leuchtdiode im Stromkreis, Sperr- und Durchlassrichtung .
15.2.5 Kennlinie einer Leuchtdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2.6 Einfacher Durchgangsprüfer mit Leuchtdioden . . . . . . .
15.2.7 Polaritäts- und Spannungsartanzeige mit LED . . . . . . .
15.2.8 Kostengünstiger Schaltungsaufbau für einen Schülerversuch
15.2.9 Dioden- und Transistortester mit Leuchtdioden . . . . . . .
15.2.10 Leuchtdiode zur Anzeige von Induktionsspannungen . . . .
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16 Der Transistor
16.1 Fachliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . . .
16.2 Versuche Teil I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.1 Steuerkennlinie des Transistors (IC -IB Kennlinie)
16.2.2 Die UCE -IC Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.3 Spannungsverstärkung beim Transistor . . . . . .
16.2.4 Sensortaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.2.5 NF-Verstärkung in einer Wechselsprechanlage . .
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Inhaltsverzeichnis
iv
16.2.6 Lichtgesteuerter Transistorschalter mit Fotowiderstand . . . . . . . . . . .
16.3 Versuche Teil II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.1 Fotoelektrischer Umschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.2 Blinkanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.3 Durchgangsprüfung mit Leuchtdioden und Transistoren . . . . . . . . . .
16.3.4 Einfache optische Näherungsanzeige mit Leuchtdiode und Feldeffekttransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.5 Spannungswächter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16.3.6 Multivibrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17 Der Operationsverstärker
17.1 Fachliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . .
17.2 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.2.1 Abschätzung der offenen Verstärkung des OPV
17.2.2 Demonstration der offenen Verstärkung . . . .
17.2.3 Verstärkung des gegengekoppelten OPV . . . .
17.2.4 Beispiel einer Spannungsverstärkung . . . . . .
17.2.5 Spannungsfolger . . . . . . . . . . . . . . . . .
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18 Steuern und Regeln
18.1 Fachliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . .
18.2 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2.1 Temperaturregelung mit einem Bimetallstreifen . . . . . .
18.2.2 Der Regenmelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2.3 Der Blumenwächter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18.2.4 Licht- und Dämmerungsschalter . . . . . . . . . . . . . .
18.2.5 Lichtschranke mit Fotowiderstand und Transistor . . . . .
18.2.6 Parklichtschalter mit Schmitt-Trigger und Fotowiderstand
18.2.7 Steuern und Regeln mit dem OPV . . . . . . . . . . . . .
18.2.8 UND - Schaltung mit Fotowiderständen . . . . . . . . . .
18.2.9 ODER - Schaltung mit Fotowiderständen . . . . . . . . .
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19 Elektromagnetischer Schwingkreis
19.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . .
19.2 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19.2.1 Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen . . . . . . .
19.2.2 Kurzwellenschwingkreis, KW-Sender und KW-Empfänger
19.2.3 Rundfunk-Detektorempfänger für Mittelwelle . . . . . . .
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20 Informationsübertragung durch moduliertes Licht
20.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.2.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . .
20.2.2 Methodische und technische Grundlagen .
20.3 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.1 Senden und Empfangen von Lichtsignalen
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Inhaltsverzeichnis
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20.3.2 Lichtempfänger mit Fotowiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20.3.3 Lichtempfänger mit Fotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21 Fraktale (Nichtlineare Wachstumsprozesse)
21.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . .
21.2.2 Methodische und technische Grundlagen . . . . . . . . . . . .
21.3 Plemumsversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4.1 Vorversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.4.2 Bestimmung der Leitfähigkeit einer flachen Elektrolytschicht
21.4.3 Bestimmung des Saugvermögens von Filterpapier . . . . . . .
21.4.4 Elektrodeposition auf Filterpapier ohne Deckschicht . . . . .
21.4.5 Elektrodeposition auf Filterpapier mit Deckschicht . . . . . .
21.4.6 Elektrodeposition zwischen Objekträgern mit Filterpapier . .
21.4.7 Elektrodeposition zwischen Objekträgern (pur) . . . . . . . .
22 Granulare Medien
22.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen . . . . . . . . .
22.1.2 Methodische und technische Grundlagen . . . . . .
22.2 Versuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22.2.1 Schüttungen in einem quasi-zweidmensionalen Silo
22.2.2 Granulatbewegung in rotierenden Mischtrommeln .
22.3 Weitere Aufgaben zur Auswertung . . . . . . . . . . . . .
Literaturverzeichnis
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Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
15
Die Diode
Thema 15
1
Thema 15: Fachliche Grundlagen
2
15.1 Grundlagen (Grundwissen für den Lehrer mit Fach Physik nicht
vertieft)
Grundwissen
15.1.1 Fachwissenschaftliche Grundlagen
Vorbereitung
Aufgaben zur Vorbereitung:
i. Studieren Sie das Kapitel Diode in Beuth, Klaus, Bauelemente (Elektronik 2), Vogel Verlag
(im Semesterapparat vorhanden!) [19]. Machen Sie den Lernzieltest in Abschnitt 5.15 von
[19]! Achten Sie insbesondere auf folgende Punkte:
a) Begriff und Definition von Halbleiter, Eigenleitfähigkeit, Modellvorstellungen auf Niveau der Sekundarstufe 1
b) Begriff und Definition von Dotierung, Arten, n-Leitung, p-Leitung, Modellvorstellungen auf Niveau der Sekundarstufe 1,
c) Begriff und Definition von Gleichrichter, Halbleiterdiode, pn-Übergang, Raumladungszone, Diffusionsspannung, pn-Übergang mit äußerer Spannung
d) Kennlinien von Germanium- und Siliziumdioden, Widerstandsverhalten von Halbleiterdioden
ii. Besorgen Sie sich elektronische Versionen von Datenblättern (auf Englisch datasheet(s)) zu
den verwendeten Bauteilen: Ge-Diode (AA 118), rote, gelbe, grüne Leuchtdiode LED (Maximalstrom 30mA, d.h. keine Niedrigstromvariante (sogenannter low current Typ), Fotodiode
BPW 34! Wie unterscheiden sich die unterschiedlich farbigen LEDs in ihren physikalischen
Eigenschaften?
15.2 Versuche:
Versuche
15.2.1 Kennlinie einer Diode
Versuchsaufbau /-durchführung:
Abbildung 15.1 zeigt den verzweifelten Versuch eines Studenten im Schulpraktikum bei einem
Schülerversuch das Zerstören von Bauteilen zu verhinden. Was hat er sich gedacht? Ändern Sie
den Schaltplan so ab, dass er für ein Labornetzgerät sinnvoll ist, dessen Strombegrenzung auf
einen Minimalwert von 10mA eingestellt werde kann!
Machen Sie sich als erstes mit der Strombegrenzungsregelung des Netzgerätes vertraut. Stellen
Sie diese dann so ein, dass der maximale Durchlassstrom der jeweils verwendeten Diode nicht
überschritten wird.
Durch Variation der Spannung des Netzgerätes und eines Spannungsteilers wird die Diodenspannung von 0 V ausgehend bis zum maximalen Diodenstrom von 30 mA erhöht. Anschließend wird
die Diode in Sperrichtung betrieben und die an der Diode abfallende Spannung bis maximal 30
V erhöht. Der erste Teil des Versuches wird mit einer Leuchtdiode wiederholt.
Durchführung
Thema 15: Versuche
3
100 Ω
10 K
100 Ω
5V
100 Ω
U
D
ID
Abbildung 15.1: Schaltplan zur Aufnahme der Kennlinie einer Diode
Bauteile
Bauteile:
1 DC Netzgerät 0 - 30 V, 0 - 2,5 A, geregelt (minimale Strombegrenzung 10mA)
3 Widerstände 100 Ω
1 Potentiometer 10KΩ
1 Ge-Diode (AA 118)
1 LED
Auswertung
Aufgaben zur Auswertung:
• Die Messwerte werden in ein UD -ID -Diagramm eingetragen.
• In einem Punkt der Kurve ist der Diodenwiderstand zu berechnen.
15.2.2 Diode als Schaltelement
Eine einfache Anwendung für die Diode als Schaltelement zeigt folgender Versuchsaufbau:
Bauteile
Bauteile:
2 Glühlampen E10 7V / 30 mA
4 Ge-Dioden (AA118)
2 Schalter
1 AC Netzgerät 0-9 V
Thema 15: Versuche
4
~
U~
I max ca. 30 mA
Abbildung 15.2: Schaltplan einer Diode als Schaltelement
Stellen Sie zunächst die Wechselspannung auf ca. 8 V ein. Der Strom sollte, solange nur ein
einzelner Schalter geschlossen ist, 15 mA nicht überschreiten! Beim Schließen beider Schalter
steigt der Strom nämlich stark an! (Erklärung?)
Erklären Sie die Wirkungsweise dieser Schaltung und geben Sie ein Anwendungsbeispiel an!
Durchführung
Auswertung
15.2.3 Grundeigenschaften der Fotodiode
~
max 6 V ~
Abbildung 15.3: Fotodiode als aktives Element (Spannungserzeuger)
Bauteile
Bauteile:
1 Fotodiode BPW 34
1 Experimentierleuchte an variabler Spannungsquelle
1 Linse
1 Netzgerät (0 - 6 V)
Thema 15: Versuche
5
1 Netzgerät (9V Gleichspannung) im Teil b)
Stativmaterial
In der in Abb. 15.3 dargestellten Schaltung wird die Fotodiode als aktives Schaltelement betrieben. Die Glühwendel einer Experimentierlampe wird mit einer Linse scharf auf die Fotodiode
abgebildet. Der Abstand Lampe/Fotodiode sollte etwa 5-10 cm betragen. Es wird der Fotostrom
in Abhängigkeit von der Betriebsspannung der Lampe (maximal 6 V !!) festgestellt.
(Wertetabelle: ULampe in V; IF oto in μA)
Durchführung
9V
~
max 6 V ~
Abbildung 15.4: Fotodiode als passives Element (Spannungsabfall)
In der in Abb. 15.4 gezeigten Schaltung wird die Fotodiode als sogenanntes passives Element
(lichtabhängiger Widerstand) betrieben. Wie hängt der Fotostrom von der Intensität der Experimentierleuchte ab? Variieren Sie dazu die Betriebsspannung!
15.2.4 Leuchtdiode im Stromkreis, Sperr- und Durchlassrichtung
100 W
50 mA
4.5 V
Abbildung 15.5: Leuchtdiode im Stromkreis, Sperr- und Durchlassrichtung
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 330 Ω
Thema 15: Versuche
6
1 Widerstand 1 kΩ
1 Widerstand 4.7 kΩ
1 Widerstand 10 kΩ
3 Leuchtdioden (rot, gelb, grün)
1 DC Netzgerät 0 - 9 V
Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß Schaltbild. Auf die richtige Polung der Dioden ist zu achten!
Zur Erleichterung der Beobachtung ist eine Abdunkelung des Raums empfehlenswert.
Durchführung
i. Man legt über einen Vorwiderstand von 100 Ω eine Gleichspannung von 4.5 V an und misst
den Durchflussstrom IF .
ii. Die Leuchtdiode wird umgepolt in den Stromkreis geschaltet und die Beobachtung notiert.
iii. Der Versuch wird mit anderen Leuchtdiodentypen wiederholt.
iv. Der Versuch i wird wiederholt, aber der Vorwiderstand von 100 Ω wird schrittweise bis auf
10 kΩ erhöht. Die Helligkeit der Leuchtdiode wird beobachtet.
15.2.5 Kennlinie einer Leuchtdiode
50 mA
47 W
4,5 V
220 W
Abbildung 15.6: Schaltplan zur Untersuchung der Kennlinie einer Leuchtdiode
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 47 Ω
1 Potentiometer 220 Ω
2 Leuchtdioden (gelb und grün)
Thema 15: Versuche
7
Der Aufbau erfolgt laut Abb. 15.6. Zu Beginn ist das Potentiometer in Nullstellung (vorher
nachmessen!) zu bringen. Man beachte, dass die Leuchtdioden nie ohne Vorwiderstand betrieben
werden dürfen! Maximale Stromstärke 60 mA!!
Durchführung
1. Nach Einschalten der Spannungsquelle wird die Durchlassspannung UF für die betreffende
Leuchtdiode in Schritten von 0.1 V bis auf 2.5 V erhöht. Zu jedem Spannungswert wird der
entsprechende Durchlassstrom IF ermittelt und in eine Messwerttabelle eingetragen.
2. Es wird untersucht bei welcher Stromstärke die betreffende Leuchtdiode deutlich zu leuchten
beginnt.
3. Eine grafische Darstellung der Durchlasskennlinie wird erstellt und mit der einer anderen
Leuchtdiode verglichen.
4. Die gemessenen Kennlinien der gelben und der grünen Leuchtdiode werden mit der der
Ge-Diode aus Versuch 15.2.1 verglichen.
15.2.6 Einfacher Durchgangsprüfer mit Leuchtdioden
100 W
4,5 V
Abbildung 15.7: Durchgangsprüfer mit Leuchtdioden
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
1 Leuchtdiode
2 Elektroden, diverses Testmaterial (Blumenschale, Becherglas mit Leitungswasser,...)
Der Versuchsaufbau erfolgt gemäß Abb. 15.7. Zur Steigerung der Empfindlichkeit kann die Spannung bis auf 9 V erhöht werden. Höchste Empfindlichkeit kann ohne den Vorwiderstand erreicht
werden, dann muss aber unbedingt eine DIREKTE Berührung der Elektroden vermieden werden, da andernfalls die Leuchtdiode zerstört wird!!!
Durchführung
Thema 15: Versuche
8
i. Eine Leuchtdiode wird zur Prüfung der Leitfähigkeit verschiedener Stoffe (Blumenschale,
Flüssigkeiten wie Wasser, Cola, Bier, . . . ) verwendet.
ii. Man verändert den Abstand der Elektroden und beobachtet die Helligkeit der LED.
15.2.7 Polaritäts- und Spannungsartanzeige mit LED
100 W
rot
..
grun
U
Abbildung 15.8: Schaltplan zur Polaritäts- und Spannungsartanzeige mit LED
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
2 Leuchtdioden (rot und grün)
1 Gleichspannungsquelle 4.5 V
1 Wechselspannungsquelle ca. 4–6 V
Der Aufbau erfolgt gemäß Schaltbild. Die Spannung sollte erst nach der Fertigstellung des Aufbaus eingeschaltet werden. Die Wechselspannung kann 4–6 V betragen.
i. Über den Schutzwiderstand wird zunächst eine Gleichspannung von 4–6 V an die beiden
antiparallel geschalteten Leuchtdioden gelegt. Die Leuchtdioden werden beobachtet.
ii. Die Spannungsquelle wird umgepolt, die Leuchtdioden werden beobachtet.
iii. Es wird eine Wechselspannung von 4–6 V angelegt, die Reaktion der Leuchtdioden wird
festgestellt. Dann werden die Pole vertauscht und die Beobachtung notiert.
Durchführung
Thema 15: Versuche
9
15.2.8 Beispiel eines kostengünstigen Schaltungsaufbaus ohne Löten für einen
Schülerversuch (freiwilliger Zusatzversuch)
W
1 kW
grün
rot
Abbildung 15.9: Bestückungsplan
Erstellen Sie die Schaltung als Nachbereitung von Versuch 15.2.7 zu Hause oder in einer Bastelstunde in Räumen der Physikdidaktik!
Bauteile
Bauteile:
1 Sperrholzbrett (8 cm x 8 cm) mit aufgeklebtem Bestückungsplan
14 Lötstifte (1,3 mm)
1m Silberdraht
1 Widerstand 1 kΩ mit angelöteten Steckschuhen
2 Leuchtdioden (rot und grün) mit angelöteten Steckschuhen
1 Netzwürfel (Gleich- und Wechselspannung)
2 Krokoklemmen
1 Hammer
1 Flachzange oder Rundzange
1 Seitenschneider oder Kneifzange
1 Schraubendreher oder Pinzette
Schlagen Sie die Lötstifte an den gekennzeichneten Punkten vorsichtig in die Sperrholzplatte.
Der Schaltplan wird dabei durchlöchert. Anschließend winden Sie den Silberdraht von Lötstift
zu Lötstift, um die leitenden Verbindungen (Verdrahtung) herzustellen.
Hinweis:
Eine Kopiervorlage zur Erstellung eines Klassensatzes findet sich im Anhang.
Durchführung
Thema 15: Versuche
10
15.2.9 Dioden- und Transistortester mit Leuchtdioden
Prüfling
rot
grün
U
100 Ω
Abbildung 15.10: Schaltplan eines Dioden- und Transistortesters mit Leuchtdioden
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
1 Wechselspannungsquelle ca.3–6 V
2 Krokoklemmen
diverse Prüflinge (Dioden, Widerstände, Transistoren, ...)
Der Aufbau erfolgt gemäß Schaltbild. Die Wechselspannung kann 3-6 V betragen. Sollen handelsübliche Bauteile geprüft werden, so spannt man diese mittels Krokodilklemmen in die Anschlussdrähte.
Man schaltet zwei Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe antiparallel und legt über einen Schutzwiderstand eine Wechselspannung von 3-6 V an. Das fertig aufgebaute Testgerät überprüft man
durch Überbrücken der gestrichelt gezeichnetenTeststrecke: Beide LEDs müssen leuchten.
1. Verschiedene Dioden (möglichst auch defekte) werden zwischen die Prüfstrecke geschaltet.
Die Leuchtdioden werden beobachtet.
2. Man prüft Transistoren auf die gleiche Art, wobei aber immer nur jeweils zwei Anschlüsse
angeklemmt werden.
Durchführung
Thema 15: Versuche
11
15.2.10 Leuchtdiode zur Anzeige von Induktionsspannungen
Spule
12 000 Wdgn.
rot
grün
Stabmagnet
Abbildung 15.11: Leuchtdiode zur Anzeige von Induktionsspannungen
Bauteile
Bauteile:
1 Spule 12 000 Windungen
1 Eisenkern
1 Stabmagnet (drehbar gelagert – Erfindungsgeist!!)
1 Bolzen mit Stift
Der Aufbau erfolgt gemäß Schaltbild. Es wird zunächst nur die rote Leuchtdiode angeschlossen.
i. Die Spule (12 000 Wdg.; ohne Eisenkern) wird mit der roten Leuchtdiode verbunden. Ein
Stabmagnet wird mit dem Südpol voran in das Innere der Spule geschoben, ruckartig herausgezogen und anschließend ruckartig hineingestoßen. Die Leuchtdiode wird beobachtet.
ii. Der Versuch wird mit dem Nordpol voran wiederholt.
Durchführung
Thema 15: Versuche
12
iii. Die grüne Leuchtdiode wird antiparallel zur roten geschaltet. Die Teilversuche i und ii
werden nochmals durchgeführt.
iv. Der Stabmagnet wird nun drehbar vor der Spule mit Eisenkern gelagert. Beim Drehen des
Magneten sind die LEDs zu beobachten.
Nicht vergessen!
Bei allen Versuchen sind die
Beobachtungen nachvollziehbar zu protokollieren!
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
16
Der Transistor
Thema 16
13
14
vertieft)
Grundwissen
Vorbereitung
i. Studieren Sie aus den Kapiteln zum Transistor in Beuth, Klaus, Bauelemente (Elektronik
2), Vogel Verlag [19] die Grundlagen zu den Versuchen in dieser Anleitung! Achten Sie
insbesondere auf folgende Punkte:
a) Begriff und Definition von pnp–Transistor sowie npn–Transistor (bipolare Transistoren), Modellvorstellungen auf Niveau der Sekundarstufe 1
b) Transistorgrundschaltungen: Begriff und Definition von Basis-, Emitter- und Kollektorschaltung, Modellvorstellungen auf Niveau der Sekundarstufe 1
c) Kennlinien des Transistors in Emitterschaltung
d) Begriff und Definition des Arbeitspunkts
e) Begriff, Definition und Eigenschaften des Feldeffekttransistors (Unipolarer Transistor)
ii. Informieren Sie sich über wichtige Bauformen (Gehäusetypen) von Transistoren!
iii. Informieren Sie sich über die Funktionsweise eines (diskreten) Multivibrators (astabile Kippstufe) wie er in Versuch 16.3.6 aufgebaut wird!! Informationen dazu finden Sie zum Beispiel
im Kapitel Kippschaltungen in [20], Genaueres in [21]. Wie hängen die Frequenzen des
Multivibrators von den verwendeten Bauteilen, vor allem den Kapazitäten ab?
iv. Begriff, Definition und Eigenschaften einer Zenerdiode (Informationen dazu zum Beispiel
im Kapitel Schaltungen zur Stabilisierung von Spannungen und Strömen in [20])
v. Besorgen Sie sich aus dem WWW Datenblätter (datasheet(s)) zu den verwendeten Bauteilen: Fotowiderstand Typen LDR 05 oder LDR TO 18 oder ähnlicher Typ, Transistor
des Typs BC 546, Feldeffekttransistor 2N 3819 oder aḧnlicher Typ, Fotodiode BPW 34,
Zenerdiode typisch! Sie können die Datenblätter alternativ aus den Unterlagen zu dieser
Veranstaltung kopieren.
Thema 16: Versuche Teil I
15
16.2 Versuche Teil I:
Versuche
16.2.1 Steuerkennlinie des Transistors(IC -IB -Kennlinie)
mA
47 K
μA
C
BC
546
B
E
9V
10 K
10 nF
Abbildung 16.1: Schaltbild zur Ermittlung der Steuerkennlinie
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 47 kΩ
1 Potentiometer 10 kΩ
1 Kondensator 10 nF
1 Transistor BC 546
Stellen Sie zu Beginn die Strombegrenzung auf 80 mA und die Spannung des Netzgerätes auf
9 V. Anschließend wird die Emitterschaltung von Abb. 16.1 aufgebaut. Die Basisspannung soll
mittels einer geeigneten Spannungsteilerschaltung variiert werden: IB kann durch Regelung am
10 kΩ-Potentiometer langsam erhöht und gleichzeitig mit IC gemessen werden. (Beim Betrieb
erwärmt sich der Transistor, eine Überlastung ist zu vermeiden.)
Auswertung
• Die Messwerte sind in einem IB -IC -Diagramm darzustellen!
• Berechnen Sie den Gleichstromverstärkungsfaktor im linearen Teil der IC -IB -Kennlinie!
• Wie kann der Verlauf der Kennlinie mit Hilfe des Wassermodells erklärt werden?
Durchführung
16
16.2.2 Die UCE -IC -Kennlinie
mA
47 K
IC
μA
C
BC
546
B
IB
E
9V
10 K
-
U CE
+
Abbildung 16.2: Schaltbild zur Emittlung der UCE -IC -Kennlinie
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 47 kΩ
1 Transistor BC 546
1 Netzgerät 9 V Gleichspannung
1 Netzgerät (0-9 V Gleichspannung)
Mit dem 10 kΩ Potentiometer wird der Basisstrom IB als Parameter fest eingestellt (Geeignete
Stomstärke? Eventuell nachregeln!). Beachten Sie die Grenzwerte des verwendeten Transistors
IB max. 150 μA, IC max. 30 mA! Vorsicht bereits IB =100 μA ist für die Aufnahme der
Kennlinie zu hoch! Zur Bestimmung der Kennlinie wird der Kollektorstrom in Abhängigkeit von
der Kollektor-Emitter-Spannung UCE gemessen. Halten Sie die Zeitdauer minimal, während der
Transistor in Betrieb ist!
Auswertung
Erstellen Sie ein UCE -IC -Diagramm Ihrer Messwerte!
Durchführung
17
16.2.3 Spannungsverstärkung beim Transistor
1K
10 K
C
1K
9V
B
BC
546
10 K
E
UCE
UBE
Abbildung 16.3: Schaltplan zur Spannungsverstärkung in Emitterschaltung
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 10 kΩ
2 Widerstände 1 kΩ
1 Transistor BC 546
Wie im Grundlagenteil dargestellt ist, lassen sich in Basis- und in Emitterschaltung Spannungen
verstärken. Bauen sie die Emitterschaltung von Abb. 16.3 auf! In die Kollektorleitung ist zusätzlich der Widerstand R(=1 kΩ) eingefügt (Warum?). Wird die Basisspannung UBE langsam
erhöht, so wächst der Basisstrom linear. Bis zum Erreichen eines Wertes von UBE , der der Antidiffusionsspannung entspricht, bleibt die Kollektorspannung UCE konstant. Wird der Transistor
mit wachsender Basisspannung zunehmend leitend, sinkt die am Innenwiderstand des Transistors
abfallende Spannung UCE bis auf den Wert 0 V ab. Im linearen Teil der abfallenden Kennlinie
gilt:
ΔUBE ≈ ΔUCE
Die Spannungsverstärkung ist definiert als:
v=−
ΔUCE
ΔUBE
Mit Hilfe des Potentiometers wird die Basisspannung UBE eingestellt und die sichergebende
Kollektorspannung gemessen.
Durchführung
18
Auswertung
• Die Messpunkte werden in ein UBE -UCE -Diagramm eingetragen und die Spannungsverstärkung für mindestens einen Messpunkt berechnet!
• Der Verlauf der Kennlinie ist mit Hilfe der in Versuch 16.2.1 und 16.2.2 bestimmten Kennlinien qualitativ zu erklären! Beachten Sie dabei, dass der Transistor und R in der Kollektorleitung zwei in Serie geschaltete Widerstände darstellen. Für die Spannungsänderungen
gilt: ΔUR =ΔUCE und für den absoluten Wert der Spannung an R gilt: UR =IC · R.
• Wie legt man den Arbeitspunkt bei dieser Schaltung, um eine möglichst optimale Signalverstärkung zu erhalten?
16.2.4 Sensortaste
30
mA
A
μA
+
100 W
B
-
220 K
220 K
C
B
BC 546
E
Abbildung 16.4: Schaltplan für die Sensortaste
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
1 Transistor BC 546
1 Leuchtdiode
19
Stellen Sie zu Beginn die Strombegrenzung des Netzgerätes auf 30 mA (0,03 A) ein! Bauen
Sie dann Schaltung 16.4 auf! Stellen Sie einen Wert von 220 kΩ bei beiden Potentiometern ein
(Nachmessen!)! Anschließend wird die Spannung von 0 V ausgehend bis auf maximal 9 V erhöht.
Auf den maximal zulässigen Kollektorstrom von 30 mA ist zu achten (Drohung: zusätzlicher Lötnachmittag!)! Die beiden Potentiometer werden nun so geregelt, dass der Kollektorstrom IC in
Abhängigkeit von der Basisstromstärke IB zunimmt, die Messwerte werden notiert.
Man kann nun die Zuleitungsdrähte bei A und B in die Hand nehmen und IC durch unterschiedlichen Andruck (Variation des Übergangswiderstands!) steuern. Durch Variation der Potentiometer lässt sich ein Kollektorstrom von 15-20 mA bei starkem Andruck einstellen.
Durchführung
16.2.5 NF-Verstärkung in einer Wechselsprechanlage
Ohrh.
470 K
+ 9V
μA
10μF
+
-
C
B
220 K
E
Mikro
3V
Abbildung 16.5: Niederfrequenzverstärker
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 470 kΩ
1 Kondensator 10 μF
1 Transistor BC 546
1 Mikrofon
1 Ohrhörer
20
Der Transistorarbeitspunkt wird mit dem Potentiometer so eingestellt, dass die Verstärkung
optimal ist. Es wird hier eine Basisspannung von 0.6 - 0.7 V eingestellt, um einen Basisstrom
zu ermöglichen. Mit Hilfe des Mikrofons (Schallquelle: Schlüsselklappern oder dgl.) und des 10
μF-Kondensators werden dem Basisstrom kleine NF-Schwankungen aufgeprägt, die dann im
Kollektorkreis verstärkt durch den Ohrhörer wiedergegeben werden.
Die Messwerte werden zusammen mit den festgestellten Beobachtungen notiert.
Durchführung
Auswertung
16.2.6 Lichtgesteuerter Transistorschalter mit Fotowiderstand
220 K
+
-
100 W
0.3 mA
9V
C
B
LDR 05
E
Abbildung 16.6: Lichtgesteuerter Transistorschalter mit Fotowiderstand
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
1 Fotowiderstand LDR 05 oder LDR TO 18
1 Transistor BC 546
1 Glühlampe 7V/30mA oder 4V/40mA
1 DC Netzgerät 9 V
21
Die Schaltung wird bei völlig abgedunkeltem Fotowiderstand aufgebaut. Das Potentiometer wird,
mit hohem Widerstandswert beginnend, so eingestellt, dass der Kollektorstrom IC = 25 mA beträgt. Bei zunehmender Beleuchtung des Fotowiderstandes nimmt der Kollektorstrom ab. Das
wird dadurch erreicht, dass in der Spannungsteilerschaltung (220 kΩ-Poti und Fotowiderstand)
sich die abfallenden Teilspannungen wie die Widerstände verhalten. Der Widerstandswert des
Fotowiderstandes sinkt bei Beleuchtung auf bis zu 100 Ω ab, deshalb wird die „Schwellenspannung“ UBE von 0.7 V unterschritten und der Transistor „sperrt“, d.h. IC = 0.
Durchführung
Anwendung
Anwendung: Dämmerungsschalter
LDR 05
+
-
100 W
9V
10 K
C
10 K
B
E
Abbildung 16.7: Dämmerschalter
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100 Ω
1 Widerstand 10 kΩ
1 Fotowiderstand LDR 05
1 Transistor BC 546
1 Glühlampe 7V/30mA
Einen lichtempfindlichen Schalter erhält man, wenn ein Schaltung gemäß Abb. 16.7 aufgebaut
wird. Bei abnehmender Beleuchtung des Fotowiderstandes nimmt die Basisspannung ab, also
auch der Kollektorstrom. Beginnen Sie mit kleinen Widerstandswerten des Potentiometers und
regeln Sie dann etwa bis IC = 25 mA!
Durchführung
Thema 16: Versuche Teil II
22
Die gemessenen Stromwerte werden zusammen mit den Beobachtungen notiert.
Die Versuche aus Teil II (Transistor – Anwendungen) sind am folgenden Versuchstag durchzuführen!
16.3 Versuche Teil II:
Auswertung
Thema 16
Versuche
16.3.1 Fotoelektrischer Umschalter
L1
L
10 K
+
2
6V
4.7 K
C
47 K
B
T
C
B
E
2
T1
E
220 K
Abbildung 16.8: Schaltplan zum Fotoelektrischen Umschalter
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 10 kΩ
1 Widerstand 4.7 kΩ bei Glühlampen 7V/30mA alternativ
Widerstand 1 kΩ bei Glühlampen 4V/40mA
1 Widerstand 47 kΩ bei Glühlampen 7V/30mA alternativ
Widerstand 660 Ω bei Glühlampen 4V/40mA
2 Transistoren BC 546
2 Glühlampen 7V/30mA oder alternativ 4V/40mA
1 Fotodiode BPW 34
23
1 DC Netzgerät 6 V
1 Experimentierleuchte an variabler Spannungsquelle
1 Stelltrafo
Bauen Sie die Schaltung nach Schaltskizze auf! Als Lichtquelle dient eine Experimentierleuchte,
deren Glühwendel auf die Fotodiode abgebildet wird. (Hinweis: maximal 6 V am Netzgerät
einstellen, die Birnchen sind nicht billig!). Der Widerstand des Potentiometers ist so zu regeln,
dass Lämpchen L1 leuchtet und die Variation der Helligkeit der Experimentierleuchte ein deutlich
sichtbares Aus- und Einschalten von L1 und L2 ergibt. Bei Beleuchtung und bei geeigneter
Einstellung des Potentiometers wird die Schwellenspannung bei UBE1 von 0.7 V überschritten.
Es fließt dann ein Basisstrom durch T1 , der einen Kollektorstrom bei L1 zur Folge hat. T1 stellt
zusammen mit L1 eine Spannungsteilerschaltung dar, wobei T1 einen sehr geringen Widerstand
darstellt (da er durchgeschaltet ist), an dem nur ein geringer Bruchteil (weniger als 0.7 V) der
Gesamtspannung 9 V abfällt. Bei Transistor T2 bleibt also der Basisstrom IB2 = 0, also ist
auch IC2 = 0. Wird die Diode nicht mehr beleuchtet, sinkt die Basisspannung UBE1 unter den
Schwellenwert von 0.7 V und T1 „schaltet“: der Kollektorstrom IC1 wird 0, L1 erlischt. Dies
hat zur Folge, dass bei der Serienschaltung von L1 und T1 die an T1 abfallende Basisspannung
UBE2 größer als der Schwellenwert 0.7 V anwächst, und somit der Basisstrom einen ausreichend
großen Strom IC2 zur Folge hat. (L2 leuchtet.)
Auswertung
• Der Umschaltvorgang kann durch Regeln der Helligkeit der Experimentierleuchte gesteuert
werden. Die sich ergebenden Werte für IB1 , IC1 und IB2 , IC2 werden festgehalten.
• Wie ist die Schaltung abzuändern, wenn statt der Birnchen L1 und L2 Leuchtdioden verwendet werden? Bitte Skizze mit Dimensionierung der Bauteile!
Durchführung
24
16.3.2 Blinkanlage
47 K
+
+
9V
47 K
47 μF
C
C
B
E
T2
B
220 K
T
1
E
Abbildung 16.9: Schaltplan zur Blinkanlage
Bauteile
Bauteile:
2 Glühlampen 7V/30mA
1 DC Netzgerät 9 V
Durchführung
(i) Schaltung in Abb. 16.9 ist zunächst ohne den Kondensator aufzubauen! Erhöhen Sie den
Wert der Betriebsspannung langsam bis IC2 den erlaubten Maximalwert erreicht! Beobachten Sie die Schaltzustände der Transistoren. Passen Sie bei anderen Typen von Birnchen
gegebenenfalls die Widerstände an. Protokoll!
(ii) Anschließend wird der Kondensator mit 47 μF unter Beachtung der Polarität in die Schaltung eingesetzt. Durch Variation des Potentiometerwerts wird eine gleichmäßige Blinkfrequenz eingestellt. Notieren Sie Ihre Beobachtungen!
(iii) Tauschen Sie den 47 μF Kondensator durch einen 10 μF Kondensator aus! Welche Änderungen sind festzustellen? Protokoll!
25
16.3.3 Durchgangsprüfung mit Leuchtdioden und Transistoren
100 W
Elektroden
+
C
W
1 MW
4.5 V
B
E
C
B
E
Abbildung 16.10: Schaltplan eines Durchgangsprüfers
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 1 M Ω
1 Widerstand 100 Ω
1 Leuchtdiode
1 Netzgerät 4.5 V Gleichspannung
2 Elektroden an 4mm-Büschelsteckern
diverses Testmaterial (Blumenschale, Becherglas mit Leitungswasser,...)
Der Versuchsaufbau erfolgt nach Abb. 16.10. Die relativ hohe Empfindlichkeit dieser Schaltung
beruht darauf, dass die beiden Transistoren in der sogenannten Darlington-Schaltung betrieben
werden. Man kann damit ohne weiteres noch Widerstandswerte von 5 MΩ messen! Durch den
hohen Eingangswiderstand wird die zu prüfende Schaltung kaum belastet. Die Stromstärken
liegen weit unter 1 mA.
(i) Man verwende eine Leuchtdiode zur Prüfung der Leitfähigkeit verschiedener Stoffe (Blumenschale, Flüssigkeiten wie Wasser, Cola, Bier, . . . )
(ii) Man verändert den Abstand der Elektroden und beobachtet die Helligkeit der LED.
(iii) Es können auch leicht folgende Gegenstände überprüft werden: menschliche Hand (Anwendung als Lügendetektor), dicker Bleistiftstrich auf Papier, . . . (hier ist Ihre Erfindungsgabe
angesprochen!)
Durchführung
26
Geben Sie möglichst viele untersuchenswerte Stoffe bzw. Geräte an! Halten Sie einen Einsatz
dieser Schaltung im Unterricht der SI für sinnvoll?
Auswertung
16.3.4 Einfache optische Näherungsanzeige mit Leuchtdiode und
Feldeffekttransistor
D
G
S
FET
2N 3819
+
4.5 V
Abbildung 16.11: Schaltbild
Bauteile
Bauteile:
1 Leuchtdiode
1 Feldeffekttransistor 2N 3819
1 Netzgerät 4 - 9 V Gleichspannung
1 Plexiglasstab
Durchführung
1. Man legt eine Spannung von ca. 4V an DRAIN (D) und SOURCE (S) des Feldeffekttransistors und beschaltet das GATE (G) nicht. Nun wird das Gate mit einem isolierten
Kabel, das von einer Person berührt wird, in Kontakt gebracht und die Leuchtdiode beobachtet.
2. Man nähert dem unbeschalteten Gate einen geriebenen Plexiglasstab und beobachtet die
LED.
Auswertung
1. Notieren Sie ihre Beobachtungen!
2. Wodurch ist ein FET charakterisiert?
27
16.3.5 Spannungswächter
+
470 W
47 K
Zenerdiode
C
3..12 V
C
220 K
B
E
V
1K
BC
546
BC 546
B
E
LED
Abbildung 16.12: Spannungswächter
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 470 Ω
1 Widerstand 47 kΩ
1 Widerstand 1 Ω
1 Leuchtdiode
1 Zenerdiode ZPD 3.3
1 Netzgerät 3-15 V oder 2 Netzgeräte 0-9 V hintereinandergeschaltet
Der Aufbau erfolgt gemäß Abbildung 16.12. Erforderlich ist eine Spannungsversorgung, bei der
ein Absinken von 12V bis auf ca. 3V simuliert werden kann, unter Umständen müssen zwei kleinere Netzgeräte hintereinandergeschaltet werden. Vermindern Sie ausgehend von einem Wert von
12V die Spannung schrittweise (Simulation des Absinkens der zu überwachenden Spannung!)!
Es wird (mit Hilfe eines Messinstruments) ermittelt, bei welcher Spannung die Leuchtdiode
aufleuchtet. Das Wertepaar wird in eine Tabelle eingetragen. Tauschen Sie die Zenerdiode in
Schaltung 16.12 aus durch ZPD 9.1, ZPD 6.2, ZPD 4.7 bzw. ZPD 3.3!
Durchführung
28
Auswertung
Versuchen Sie Ihre Resultate zu erklären!
16.3.6 Multivibrator
Der Multivibrator zählt zu den Kippschaltungen. Bei Kippschaltungen können die Ausgänge
zwei verschiedene Zustände annehmen. Man unterscheidet bistabile, monostabile und astabile
Kippschaltungen. Sie sind durch unterschiedliche Koppelglieder charakterisiert. Die bistabile
durch zwei Widerstände, die monostabile durch einen Widerstand und einen Kondensator sowie
die astabile durch zwei Kondensatoren.
Schaltskizze 16.13 zeigt einen astabilen Multivibrator – nicht zu verwechseln mit dem bistabilen Multivibrator oder Flip-Flop. Er ist eine selbstschwingende Kippschaltung, die rechteckförmige Spannungsverläufe liefert. Bei der astabilen Kippschaltung gibt es nie einen stabilen
Endzustand. Ihre Ausgangsspannung ändert sich mit fester Impulsdauer und auch Impulspause
(siehe z.B. [21], Kapitel 6.2.3).
220 K
220 K
C
A
D
B
+
9V
+
+
10 μF
10 μF
C
C
T
B
1
BC 546
B
T
E
BC 546
2
E
Abbildung 16.13: Multivibratorschaltung
Bauteile
Bauteile:
2 Kondensatoren 10 μF
1 Netzgerät 9 V
1 Oszilloskop
1 Frequenzmesser
29
Die obenstehende Schaltung aus Abb. 16.13 wird aufgebaut, die beiden Potentiometer werden
zunächst auf einen mittleren Wert eingestellt. Nun sollten die beiden Lämpchen anfangen zu
blinken.
a)
R
L1
R
1
L2
2
9V
+
+
+
P
C
2
C1
C
C
T
B
B
1
T
Q
2
E
E
Abbildung 16.14: Prinzipschaltung
Zur Klärung der Wirkungsweise der Multivibratorschaltung betrachten wir Abb. 16.14. Als Ausgangssituation wählen wir den Fall, dass T1 leitet und T2 nicht, dass die beiden Kondensatoren
ungeladen sind und dass nur die Lampe L1 leuchtet (d.h. L2 leuchtet nicht). An T1 ist offensichtlich für UBE1 die Schwellenspannung von 0,7V überschritten, während UBE2 < 0,7V ist.
b)
T1
+
+
R1
C1
c)
+
+
T1
Basis
C
2
L
T
2
Kollektor
2
Abbildung 16.15:
Durchführung
30
Anhand von Abbildung b wird deutlich, dass Elektrolytkondensatoren als Kopplungsglieder nicht
günstig sind, da der Kondensator C1 über R1 aufgeladen wird (Potentiale beachten!). Die (volle)
Ladezeit eines Kondensators τ hängt von R und C ab:
τ =R·C
Zwischen T2 (nichtleitend) und L2 wird die 9V-Spannung aufgeteilt, der Punkt P besitzt also
höheres Potential als der Punkt Q und somit wird der Kondensator C2 auch aufgeladen. Da L2
einen sehr niedrigen Widerstandswert besitzt, geschieht dies sehr rasch. Sobald nun durch die
stetige Aufladung von C1 das Basispotential UBE2 einen Wert von 0,6 bis 0,7V (Schwellspannung)
überschreitet, wird T2 leitend und damit die positive Seite des Kondensators C2 auf das Potential
des negativen Anschlusses der Spannungsquelle und damit auch auf das Potential des Emitters
von T1 gelegt. T1 sperrt also und damit leuchtet L1 nicht, während L2 leuchtet. Der Vorgang
wiederholt sich für C1 und C2 nun in umgekehrter Reihenfolge. Im Idealfall ergibt die KollektorEmitter-Spannungscharakteristik UCE eine periodische Rechteckschwingung.
Für C1 werden unterschiedliche Kapazitäten eingesetzt, ebenso kann R1 variiert werden. An die
Anschlüsse A, B bzw. C, D können ein Zweikanaloszilloskop oder ein Frequenzmesser zur Messung der Blinkfrequenz angeschlossen werden. Die gemessenen Leuchtdauern ti beziehungsweise
Frequenzen fi = t1i sollen in einem Fall mit den theoretisch zu erwartenden Werten verglichen
werden.
Man beachte, dass beispielsweise die Einschaltzeit t2 von T2 nicht identisch der vollen Ladezeit
τ1 von C1 ist. Es gilt näherungsweise für die Einschaltzeit des einen respektive die Sperrzeit des
anderen Transistors
tj ≈ ln2 Ri Ci ≈ 0, 7Ri Ci , j = i,
da das Basispotential ungefähr wie 1 − 2 exp(−t/RC) ansteigt (aus [21], Abschnitt Kippschaltungen).
Muster für eine Wertetabelle:
R1 [Ω]
C1 [F]
R2 [Ω]
C2 [F]
f1mess [Hz]
f2mess [Hz]
f1theo [Hz]
f2theo [Hz]
1.
2.
3.
...
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
17
Der Operationsverstärker
Thema 17
31
32
vertieft)
Grundwissen
Vorbereitung
i. Vergleichen Sie die zu erledigenden Experimentieraufgaben mit Lerninhalten in Halbleitertechnik in älteren Lehrplänen für das Gymnasium in Bayern (G9), z. B. in [22] oder
[23].
ii. Studieren Sie aus den Kapiteln zum Operationsverstärker (abgekürzt OPV oder OPAMP
oder OPA) in [19] und [20] die Grundlagen zu den Versuchen in dieser Anleitung! Achten
Sie insbesondere auf folgende Punkte:
a) Begriff und Definition eines Differenzverstärkers
b) Begriff und Kurzdefinition eines OPVs,
c) Schaltzeichen des OPV,
d) die Spannungsversorgung eines OPV
e) das Funktionsprinzip eines OPV, einschließlich seiner Betriebsarten bezogen auf die
Beschaltung seiner Eingänge,
f) Gegenkopplungstechnik beim OPV
iii. Informieren Sie sich insbesondere über die Offseteinstellung eines realen OPVs.
iv. Was versteht man unter dem Begriff symmetrische Spannungsversorgung? Wie kann eine solche mittels zweier separater DC-NetzgerUate realisiert werden, wenn keine fertige
symmetrische Spanungsquelle zur Verfügung steht?
v. Besorgen Sie sich Datenblätter (datasheet(s)) zu den verwendeten OPVs (Typ 471)!
vi. Welche Spezifikationen muss eine Spule erfüllen, mit der das Erdmagnetfeld nachgewiesen
werden kann?
Thema 17: Versuche
33
17.2 Versuche:
Versuche
17.2.1 Abschätzung der offenen Verstärkung des OPV)
5.2 V
47 K
10 K
+ 4,7 K
10 K
E-
10 K
-
+
741
A
+
E+
5.2 V
10 K
47 K
U
a
Abbildung 17.1: Schaltbild
Bauteile
Bauteile:
1 Operationsverstärker OPV 741
1 Widerstand 4.7 kΩ
1 Doppelnetzgerät, zu symmetrischer Spannungsversorgung verschaltbar
2 Digitalmultimeter oder 2 Analogmultimeter mit Kommutatorschalter
Die obenstehende Schaltung wird aufgebaut, die beiden Potentiometer werden zunächst auf einen
möglichst geringen Widerstandswert eingestellt, sodass sich die Eingänge E+ und E− ungefähr
Durchführung
Thema 17: Versuche
34
auf gleichem Potential befinden. Dann schließt man den OPV an: zuerst die Betriebsspannung,
dann die Eingangsspannung ΔU .
Stehen keine zwei Digitalmultimeter zur Verfügung, so müssen die Analogmultimeter mit einem Kommutatorschalter verwendet werden, da die zu messenden Spannungen ihre Vorzeichen
wechseln (siehe Skizze)!!
Messgerät..mit vorgeschaltetem
Kommutator
Abbildung 17.2: Analogmultimeter mit Kommutatorschalter
• Messen Sie zunächst die für ΔU maximal möglichen Werte.
• Prüfen Sie nach: Wenn ΔU größer/kleiner 0V ist, dann ist auch Ua größer/kleiner 0 V.
• Stellen Sie das ΔU -Messgerät auf einen empfindlichen Spannungsbereich ein. ΔU wird nun
mit den beiden 10kΩ-Potentiometern geringfügig variiert. Tragen Sie das Ergebnis in ein
ΔU − Ua -Diagramm ein!
• Schließen Sie nun E+ und E− gemeinsam an den Abgriff eines der 10kΩ-Potentiometer an
und versuchen Sie mit Hilfe des Potentiometers auf der OPV Platine den Wert Ua = 0 V
einzustellen.
• Prüfen Sie, ob Ua = 0 V erhalten bleibt, wenn man das 10kΩ-Potentiometer verstellt.
Thema 17: Versuche
35
17.2.2 Demonstration der offenen Verstärkung
220 K
5.2 V
10 K
1K
+
+
741
-
LDR 05
U
5.2 V
220 K
U
a
Abbildung 17.3: Offene Verstärkung
Bauteile
Bauteile:
1 Potentiometer 10kΩ
1 Widerstand 1kΩ
1 Fotowiderstand LDR 05
1 Experimentierleuchte oder geeignete Taschenlampe
1 Stelltrafo
Die obenstehende Schaltung wird aufgebaut. Wegen des hohen Verstärkungsfaktors V0 des OPV
ist es nicht leicht, die Ausgangsspannung Ua auf einen anderen Wert als den Übersteuerungswert
einzustellen. Eine ausreichend feine Regelung erhält man mit einem Fotowiderstand:
Durchführung
Thema 17: Versuche
36
Der Fotowiderstand wird auf das Potential 0V gelegt. Von der Versorgungsspannung wird ein
kleiner Bruchteil abgegriffen (dazu sind die 220kΩ-Potentiometer auf maximalen Widerstandswert einzustellen) und nochmals mit einem 10kΩ-Potentiometer und Fotowiderstand fein unterteilt. Man beleuchtet den Fotowiderstand kräftig und stellt mit dem 10kΩ-Potentiometer den
Sprungpunkt möglichst genau ein (eventuell ist die Einstellung der 220kΩ-Potentiometer etwas zu korregieren). Dunkelt man nun die Lampe vorsichtig ab, lassen sich Zwischenwerte der
Ausgangsspannung erreichen.
17.2.3 Verstärkung des gegengekoppelten OPV (nicht invertierende
Elektrometerschaltung)
10 K
5.2 V
+
10 K
+
5.2 V
741
R
1
1K
U
e+
U
R
2
a
Abbildung 17.4: Nicht invertierende Elektrometerschaltung
Bauteile
Bauteile:
3 Widerstände 1kΩ
2 Widerstände 10kΩ
1 Widerstand 47 kΩ
Thema 17: Versuche
37
Die obenstehende Schaltung wird aufgebaut. Für R1 und R2 werden Widerstände eingesetzt.
Nun stellt man für Ue+ mit Hilfe des 10kΩ-Potentiometers verschiedene Spannungen ein und
misst Ua . Zur Variation kann das Potentiometer auch wie gestrichelt eingezeichnet angeschlossen
werden.
Durchführung
Man misst nun Ua in Abhängigkeit von Ue+ für folgende Widerstandspaare:
R1 = 1kΩ, R2 = 1kΩ
R1 = 10kΩ, R2 = 1kΩ
R1 = 47kΩ, R2 = 10kΩ
Auswertung
• Die Messwerte werden in ein Ue+ − Ua -Diagramm eingetragen und die entsprechenden
Verstärkungsfaktoren berechnet.
• Überprüfen Sie, ob sich der aus der Theorie bekannte Wert ergibt.
17.2.4 Beispiel einer Spannungsverstärkung
5.2 V
Stabmagnet
+
+
5.2 V
741
-
1M
Spule
12 000 Wdgn.
10 K
1K
mA
Abbildung 17.5: Anwendung: Messung von Induktionsspannungen
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 1kΩ
Thema 17: Versuche
38
1 Widerstand 1M Ω
1 Spule 12000 Windungen
1 selbstzuwickelnde Spule
1 Stabmagnet
Durchführung
• Bauen Sie die obenstehende Schaltung zur Messung von Induktionsspannungen auf!
• Warum ist die Schaltung zur Messung sehr kleiner Spannungen geeignet (Bezug zu Versuch
17.2.3)?
• In Abhängigkeit von dem am Potentiometer eingestellten Widerstandswert kann der Verstärkungsfaktor variiert werden. Schätzen Sie die mögliche Verstärkung theoretisch ab! Sind
diese Werte experimentell erreichbar?
• Nähern Sie bzw. entfernen Sie von der Spule einen Stabmagneten und versuchen Sie zu
ermitteln, von welchen Größen der am mA-Meter angezeigte Messwert abhängt.
• Weisen Sie durch Drehen einer geeigenten Spule das Erdmagnetfeld nach! Welche Spezifikationen muss die Spule mindestens erfüllen?
• Was ist zu tun, um (sehr kleine) Induktionspannungen mit diesem Aufbau quantitativ zu
messen?
17.2.5 Spannungsfolger mit Anwendung: Messfehler durch unpassenden Innenwiderstand eines Voltmeters
47 K
47 K
47 K
Abbildung 17.6: Messaufgabe: Teilspannungen in Spannungsteilerschaltung
Thema 17: Versuche
39
Bauteile
Bauteile:
3 Widerstände à 47kΩ, ersatzweise 100kΩ oder 1M Ω
1 stabilisiertes DC-Netzgerät
Durchführung
i.
a) Bestimmen Sie zu Orientierung als erstes mit einem Ohmmeter die genauen Widerstandswerte der verwendeten Widerstände sowie den Innenwiderstand des verwendeten Drehspulinstruments (analoges Vielfachmessinstrument) in den verschiedenen
Spannungsmessbereichen!
b) Bauen Sie als zu vermessendes System die Spannungsteilerschaltung aus Abb.17.6 auf!
Das DC-Netzgerät ist auf 1 V einzustellen. Mit einem analogen(!) Vielfachmessinstrument sind alle Teilspannungen und die Gesamtspannung zu messen und zu notieren!
Warum ergibt sich ein Messfehler, der vom Messbereich des Vielfachmessinstruments und
dem Widerstandswert der ohmschen Last abhängig ist?
5.2 V
+
U
+
741
-
e+
5.2 V
U
a
Abbildung 17.7: Nahezu stromlose Spannungsmessung mit OPV
ii. Eine wesentliche Verbesserung der Messergebnisse erreicht man, wenn das analoge Vielfachinstrument in Schaltung 17.7 eingebaut und diese Schaltung zur Spannungsmessung
verwendet wird:
Auswertung
Thema 17: Versuche
40
Aufgrund der Schaltung ist: ΔU = Ue+ − Ue− = 0 ⇒ Ue+ = Ua .
Da der OPV jedoch einen sehr hohen Eingangswiderstand besitzt, liegt hier ein fast stromloser Spannungsmesser vor, der die Spannungsquelle kaum belastet.
Messen Sie nun unter Verwendung von Schaltung 17.7 die Teilspannungen und die Gesamtspannung erneut!
Durchführung
iii. Stellen Sie den Spannungswert am DC-Netzgerät auf einen höheren Wert als 5V ein und
wiederholen Sie die Messungen!
Vergleichen Sie die mit dem Vielfachinstrument und der OPV-Schaltung erzielten Ergebnisse
(jeweils für beide verwendeten Betriebsspannungen 1V und >5V)! Was ist die Ursachee der
falschen Messwerte? Begründen Sie Ihre Antwort mittels Rechnung!
Auswertung
Hinweis:
Erklären Sie die Abweichungen beider Messmethoden, indem Sie den Ersatzwiderstand von
Voltmeter und dem jeweiligen Teilwiderstand des Spannungsteilers Ri berechnen!
Hinweis
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
18
Steuern und Regeln
Thema 18
41
42
vertieft)
Grundwissen
Vorbereitung
i. Informieren Sie sich über Grundlagen der Regelungstechnik, insbesondere die Begriffe Regelgrösse, Istwert, Sollwert, Führungsgröße, Stellgröße, Störgröße, ... wie sie auch in meiner
Vorlesung Grundlagen der Fachdidatik A besprochen werden, sowie Arten von Reglern
(siehe auch [20].
ii. Definieren Sie die Begriffe UND- und ODER-Schaltung!
iii. Beschaffen Sie sich aus dem WWW Datenblätter (datasheet(s)) zu typischen Niederspannungsrelais! Sie können die Datenblätter alternativ aus den Unterlagen zu dieser Veranstaltung kopieren.
18.2 Versuche:
Versuche
18.2.1 Temperaturregelung mit einem Bimetallstreifen (Lehrerversuch)
Bimetallstreifen
220V/40W
220V/40W
Abbildung 18.1: Temperaturregelung (Kein Schülerversuch!)
Thema 18: Versuche
43
Bauteile
Bauteile:
1 Sicherheitssteckdose mit Ausschalter
2 Glühlampen 230V 40W (maximal 60W), E27 in Klemmfassung
2 Isolierklemmen
Bimetallstreifen (Verschweißter Eisen- und Nickelstreifen, 15 cm lang) mit Kontaktstift
1 Hubtisch (Laborboy) und/oder Unterlegklötze
diverses Stativmaterial (Kreuzmuffen, Stativstangen, Stativfüße)
Eine Glühlampe wird unter den Bimetallstreifen gestellt. Zunächst ist der Bimetallstreifenschalter geschlossen; die Lampe heizt. Nach einiger Zeit öffnet sich der Schalter. Sicherheitssteckdose
mit Schalter benutzen, falls keine Fassungen mit Netzsteckern benutzt werden! Während des
Betriebs keinesfalls die Metallteile berühren!!
Durchführung
Der beobachtete Vorgang ist mit Hilfe der Begriffe der Regeltechnik (Regelgrösse, Istwert, Sollwert, Führungsgröße, Stellgröße, Störgröße, ...) zu beschreiben. Der Sollwert soll variiert werden.
Auswertung
18.2.2 Der Regenmelder
C
3.3 K
B
BC
546
C
Schalter
BC
546
B
E
680 W
E
4.5 V
680 K
Abbildung 18.2: Schaltplan eines Regenmelders
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 680kΩ
1 Widerstand 3.3kΩ
1 Widerstand 680Ω
1 Leuchtdiode
Thema 18: Versuche
44
1 Netzgerät 4,5V
2 Elektroden
1 Becherglas
saugfähiges Papier
Hinweis
Hinweis:
Büschelstecker von Messleitungen NIE in Wasser tauchen!
Die obige Schaltung ist aufzubauen. Zum Test der Schaltung sind die beiden Elektroden aneinanderzuhalten: die LED sollte leuchten.
Nun sind die Elektroden auf ein Stück Papier zu legen. Dieses wird mit Leitungswasser befeuchtet und die LED dabei beobachtet. Notieren Sie Ihre Feststellungen und erklären Sie, warum
die geringe Leitfähigkeit des Wassers ausreicht, um die LED zum Leuchten zu bringen.
Durchführung
18.2.3 Der Blumenwächter
680 W
220 K
C
B
T1
E
BC
546
3.3 K
C
Schalter
BC
546
B
E
T2
4.5 V
Abbildung 18.3: Schaltplan zum Blumenwächter
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 3.3kΩ
1 Widerstand 680Ω
Thema 18: Versuche
45
1 Leuchtdiode
1 Netzgerät 4.5V
2 Elektroden
1 Becherglas aus Kunststoff
saugfähiges Papier, Blumenerde, etc...
Die obige Schaltung ist aufzubauen, das Poti zunächst auf kleine Widerstandswerte einstellen.
Zum Test der Schaltung sind die Elektroden kurzuschließen: die LED sollte bei Berührung
verlöschen.
Diese Schaltung entspricht einer Umkehrung des Regenmelders: Die Basis von T1 wird nicht
über die Feuchtigkeitsbrücke offen gehalten, sondern über den 680Ω-Widerstand und das Potentiometer. Haben die Elektroden keinen Kontakt, so muss der Strom von 680Ω-Widerstand und
Poti über den Basiskanal zum Emitter von T1 fließen, damit wird aber T2 „geöffnet“ und die
LED leuchtet.
Je größer die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden ist, desto mehr Strom wird über diese
abfließen, anstatt den „unbequemeren Weg“ über die T1 -Basis zu nehmen. Folglich wird die
LED mit zunehmender Leitfähigkeit dunkler und erlischt schließlich.
Durch das Potentiometer kann die Empfindlichkeit den jeweiligen Verhältnissen entsprechend
eingestellt werden.
Legen Sie nun analog zum Regenmelder die Elektroden auf ein Stück trockenes Papier und
befeuchten sie dieses! Notieren Sie Ihre Beobachtungen!
18.2.4 Licht- und Dämmerungsschalter
Relais
mA
47 K
+
Fotodiode
C
9V
-
μA
1K
BC
546
B
E
220 K
LED
Abbildung 18.4: Schaltplan zur umgebungslichtabhängigen Steuerung einer LED
Durchführung
Thema 18: Versuche
46
Bauteile
Bauteile:
1 Fotodiode BPW 34
1 Widerstand 1kΩ
1 Widerstand 47kΩ
1 Transistor BC 546
1 Leuchtdiode
1 DC-Netzgerät 9V/0.3A
1 Experimentierleuchte oder starke LED-Taschenlampe
1 Trafo für Experimentierleuchte bei Bedarf
Machen Sie sich als erstes mit der Ansteuerung des Relais vertraut – Sie hören, wenn das Relais
schaltet.
Schaltung 18.4 wird aufgebaut, das 220kΩ-Potentiometer wird auf einen kleinen Widerstandswert eingestellt (ca. 20-50kΩ). Bei Beleuchtung mit der Experimentierleuchte verhält sich die
Fotodiode wie ein Fotowiderstand (Wird sie in Durchlass- oder Sperrichtung betrieben?). Der
Strom, den sie bei Beleuchtung durchlässt, beträgt ca. 100μA. Das reicht nicht aus, um das
Relais direkt zu steuern, wohl aber den Kollektorstrom eines Transistors, der dann auf Werte
über 30mA ansteigt. Bei diesen Stromstärkewerten schaltet das Relais; der Arbeitskreis wird
geschlossen und die Leuchtdiode brennt. Die Empfindlichkeit der Anordnung kann mit dem
Potentiometer beeinflusst werden.
Betreibt man das Relais im Ruhekontakt (geschlossener Schalter!), so bekommt man einen Dämmerungsschalter.
18.2.5 Lichtschranke mit Fotowiderstand und Transistor
4V/40 mA
LDR 05
C
100 W
BC
546
B
E
+
4.5 V
10 K
Abbildung 18.5: Empfangsteil einer einfachen Lichtschranke
Durchführung
Thema 18: Versuche
47
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 100Ω
1 Transistor BC 546
1 Glühlampe 4V/40mA
1 Netzgerät 4.5V
1 Experimentierleuchte
1 Stelltrafo
Durchführung
1. Nach Anlegen der Spannung beleuchtet man den Fotowiderstand und stellt mit dem Potentiometer die Empfindlichkeit so ein, dass die Glühlampe gerade noch deutlich aufleuchtet.
2. Der Lichtstrahl wird mit der Hand mehrmals unterbrochen und die Glühlampe beobachtet.
3. Man vertauscht nun den Fotowiderstand und das Potentiometer. Die Empfindlichkeit wird
mit Hilfe des Potentiometers so eingestellt, dass die Glühlampe bei Beleuchtung gerade
verlöscht. Teilversuch 2. wird wiederholt. Erklären Sie die unterschiedliche Reaktion der
beiden Schaltungen.
Bemerkung
Die hier beschriebene Schrankenanordnung zeigt eine langsame Änderung der Glühlampenhelligkeit, wenn die Intensität der Beleuchtung am Fotowiderstand langsam erhöht oder erniedrigt
wird. Für Lichtschranken, die eine Zählfunktion ausüben sollen, ist ein plötzlicher Wechsel erforderlich. Für solche Fälle benötigt man eine Trigger-Schaltung (Schmitt-Trigger).
Thema 18: Versuche
48
18.2.6 Parklichtschalter mit Schmitt-Trigger undFotowiderstand
4V/40 mA
4V/40 mA
LDR 05
C
C
100 W
4.7 K
BC
546
B
BC
546
B
E
9V
+
E
A
1K
-
B
C
10 W
D
Abbildung 18.6: Helligkeitsgesteuerte Glühlampe
Bauteile
Bauteile:
1 Fotowiderstand LDR 05 oder oder LDR TO 18
1 Widerstand 100Ω
1 Widerstand 1kΩ
1 Widerstand 10Ω
1 Widerstand 4.7kΩ
1 Netzgerät 9V
1 Stelltrafo
Durchführung
1. Die Schaltung wird gemäß Schaltbild aufgebaut und der Fotowiderstand mit der Experimentierleuchte beleuchtet (evtl. genügt sogar die Raumbeleuchtung). Nach Anlegen der
Spannung wird der Arbeitspunkt mit dem Potentiometer so eingestellt, dass die linke Glühlampe gerade noch deutlich leuchtet. Dann dunkelt man den LDR langsam mit der Hand
ab und beobachtet die Glühlampen.
2. Man entfernt nun die Verbindung zwischen den Punkten C und D und verbindet stattdessen
die Punkte A und B durch ein Kabel. Der erste Teilversuch wird nun wiederholt und der
Unterschied zum ersten Versuch wird festgestellt.
Thema 18: Versuche
49
3. Die linke Glühlampe wird aus der Schaltung entfernt und durch einen 1kΩ-Widerstand
ersetzt. Teilversuch 1 wird wiederholt und die Glühlampe beobachtet. Der Unterschied
zum ersten Versuch wird festgestellt.
(Bemerkung: Die Schaltung stellt das Modell einer automatischen Straßenbeleuchtung
oder eines Parklichtschalters dar, der bei einer bestimmten einstellbaren Helligkeitsschwelle
eine Lampe einschaltet.)
18.2.7 Steuern und Regeln mit dem OPV - Simulation des Pupillenreflexes
18.2.7a Vorversuch
Bauteile
Bauteile:
1 Widerstand 10kΩ
2 Netzgeräte 5.2V
1 Digitalmultimeter
1 Irisblende
1 Stelltrafo
LDR 05
5.2 V
Irisblende
10 K
5.2 V
U
10 K
p
Abbildung 18.7: Vorversuch zum Pupillenreflex
Thema 18: Versuche
50
Zunächst baut man einen Teil der Schaltung auf. Hier wird mit einer Experimentierleuchte
(Spannung ca. 60% der Maximalspannung), die mit einer beweglichen Irisblende abgedeckt ist
(Blende etwa halb geöfffnet), der Fotowiderstand beleuchtet. Man stellt das 10kΩ-Potentiometer
so ein, dass der empfindliche Spannungsmesser UP = 0V anzeigt. Damit wird die jetzt auf
dem Fotowiderstand vorhandene Beleuchtungsstärke durch das Potential Ue+ = 0V verknüpft
(Sollwert der Regelgröße UP ).
Durchführung
18.2.7b Hauptversuch
Bauteile
zusätzliche Bauteile:
1 Widerstand 1kΩ
1 Taschenlampe
LDR 05
5.2 V
Irisblende
10 K
+
+
10 K
5.2 V
-
1K
1K
Abbildung 18.8: Prinzip einer Steuerungsschaltung
Die Schaltung aus Abb.18.7 wird gemäß Abb.18.8 ergänzt. Das 1kΩ-Potentiometer ist dabei
zunächst auf den Endwert einzustellen. Das Vielfachmessgerät steht stellvertretend für einen
Motor, der die Irisblende regelt: je nach Spannungsvorzeichen öffnet oder schließt er die Blende.
• Zunächst überzeugt man sich nach dem Aufbau der Schaltung, wie durch die Beleuchtung
des Fotowiderstandes das Messgerät (bzw. der Stellmotor) gesteuert wird. Dazu steigert
man vorsichtig die Helligkeit der Experimentierleuchte (Bereits ein kleines Überschreiten
der maximalen Betriebsspannung von 6 V zerstört die Punktlichtbirnen in den Exprimentierleuchten!) und beobachtet die Anzeige am Messinstrument. Die Messwerte und Beobachtungen sind zu notieren.
Durchführung
Thema 18: Versuche
51
• Dann ist das 10kΩ-Potentiometer so einzustellen, dass bei mittlerer Beleuchtungsstärke die
Variation der Blende stoppt, d.h. das Instrument zeigt 0V an. Die Störgröße ist nun die
Helligkeit, die z.B. mit einer zusätzlichen Taschenlampe variiert werden kann.
• Mit einem Papierstreifen geeigneter Breite, der zwischen Lampe und Fotowiderstand hin
und her bewegt wird, soll der Regelkreis vorsichtig in Schwingung versetzt werden.
• Die Instabilität des Regelkreises wird dadurch demonstriert, dass durch Verminderung des
Widerstandes am 1kΩ-Potentiometer die Verstärkung stark erhöht wird. Diese Erscheinung
ist zu erklären.
18.2.8 UND - Schaltung mit Fotowiderständen
LDR 05
+
9V
-
LDR 05
Abbildung 18.9: AND-Schaltung
Bauteile
Bauteile:
2 Fotowiderstände LDR 05 oder LDR TO 18
1 Glühlampe 4V/40mA oder eine Leuchtdiode
1 DC-Netzgerät 9V
1 Experimentierleuchte mit 6V oder 12V-Birne
1 Stelltrafo
Die Schaltung wird gemäß Schaltbild aufgebaut. Nach Anlegen der Spannung beleuchtet man
einen Fotowiderstand und beobachtet die Glühlampe (falls die Raumbeleuchtung zu hell ist, sind
die Fotowiderstände mit der Hand abzudunkeln). Danach beleuchtet man beide Fotowiderstände
gleichzeitig und notiert die Beobachtungen.
Durchführung
Thema 18: Versuche
52
18.2.9 ODER - Schaltung mit Fotowiderständen
+
LDR 05
9V
LDR 05
-
Abbildung 18.10: OR-Schaltung
Bauteile
Bauteile:
2 Fotowiderstände LDR 05
1 Glühlampe 4V/40mA oder eine Leuchtdiode
1 Netzgerät 9V
1 Experimentierleuchte mit 6V oder 12V-Birne
1 Stelltrafo
Die Schaltung wird gemäß Schaltbild aufgebaut. Nach Anlegen der Spannung beleuchtet man
den linken Fotowiderstand, danach den rechten und schließlich beide gleichzeitig.
In allen Fällen wird die Glühlampe beobachtet und die Feststellungen werden notiert.
Durchführung
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
19
Elektromagnetischer Schwingkreis
Thema 19
53
Thema 19: Grundlagen
54
vertieft)
Grundwissen
Vorbereitung
i. Wiederholen Sie die Theorie des linearen Schwingkreises, unter Einschluss der die Schwingung modellierenden Differentialgleichungen!
a) Wie ist ein Schwingkreis zu dimensionieren (Frequenz, Bauteile!), damit die elektrischen Schwingungen mit schulüblichen Demonstrationsmultimetern demonstriert werden können?
b) Welche Werte von Kapazitäten und Induktivitäten sind technisch herstellbar beziehungsweise käuflich zu erwerben (WWW-Recherche)?
c) Mit welcher handelsüblichen Bauteilkombination kann eine Schwingungsdauer im Sekundenbereich erzeugt werden?
ii. Definieren Sie die Begriffe Längstwellen (VLF - Very Low Frequency), Langwellen, Mittelwellen (AM) und Kurzwellen (FM) durch Angabe der entsprechenden Frequenz- und
Wellenlängenintervalle!
a) Welche Rundfunkfrequenzbereiche sind in den einzelnen Bändern freigegeben?
b) Welche Modulationsarten werden in den verschiedenen Bändern eingesetzt?
c) Welche Antennenlängen und -typen sind jeweils zum Empfang geeignet?
d) Welche Arten von Empfangsbeeinträchtigungen existieren jeweils?
e) Welche Mittelwellensender (Frequenzangabe, Entfernung und Position beziehungsweise Richtung zum Unigelände) sind in Bayreuth zu empfangen?
19.2 Versuche:
Versuche
19.2.1 Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen
Bauteile
Bauteile:
1 Kondensator 100μF oder ein Bikondensator 47μF
1 Spule 12 000 Windungen (mit Eisenkern)
1 Wechselschalter
1 Netzgerät 9V/0.1A oder Netzgerät mit entsprechend eingestellter Strombegrenzung
1 Analog-Multimeter
1 Spiegelgalvanometer oder Drehspulinstrument mit geringer Dämpfung
1 Zweikanal-Speicheroszilloskop
Thema 19: Versuche
55
Schalter
+
Spule
12 000 Wdgn.
9V/0.1A
100 μF
V
mA
Abbildung 19.1: Schwingkreis
Der Aufbau erfolgt laut Schaltplan unter Verwendung des Spiegelgalvanometers bzw. des Drehspulinstruments zur Strommessung. Bei Verwendung der Phywe-Netzgeräte ist darauf zu achten,
dass die Spannung an der 0-9V/0.1A-Buchse abgegriffen wird.
Durchführung
Zu Beginn wird der Wechselschalter so eingestellt, dass sich der Kondensator aufläd. Dann wird
der Schalter umgelegt und die im Kondensator gespeicherte Energie dem Schwingkreis zugeführt.
Mit den Messinstrumenten kann nun UC (t) und IL (t) bestimmt und qualitativ in Relation gesetzt
werden. Es sind mindestens zwei Schwingungsperioden beobachtbar. Begründen Sie, warum der
Gleichstrommessbereich des Amperemeters zu wählen ist. Wie muss das Zweikanaloszilloskop
(Innenwiderstand!!) geschaltet werden, um den Lerninhalt elektromagnetischer Schwingkreis mit
Hilfe dieses Geräts darstellen/erarbeiten zu können? Geben Sie dazu eine Schaltskizze an!
Die zeitabhängige Stromstärke IL (t) und Spannung UC (t) werden qualitativ in ein t-I-, bzw.
t-U-Diagramm eingetragen. Die Phasenbeziehung zwischen den beiden Größen ist zu beachten
und zu ermitteln. Welche Vor- bzw. Nachteile bietet der Einsatz des Oszilloskops?
Auswertung
Thema 19: Versuche
56
19.2.2 Kurzwellenschwingkreis, KW-Sender und KW-Empfänger
19.2.2a Der Sender
9V
1.5 μH
10 nF
60 pF
47 K
C
BC
546
B
Antenne
E
220 pF
10 nF
47 pF
100 W
GeDiode
μA
Prüfschaltung
Abbildung 19.2: KW-Sender
Bauteile
Bauteile:
2 Kondensatoren 10nF
1 Kondensator 220pF
1 Kondensator 47pF
1 Drehkondensator 60pF
1 Spule 1.5μH
1 Widerstand 47kΩ
1 Widerstand 100Ω
1 Ge-Diode
1 Transistor BC 546
1 Stabantenne
1 Schalter
1 stablisiertes Labornetzgerät 30V, 2,5 A
Thema 19: Versuche
57
Bauen Sie den Sender laut Schaltplan auf! Die eingezeichnete Prüfschaltung ermöglicht den
Nachweis von HF-Schwingungen im Sendekreis: Der Messbereich des Amperemeters ist schrittweise zu erniedrigen (im mA-Bereich beginnend) bis ein Stromfluss nachgewiesen wird. Danach
ist die Prüfschaltung vom Sender durch Herausnehmen des 47pF-Kondensators zu trennen.
Durchführung
Zeigt das Messgerät keinen Strom an, muss die Schaltung überprüft werden.
19.2.2b Der Empfänger
Ge-Diode
Antenne
1.5 μH
60 pF
μA
Abbildung 19.3: KW-Empfänger
Bauteile
zusätzliche Bauteile:
1 Spule 1.5μH
1 Ge-Diode
1 Stabantenne (aus Scolatron-Kasten)
Der Empfänger wird wie eingezeichnet aufgebaut – günstigerweise auf einem separaten Steckbrett.
• Sender und Empfänger sind zunächst in unmittelbarer Nachbarschaft zu betreiben, dabei
sind die Masseelektroden auf gleiches Potential zu legen (Kabelverbindung!)
• Mit den Drehkondensatoren 60pF werden die Schwingkreise des Senders und des Empfängers so aufeinander abgestimmt, dass der Strommesser den größten Ausschlag zeigt.
Durchführung
Thema 19: Versuche
58
• Der Abstand zwischen Sender und Empfänger wird vergrößert, nachdem die Masseverbindung entfernt wurde. (Um größere Reichweiten zu erzielen, sollten Sender und Empfänger
geerdet werden.)
Fragen
Fragen zum Versuch:
• Wie kann die elektrische Energie vom Sender zum Empfänger ohne leitende Verbindung
übertragen werden?
• Welche Aufgabe hat die Sendeantenne?
• Wie werden elektromagnetische Wellen aufgefangen?
• Welche Aufgabe hat die Diode im Empfänger?
19.2.3 Rundfunk-Detektorempfänger für Mittelwelle
Antenne
60 pF
Ge-Diode
200 μH
500 pF
Ohrhörer
Abbildung 19.4: Detektorempfänger
Bauteile
Bauteile:
1 Spule 200μH
1 Ge-Diode
1 Stabantenne (aus Scolatron-Kasten)
1 Antennenkabel, mehrere Meter
1 Verstärker bei Bedarf
Thema 19: Versuche
59
Obige Schaltung funktioniert in alten Schulgebäuden, wenn die Tafel als Antenne benutzt werden
kann. In Stahlbetonbauten ist ohne Antennenanschluss (zur Dachantenne) kein Empfang zu
erwarten. Verlegen Sie Ihren Messplatz ins Freie!
Durchführung
Der Aufbau der Prinzip-Sendeschaltung erfolgt gemäß Schaltbild. Ohrhörer, Antenne und Erde werden angeschlossen. Ist keine im Raum installierte MW-Antenne vorhanden, kann eine
Behelfsantenne mit 10-15m Leitungsdraht im Freien gespannt werden. Durch Verändern der
Kapazität des 500pF-Drehkondensators wird der Schwingkreis auf die Frequenz des Orts- bzw.
Bezirkssenders abgestimmt.
Bei ungünstiger Empfangslage zum Sender (Richtung, Stärke) kann mit dieser einfachen Schaltung auch im Freien nicht unbedingt Empfang erwartet werden. An kurzen Antennen sind u.U.
bessere Empfangsergebnisse möglich, wenn der 60pF-Drehkondensator in der Antennenleitung
weggelassen wird, oder die Antenne über einen Kondensator mit 220pF direkt an den Schwingkreis geschaltet wird.
Fragen
Fragen zum Versuch:
• Wie stimmt man den Empfänger auf den Sender ab?
• Welche Aufgabe hat die Diode (vgl. Frage zur Vorbereitung, Modulationsarten)?
• Welche Leistung wird zum Betrieb des Ohrhörers benötigt? Woher stammt die entsprechende elektrische Energie?
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
20
Informationsübertragung durch
moduliertes Licht
60
Thema 20
Thema 20: Lernziele
61
20.1 Lernziele dieses Versuchsthemas
Lernziele
• Kenntnis von Möglichkeiten, elektronische Schaltungen für alle Schüler gut sichtbar zu
machen.
• Fähigkeit, elektronische Schaltungen auf einem Steckbrett des Systems Leybold aufzubauen.
• Fähigkeit, einen Sender für Lichtsignale in verschiedenen Frequenzbereichen aufzubauen.
• Fähigkeit, einen Empfänger für Lichtsignale aufzubauen.
• Wissen, welche Vorteile bzw. Nachteile Fotowiderstand und Fotodiode in einem Lichtempfänger besitzen.
• Fähigkeit, eine optische Richtfunkstrecke als Demonstrationsexperiment aufzubauen.
20.2 Grundlagen
Grundwissen
Folgende Fragen sind schriftlich zu beantworten (Literatur [17] Chap.2, [18] S. 73ff, zu finden
im Semesterapparat Übungen im Experimentieren für LA Gymnasien):
Vorbereitung
1. Definieren Sie die Begriffe Modulation und Demodulation (Funktechnik!)!
2. Beschreiben Sie die aus der Funktechnik bekannten Modulationsverfahren:
Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation! Führen Sie dabei die Begriffe Modulationsgrad, Seitenband, Einseitenbandmodulation sowie Übertragungskanal ein!
20.2.2 Methodische und technische Grundlagen
Als Lernvoraussetzung für eine mögliche Unterrichtseinheit Informationsübertragung durch moduliertes Licht sind folgende Lerninhalte unabdingbar:
(i) Telefon, (ii) Transistor, (iii) Fotohalbleiter.
Folgende Aufgaben sind schriftlich zu bearbeiten (Literatur [19] u.a.)!
zu (i):
Klären Sie die Funktionsweise von Kohlemikrofon und Kopfhörer in Form eines Hefteintrages für die SI!
zu (ii):
Die Funktionsweise eines Transistors (Basisschaltung) kann durch ein mechanisches Analogmodell (Schleusenmodell) geklärt werden. Diskutieren Sie dieses Analogmodell und seine
Relevanz im Physikunterricht der Sekundarstufe 1.
zu (ii):
Vorbereitung
62
Ein Transistor kann prinzipiell als Verstärkerelement (Was wird verstärkt?) und als trägheitsloses Schaltelement verwendet werden. Entwerfen bzw. wählen Sie aufbauend auf Ihren in den Versuchseinheiten 16 und 16.3 erlangten Kenntnissen jeweils einen typischen
Demonstrationsversuch, der dies möglichst einfach und überzeugend zeigt.
zu (iii):
Klären Sie im theoretischen Modell das Wirkungsprinzip einer lichtemittierenden Diode
(LED) sowie das Wirkungsprinzip eines Fotowiderstandes!
zu (iii):
Definieren Sie die Begriffe Fotodiode, Fototransistor, Fotoelement und Solarzelle?
Gemeinsam ist allen diesen sogenannten Lichtempfängern, dass sie ein elektrisches Signal
erzeugen, das der zeitlichen Intensitätsänderung der Lichtquelle analog ist. Worin unterscheiden sie sich?
Typische Materialien für Luminiszenzdioden sind Gallium-Phosphid (GaP), Gallium-ArsenidPhosphid (GaAsP) und Gallium-Arsenid (GaAs). Die Wellenlänge des emittierten Lichts hängt
von der Bandlücke zwischen Leitungs- und Valenzband der verwendeten Diode ab.
Halbleiter
(Grundmaterial)
Lichtfarbe
Wellenlänge
(Intensitätsmax.)
Lichtleistung
(bei 10mA)
infrarot
900nm
50 . . . 200μW
GaAsP
rot
655nm
2 . . . 10μW
GaAsP
hellrot
635nm
12 . . . 60μW
GaAsP
gelb
583nm
13 . . . 65μW
gelb-grün
565nm
14 . . . 70μW
GaAs
GaP
Die Reaktionszeiten (Anstiegs- und Abfallzeiten) von Luminiszenzdioden liegen bei etwa 2, 5 ·
10−7 Sekunden, so dass Modulationsfrequenzen im MHz-Bereich möglich sind.
Thema 20: Versuche
63
20.3 Versuche:
Versuche
20.3.1 Senden und Empfangen von Lichtsignalen
Abbildung 20.1: LED-Sender
Abbildung 20.2: LDR mit Niederfrequenzverstärkerbaustein
Bauteile
Bauteile:
2 Netzgeräte (9V)
1 Widerstand 330Ω
1 Widerstand 1kΩ
1 Leuchtdiode infrarot (GaAs) sowie rot (GaAsP)
1 Elektrolyt-Kondensator 10μF
1 fertiger Verstärkerbaustein (nicht kurzschlussfest, keine symmetrische Spanungsversorgung)
bzw. Audio-Verstärker
1 Lautsprecher 4Ω oder 8Ω
1 Radiogerät mit Kopfhörer- oder Lautsprecherausgang, alternativ Walkmann, CD- oder
MP3-Player (Bitte selbst mitbringen!)
Bauen Sie einen Sender nach Abb. 20.1 auf! Ehe Sie Ihr Radiogerät, Ihren Walkman oder Ihren
CD-Player an den Eingang des Senders anschließen, untersuchen Sie das Ausgangssignal Ihres
Audiogerätes am Oszilloskop! Welche Ausgangsspannungen treten auf?
Als nächstes wird ein einfacher Lichtempfänger unter Verwendung eines fertigen Niederfrequenzverstärkers aufgebaut (siehe Abb.20.2). Vorsicht: Der LM 386 ist nicht kurzschlussfest! Die
Beschaltung (Innenleben des Ihnen vorliegenden Kästchens) ist Abb.20.3 zu entnehmen.
Durchführung
Thema 20: Versuche
64
Abbildung 20.3: Prinzipschaltplan des NF-Amplifiers
(i) Untersuchen Sie mit Hilfe des Empfangsteils verschiedene Lichtquellen wie Neonröhren,
Taschenlampen sowie mit Wechselspannung betriebene Glühlampen! Ordnen Sie die Lichtquellen nach "hörbarenünd "nichthörbaren"Lichtquellen! Formulieren Sie das Ergebnis Ihrer
Untersuchungen in schülergerechter Form!
(ii) Verwenden Sie als Sender sowohl eine LED im 635nm-Bereich als auch eine Infrarot-LED.
Vergleichen Sie die Reaktion des Lichtempfängers (Protokoll!)!
20.3.2 Lichtempfänger mit Fotowiderstand
Abbildung 20.4: Lichtempfänger mit Fotowiderstand
Thema 20: Versuche
65
Bauteile
Bauteile:
1 Netzgerät (9V)
2 Widerstände 100Ω und 1kΩ
1 Photowiderstand LDR TO 18
3 Elektrolyt-Kondensatoren 1μF, 47μF, 100μF
1 Transistor BC 546
1 Verstärker LM 386
1 Lautsprecher 4Ω
Durchführung
(i) Bauen Sie den einfachen Niederfrequenzverstärker nach Abb.20.4 auf! Als Lichtempfänger
dient ein Fotowiderstand. Achten Sie dabei auf eine geschickte Kabelführung (Keine langen
Kabel verwenden)! Vor Inbetriebnahme ist die Schaltung unbedingt durch einen
Betreuer überprüfen zu lassen! Verdunkeln und beleuchten Sie den Fotowiderstand mit
einer Taschenlampe rhythmisch! Ergebnis?
(ii) Ersetzen Sie den Niederfrequenzverstärkerbaustein LM 386 durch einen Kopfhörer und vergleichen Sie mit der in (i) erzielten Klangqualität!
(iii) Schließen Sie an den Eingang des Senders von Abb.20.1 den Kopfhörerausgang eines Radiogerätes oder Walkmans an! Beleuchten Sie nun den Fotowiderstand mit der roten LED
des Senders! In welcher Entfernung müssen sich Sendediode und Lichtempfänger befinden,
damit die optische Übertragung einwandfrei funktioniert? Wiederholen Sie den Versuch mit
der IR-LED!
(iv) Als nächstes wird eine optische Richtfunkstrecke mit Hilfe eines Linsenpaares aufgebaut.
Verwenden Sie zur Justierung der Linsen die rote LED im Sender! Tauschen Sie diese
anschließend gegen die IR-LED aus! Welches ist die maximale Entfernung, die Sie mit Hilfe
dieser Anlage überbrücken können?
Thema 20: Versuche
66
20.3.3 Lichtempfänger mit Fotodiode
AA 118
220
+9V
6.2V
+
470 μ
4.7 K
10 K
1n
+
BPW 34
C
10 K
47μ
B
+
10 μ
E
1K
LM386
+
out
100
+
in
-
100 μ
10K
1K
1K
Abbildung 20.5: Lichtempfänger mit Fotodiode
Bauteile
Bauteile:
1 Netzgerät (9V)
1 Widerstand 100Ω
1 Widerstand 220Ω
2 Widerstände 1kΩ
1 Widerstand 4,7kΩ
1 Diode AA 118
1 Zehnerdiode 6,2V
1 Photodiode BPW 34
1 Kondensator 1μF
Thema 20: Versuche
67
1 Transistor BC 546
1 Verstärker LM 386
1 Lautsprecher 4 Ω
Nun wird als Lichtempfänger statt eines Fotowiderstands eine Fotodiode (BPW 34) verwendet.
Versuchen Sie, die Klangqualität Ihres Empfängers durch Aufbau der in Abb.20.5 dargestellten
modifizierten Schaltung zu verbessern! Aufgaben analog zu Versuch 20.3.2!
Literatur:
Literatur
[21], [19], [17], [18], sowie alle sonstigen Bücher zu den Themen Nachrichtenübertragung bzw.
Signalübertragung sowie Optoelektronik.
Durchführung
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
21
Alternativversuch Fraktale
(Nichtlineare Wachstumsprozesse)
Thema 21
68
Thema 21: Lernziele
69
21.1 Lernziele dieses Versuchsthemas
Lernziele
Mit diesem Versuchsthema sollen die Studierenden folgendeLernziele erreichen:
• Kenntnis des Begriffs Fraktal sowie dessen Bedeutung in der modernen Physik.
• Kenntnis des Begriffs fraktale Dimension, insbesondere Kenntnis verschiedener gängiger
Definitionen.
• Einsicht, dass eine mögliche Klassifikation fraktaler Strukturen mittels der fraktalen Dimension erfolgen kann.
• Fähigkeit, spezielle Versuche zur Erzeugung von quasizweidimensionalen Fraktalen durchzuführen (diverse Versuchsaufbauten zur Elektrodeposition).
• Kenntnis des Begriffs Elektrodeposition sowie Wissen, dass diese Folge eines Galvanisationsprozesses ist.
• Fähigkeit, die Boxdimension eines fraktalen Objekts zu bestimmen.
• Einblick in die approximative Bestimmung der Boxdimension von natürlichen (experimentell erzeugten) Fraktalen.
• Kenntnis der Begriffe dendritisches Wachstum sowie Fähigkeit, dieses experimentell zu erzeugen.
• Kenntnis des Begriffs Struktur bzw. Muster am Beispiel von elektrolytischen Abscheidungen
(∗).
• Einsicht in die Exemplarizität des Lerninhalts (∗) sowie Fähigkeit, das im Exemplarischen
verborgene Allgemeine zu erschließen.
21.2 Grundlagen
Grundwissen
Folgende Aufgaben sind schriftlich zu beantworten (Literatur z.B. [24], [25]):
Geben Sie eine möglichst knappe und prägnante Definition folgender Begriffe:
• Fraktal bzw. fraktale Struktur,
• euklidische Dimension,
• Zirkeldimension, Boxdimension, Ähnlichkeitsdimension
• diffusionslimitierte Aggregation (DLA),
• Galvanisieren, Eloxieren
Vorbereitung
Thema 21: Plemumsversuche
70
Vorbereitung
Folgende Aufgaben sind schriftlich zu bearbeiten:
1. Entwickeln Sie einen Freihandversuch zur Erzeugung von Fraktalen mit Butter! Skizze!
Liste der Einzelteile (mit Material-, Größen- bzw. Maßangaben)!
2. Nennen Sie Beispiele natürlicher Fraktale! Mindestens sechs Beispiele mit kurzer Beschreibung (in Stichworten genügt)!
3. Nennen Sie Beispiele selbstähnlicher mathematischer Fraktale, berechnen Sie deren Ähnlichkeitsdimension! Mindestens sechs Beispiele mit kurzer Beschreibung (in Stichworten
genügt)!
21.3 Plemumsversuche
im Plemum
i. Lichtenbergfiguren (durch künstliche Blitze)
ii. Butterfraktale
iii. Viskoses Verästeln
21.4 Versuche
Versuche
Elektrodeposition
Elektrolytische Ablagerungen entstehen beim sog. Galvanisationsprozess (vgl. 21.2.1). Es handelt sich um Abscheidungen an den Elektroden, in einem elektrolytischen Bad. Als Elektrolyt
sind prinzipiell alle Metallsalze verwendbar, jedoch ist Vorsicht geboten: Giftige Substanzen
sind im Unterricht nicht erlaubt. Wir verwenden daher bei unseren Versuchen Kupfersulfatoder Zinksulfatlösungen verschiedener Konzentrationen. Kupfersulfatlösungen in einer Konzentration ≥ 25% sind gesundheitsschädlich (Xn), darunter reizend (Xi). Reines Kupfersulfat ist
gesundheitsschädlich. Zinksulfatlösungen sind relativ ungefährlich, sie sind reizend (Xi) nur bei
Konzentrationen ≥ 20%. Reines Zinksulfatist reizend.
Versuch 1
21.4.1 Vorversuche
Benutzt werden eine ringförmige Kupferanode sowie eine zylinderförmige Kathode. Führen Sie
als Erstes eine Versuchsreihe durch, bei der die Eintauchtiefe der Kathode variiert! Beobachten
Sie dabei die Deposition von Kupfer an der Kathode und notieren Sie Ihre Bobachtungen als
Funktion der Zeit genau (Spannung, Stromstärke, Radius bzw. Durchmesser oder Astlängen,
eletrisches Feld zwischen den Elektroden, Wachstumsgeschwindigkeit, Farbe, Form, Lage)! Insgesamt sind mindestens drei (sinnvolle) Eintauchtiefen D zu wählen! Begründen Sie Ihre Wahl
durch Diskussion der physikalischen Systemparameter.
i. Welche Möglichkeiten gibt es, die gebildete Struktur selbst dauerhaft z.B. in der Art eines
Trockenbilds zu konservieren?
Thema 21: Versuche
71
ii. Nennen Sie mindestens drei prinzipiell mögliche sowie für den Unterrichtseinsatz sinnvolle
Präsentations- und Dokumentationsmöglichkeiten der erzeugten fraktalen Galvanisationsmuster.
iii. Welche Arten der Auswertung der Messdaten, u.a. zur Dimensionsbestimmung der Strukturen erscheinen Ihnen möglich?
iv. Unter welchen Bedingungen und warum tritt sichtbare (unerwünschte!) Gasentwicklung
auf?
v. Welchen Einfluss haben Gasblasen auf das Versuchsergebnis? Um welche Gase handelt es
sich?
Hinweise: Geben Sie für die erste Messreihe des Vervorsuchs in eine Petrischale aus Glas (PS-Schalen
haben einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Mögliche Folge?) eine möglichst dünne Schicht
einer 1-molaren Kupfersulfatlösung. Achten Sie beim Start aller Messreihen auf eine wohldefinierte Kathodenform (absolut plan geschliffenes Kathodenende, absolut plan aufliegende Anode). Überwachen Sie
die Erosion der Kathode. Notieren Sie bei jeder Messung Spannung und Stromstärke als Funktion der
Zeit (Versuchsbegleitende Diagrammerstellung is notwendig)! Systematisieren Sie Ihre Resultate; gegebenenfalls sind Einzelmessungen zu verfeinern!
Geräte
Geräteliste
Vorversuch
2 Petrischale
2 Anode
2 Kathode
2 Isolierstützen
2 Tonnenfüße
3 Multimetere
1 Millimterpapierfolienstreifen
Overhead-Marker
1 Stoppuhr
1 DC-Netzgerät 0–30 V
1 Messleitungen
Kupfersulfatlösungen
1 Sandpapier
1 Pinzette
1 Handschuhe
1 Küchenrolle
1 Flasche
aus Glas
ringförmig aus Cu-Draht
Schweißdraht, L-Form
klein
als durchsichtiges Lineal
in versch. Farben
Konstantstromoption
korrosionsfest - keine Büschelstecker
Konzentrationen 1-molar, 0,5-molar, 0,25-molar
fein
Kunststoff
Vinyl
getrennt sammeln zur Entsorgung
zur Entsorgung der Elektrolytflüssigkeit
21.4.2 Bestimmung der Leitfähigkeit einer flachen Elektrolytschicht
Elektrolytschicht wie in Versuch 21.4.1. Bestimmen Sie den Stromfluss zwischen zwei zylindrischen Elektroden (Kupferdraht oder Schweissdraht voher säubern) in Abhängigkeit vom Abstand
d und Eintauchtiefe D der Elektroden (d zwischen 0,5cm und 8cm varieren). Ergebnis grafisch
auftragen!
Die Ergebnisse der folgenden Messaufgaben sind zu protokollieren, aber nicht wie üblich auszuwerten. Die Auswertung soll die Form einer Lehrerhandreichung haben, in der alles notwendige
zur Durchführung der Veruche im Unterricht niedergelegt sein soll.
Durchführung
Thema 21: Versuche
72
21.4.3 Bestimmung des Saugvermögens von Filterpapier
Ziel dieses Versuchs ist, die Versuchsparameter für Versuch 21.4.4 näher festzulegen. Aus diesem
Grunde soll die Saugfähigkeit verschiedener Filterpapiere getestet werden. Beachten Sie, dass Filtrierpapiere Herstellungstoleranzen zeigen! Versuchen Sie reproduzierbare Versuchsbedingungen
einzuhalten, d.h. identisches Vorgehen bei der Wiederholung der Messung des Saugvermögens
(insbesondere Zeitdauer der Versuchsphasen).
Durchführung
Inwiefern unterscheidet sich das Saugvermögen für destilliertes Wasser von dem für Kochsalzlösungen verschiedener Konzentrationen?
Hinweis: Aus Gründen der Umweltfreundlichkeit benutzen wir Kochsalz- oder Glaubersalzlösungen (Natriumsulfat) diverser Konzentrationen statt Kupfersulfatlösungen für diesen Versuch.
21.4.4 Elektrodeposition auf Filterpapier ohne Deckschicht
Diese Versuchsvariante hat den Vorteil, dass das Produkt des Versuchs leicht konserviert werden
kann. Dazu wird ein geeignetes Rundfilterpapier befeuchtet und blasenfrei in eine Petrischale
gelegt. Anode und Kathode werden wie bei Versuch 21.4.1 konzentrisch positioniert. Die Kathode
soll weder in die Papieroberfläche eindringen, noch über derselben schweben. Mit einer Pipette
oder Spritze wird soweit notwendig zusätzlich etwas Elektrolytlösung aufgetragen. Bestimmen
Sie jeweils die notwendige optimale Menge an Elektrolytlösung. Erzeugen Sie auf der Oberfläche
des Papiers diverse Wachstumsmuster. Ist es sinnvoller die Spannung zwischen den Elektroden
konstant zu halten oder die Stromstärke? Notieren Sie den Durchmesser des Fraktals als Funktion
der Zeit (Bestimmung der Wachstumsgeschwindigkeit). Erstellen Sie hierzu ein Diagramm!
Durchführung
Diskutieren Sie, welche Nachteile und eventuell welche weiteren Vorteile diese Versuchsvariante
bietet!
21.4.5 Elektrodeposition auf Filterpapier mit Deckschicht
Aufbau wie bei Versuch 21.4.4, jedoch wird zusätzlich ein Deckglas auf das Filterpapier gelegt.
Der Abstand zwischen Boden und Deckel der Zelle muss wohldefiniert sein. Benutzen Sie deshalb
drei sogenannte Spacer (Abstandshalter) aus Kunststofffolie. Dicke messen!
Hinweis: Es gibt zwei Realisationsmöglichkeiten für die Stromzufuhr zur quasi punktförmigen Kathode.
Einmal stehen Deckgläser (Glas, Plexiglas oder dicke Folie) mit zentraler Bohrung zur Durchführung
der Kathode zur Verfügung, zum anderen ebene Deckglasscheiben ohne Loch. Im zweiten Fall wird der
dünne Kathodendraht unter dem Deckglas zur Mitte geführt. Zur Herstellung einer solchen liegenden
Kathode ist dünner Kupferlackdraht vorhanden. Ist auch blanker Kupferdraht geeignet? Beurteilen Sie
beide Versuchsvarianten, d.h Deckglas mit Bohrung und Deckglas ohne Bohrung!
Welche Nachteile von Versuch 21.4.4 lassen sich jetzt vermeiden, welche neuen ergeben sich?
Durchführung
Thema 21: Versuche
73
21.4.6 Elektrodeposition zwischen Objekträgern mit Filterpapier
Klemmen Sie einen mit Elektrolytflüssigkeit befeuchteten Filterpapierstreifen sowie zwei Streifen
Kupferfolie als Elektroden zwischen zwei Objektträgerplättchen. Halten Sie das ganze mit zwei
Federclipsen zusammen. Welche Muster ergeben sich? Notieren Sie alle Versuchsparameter.
Durchführung
21.4.7 Elektrodeposition zwischen Objekträgern (pur)
Wie Versuch 21.4.6, jedoch ohne Filterpapier.Die Füllung dieser primitiven, aber funktionsfähigen Zelle kann mit einer Spritze erfolgen.
Hinweis: Achten Sie auf eine exakt horizontale Lagerung der Zelle während des Elektrodepositionsprozesses.
Durchführung
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
22
Granulare Medien
Thema 22
74
75
22.1 Grundlagen
Grundwissen
Vorbereitung
(a) Disperse Systeme
(i) Definieren Sie die Begriffe disperse Phase und Dispersionsmedium!
(ii) Disperse Systeme können nach dem Aggregatzustand des Dispersionsmediums und
dem der dispersen Phase klassifiziert werden. Geben Sie Beispiele für die möglichen
Klassen.
(iii) Nennen Sie Messgrößen durch die disperse Festkörper charakterisiert werden können.
(b) Granulat (Näheres dazu in [26])
Geben Sie eine möglichst knappe und prägnante Definition folgender Begriffe:
(i) Granulat bzw. granulares Medium, Schüttgut
(ii) Böschungswinkel, Schüttwinkel
(iii) Massenfluss, Oberflächenfluss
(iv) Roll- bzw. Stoßwelle bei einer Oberflächenströmung (mit Skizze)
(v) Kinetisches Sieben
Hinweis: Sieben ist ein Korngrößentrennungsprozess!
(c) Brückenbildung (Näheres dazu in [27])
(i) Was versteht man unter dem Phänomen der Brückenbildung?
(ii) Nennen Sie Konsequenzen der Brückenbildung für die Stabilität von Silos bzw. geeignete Entnahmetechniken (z.B. in Betonwerken)!
(d) Instabilitäten (Näheres dazu in [26] und [28])
(i) Was versteht man unter dem Schlagwort self-organized-criticality?
(ii) Was vertsteht man unter stick-slip-Instabilität?
(iii) Was versteht man unter Lawineninstabilität?
(e) Zeitmessung durch Massenfluss
Warum ist der Massenfluss in einer Sanduhr, d.h. die Auslaufmenge pro Zeiteinheit, unabhängig von der Füllmenge (Näheres dazu in [27])? Formulieren und diskutieren Sie das
analoge Problem für eine Wasseruhr!
Vorbereitung
Folgende Aufgaben sind schriftlich zu bearbeiten:
1. Entwickeln Sie einen Freihandversuch zur Lawineninstabilität! Skizze! Liste der Einzelteile
(mit Material-, Größen- bzw. Maßangaben)!
Thema 22: Versuche
76
Hinweis: z.B. Rahmenloser Bilderhalter als Grundbaustein!
2. Nennen Sie technische Anwendungen und natürliche Vorkommen von Granulaten! Jeweils
mindestens sechs Beispiele mit kurzer Beschreibung (in Stichworten genügt)!
3. Wie läßt sich technisch ein Mischen granularer Medien realiseren? Geben Sie verschiedene
Methoden mit Einsatzbeispiel an!
4. Wie läßt sich technisch ein Separieren granularer Medien nach Korngößen realisieren? Geben
Sie mindestens drei Methoden an!
5. Schätzen Sie ab, wieviele und welche (Produktgruppen genügen) granulare Medien Schülern
der S1 (das sind Klassen 5 - 10) bekannt sind.
22.2 Versuche:
Versuche
22.2.1 Schüttungen in einem quasi-zweidmensionalen Silo
Für alle Schüttungen werden quasi-zweidmensionalen Silos, sog. Hele-Shaw-Zellen benutzt. Zum
Ein- oder Umfüllen einen geeignet befestigten Trichter verwenden. Die Schüttversuche in einer
Wanne ausführen. Um die einzelnen Granulatproben sortenrein zu erhalten, die Schüttwanne
nach jedem Schüttgutwechsel mit der Bürste säubern!
Sicherheitshinweis: Keine Körner auf den Boden streuen! Es besteht Sturzgefahr!
Einkomponentige Granulate
Substanzgruppe A: Einkomponentige rundliche und kugelförmige monodisperse Granulate,
Substanzgruppe B: Einkomponentige unregelmäßig geformte und kantige monodisperse
Granulate
22.2.1a Bestimmung des Böschungswinkels einer Schüttung
Bestimmen Sie jeweils den Böschungswinkel der Elemente der Substanzgruppen A und B. Legen
Sie dazu eine Overheadfolie an ein quasi-zweidimensionales Silo (Hele-Shaw-Zelle) an, und zeichnen Sie bei gleicher maximaler Füllhöhe oder identischer Basislänge der jeweiligen Schüttungen
den Verlauf der Granulatoberfläche mit Folienstift auf!
Erstellen Sie einen Graphen, der die Abhängigkeit des Böschungswinkels von der Granulatsorte
(Material, Form, Durchmesser) belegt! Welche Tendenzen lassen sich entnehmen?
Hinweis: Reinigen Sie vor Einfüllen eines neuen Granulattyps das Silo mit einem Pinsel und/oder
einer Bürste von etwaigen Resten!
Durchführung
Thema 22: Versuche
77
22.2.1b Demonstration des Oberflächenflusses
Benutzen Sie ein relativ grobkörniges Granulat (φ ≥ 0, 8mm), um den Oberflächenfluss bei einer
Lawinenströmung zu studieren! Wieviele Lagen von Körnern sind in Bewegung? Welche Aussagen lassen sich über die(zeitliche) Form der Grenzfläche zwischen eingefrorenen und bewegten
Körnern machen?
Durchführung
Hinweis: Zum Studium von Lawinen steht auch eine quasi-zweidimensionale Trommel (Durchmesser dinnen =26cm) gefüllt mit einer ternären Mischung sowie mehrere dreidimensionale Trommeln (dinnen =9,5cm) zur Verfügung. Die Füllung mit einer Mischung aus Glaskugeln zweier
Farben (Durchmesserdispersion 0, 40mm ≤ φ ≤ 0, 60mm) eignet sich zum Studium von Partikeltrajektorien.
Zweikomponentige (binäre) Granulatmischungen
Substanzgruppe C: Zweikomponentige rundliche und kugelförmige Granulate
Substanzgruppe D: Zweikomponentige unregelmäßig geformte und kantige Granulate
22.2.1c Segregation, Roll- und Stoßwellen, Subsysteme der Mischung von Versuch 22.2.1d
Realisieren Sie bei der Schüttung einer zweikomponentigen Mischung (Substanzgruppen C und
D) die Fälle totale Entmischung, partielle Entmischung sowie Stratifikation! Bei totaler und
partieller Entmischung ist der Verlauf der Grenzflächen zwischen den Komponenten auf Folie
festzuhalten! Skizzieren Sie Roll- und Stoßwellen!
Durchführung
Hinweis: Die Strukturbildungseffekte sind sehr sensibel gegenüber der Zuflussrate an Granulat.
Wie können Sie diese steuern, wie messtechnisch erfassen? Eine Entmischung bereits im Trichter
ist zu vermeiden.
Dreikomponentige (ternäre) Granulatmischungen
22.2.1d Synergetische Effekte bei Schüttungen
Untersuchen Sie eine ternäre Mischung bestehend aus bereits von Ihnen untersuchten binären
Teilkomponenten auf eventuelle Entmischung! Ist das Verhalten der ternären Mischung aus der
Kenntnis des Verhaltens aller binären Teilkomponenten (Subsysteme) vorhersagbar?
22.2.2 Granulatbewegung in rotierenden Mischtrommeln
Bestimmen Sie im Falle der Existenz Wellenlänge sowie Farbfolge der Strukturen!
Vorsicht: Den Motor des kleinen Walzenrollers maximal mit 6V Gleichspannung betreiben!
Durchführung
Thema 22: Weitere Aufgaben zur Auswertung
78
Einkomponentige Granulate
22.2.2a Oberflächenfluss in rotierenden Trommeln
Studieren Sie das Verhalten einer einkomponentigen Mischung (eventuell ca. 0,1% gefärbte Tracerteilchen verwenden) in einem Walzenmischer in Abhängigkeit von Füllgrad und Drehzahl!
Durchführung
Zweikomponentige (binäre) Granulatmischungen
22.2.2b Segregation bei variierender Korngröße
Rotieren Sie die in Tabelle 1 (kann im Netz heruntergeladen werden) angegebenen binären
Mischungen mit Hilfe des kleinen Walzenmischers. Ergänzen Sie die Tabelle sorgfältig, Gefäßtyp
angeben!
Durchführung
22.2.2c Subsysteme der ternären Mischung von Versuch 22.2.2d
Durchführung
Rotieren Sie die binären Mischungen
(i) Glaskugeln-Sand,
(ii) Mohn-Sand und
(iii) Mohn-Glaskugeln
mit Hilfe des kleinen Walzenmischers. Notieren Sie die Daten der Proben sorgfältig, Gefäßtyp
angeben!
Dreikomponentige (ternäre) Granulatmischungen
22.2.2d Variation der Gefäßgröße und des Füllgrades
Untersuchen Sie das Verhalten des Probensatzes ternärer Mischungen (Glaskugeln-Sand-Mohn)
bei verschiedenen Rotationsfrequenzen, Füllungsgraden der Trommel als Funktion der Konzentration der einzelnen Komponenten! Sechs Proben sind fertig abgefüllt. Wann können Sie einen
synergetischen Effekt der Subsysteme nachweisen?
22.3 Weitere Aufgaben zur Auswertung - freiwillig
Die Bearbeitung dieser Frage ist freiwillig.
Fertigen Sie eine schriftliche Unterrichtsplanung in Form einer Unterrichtsskizze zu einer Unterrichtseinheit in der die Lawineninstabilität Lerninhalt sein soll (unter Angabe von Lernvoraussetzungen, Lernzielen, Verlaufsplan in Tabellenform, Tafelbild bzw. Folien und Hefteintrag bzw.
Arbeitsblatt).
Durchführung
Auswertung
Dr. S.M. Weber
Didaktik der Physik
Sekundarstufe I
[1] Heidemann, K. und Kelle, K. (1973), Physik in Schülerversuchen, Phywe-Schriftenreihe
(Göttingen).
[2] Friedrichs, B. und Helms, A. (1977), Physik in Demonstrationsversuchen, 7. - 10. Schuljahr,
Ausgabe A/B Mechanik 1, Phywe-Schriftenreihe (Göttingen).
[3] Kelle, K. (1976), Physik in Demonstrationsversuchen, 7. - 10. Schuljahr, Ausgabe A/B
Wärme, Phywe-Schriftenreihe (Göttingen).
[4] Helms, A. und May, A. (1977), Physik in Demonstrationsversuchen, 7. - 10. Schuljahr,
Ausgabe A/B Elektrizität 1, Phywe-Schriftenreihe (Göttingen).
[5] Helms, A. und May, A. (1977), Physik in Demonstrationsversuchen, 7. - 10. Schuljahr,
Ausgabe A/B Elektrizität 2, Phywe-Schriftenreihe (Göttingen).
[6] PHYWE Physik Hauptkatalog P 0490, Göttingen.
[7] PHYWE Physik Systemkatalog 98.04.40, Göttingen.
[8] PHYWE (1974), Physik in Demonstrationsversuchen, 5. - 10. Schuljahr, Ausgabe C, Teil
1, Phywe-Schriftenreihe (Göttingen).
[9] PHYNA Nr. 134, S. 21ff
[10] Kuhn, Wilfried (Hrsg.), Lehrbuch der Physik, Westermann.
[11] Physikalische Schulversuche, Aulis Verlag Deubner & Co, Köln. (im Semesterapparat vorhanden!)
[12] Vogel, H., Gerthsen Physik, Berlin, Heidelberg. (diverse Auflagen)
79
80
[13] Rhett Herman (2001), Am. J. Phys., Vol. 69 (9), 943–952.
[14] Ana Osella, Gabriel Chao, and Federico Sánchez (2001), Am. J. Phys. 69 (4),455 - 461.
[15] Kittel, Charles (1980), Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg (München [u.a.]),
Kapitel 18.
[16] Bergmann L., Schäfer C. (2008), Lehrbuch der Experimentalphysik Band 1, 12. Auflage,
De Gruyter (Berlin), Kapitel 9.
[17] Camies, B.S. (1959), Principles of Frequency Modulation (im Semesterapparat vorhanden!)
[18] Aschoff, Volker (1968), Nachrichtenübertragungstechnik, Springer Verlag (im Semesterapparat vorhanden!)
[19] Beuth, Klaus, Bauelemente (Elektronik 2), Vogel Verlag (im Semesterapparat vorhanden!)
[20] Beuth, Klaus, Grundschaltungen (Elektronik 3), Vogel Verlag (im Semesterapparat vorhanden!)
[21] Tietze, U. und Schenk, Ch., Halbleiterschaltungstechnik, 9. Auflage, Springer Verlag (Berlin)
[22] Hammer, A., Knauth, H., Kühnel, S., (ab 1980 alle Auflagen) Physik, Sekunfarstufe I, 10.
Jahrgangsstufe, Ausgabe A, Oldenbourg, München.
[23] Hammer, A., Knauth, H., Kühnel, S., (1999), Physik/10 – Addita Teil 2, Einführung in
die Halbleiterphysik, Steuern und Regeln mit Elementen der Mikroelektronik, Oldenbourg,
München.
[24] Nordmeier, Volkhard (1999), Zugänge zur nichtlinearen Physik am Beispiel fraktaler Wachstumsphänomene, LIT-Verlag (Münster)
[25] Weber, S.M., Didaktik Komplexer Systeme, Teil Fraktale, Teil der Vorlesungsreihe Fachdidaktik D (auch Fachdidaktik K), Universität Bayreuth
[26] Weber, S.M., Experimentieren mit Granularen Medien, in: Didaktik der Physik, Vorträge,
DPG Frühjahrstagung Regensburg 1998 (80/UB 4080 D555.998)
[27] Weber, S.M., Granulare Materie I - Schüttgut in Ruhe - ein ungewöhnlicher Festkörper,
http://www.physikdidaktik.uni-bayreuth.de/projekte/piko/granu1/
Eine PDF-Version finden Sie im Online-Archivb (Die Handreichungen zum Projekt piko Physik im Kontext http://www.uni-kiel.de/piko/ wurden entfernt:
http://www.uni-kiel.de/piko/downloads/Granulare_Materie.pdf)
[28] Gray, J.M.N.T. und Hutter, K., Physik granularer Lawinen, Phys.Bl.54 (1998) Nr.1, S.37
(84/UA 6800-54,1)

Teil 2 - Didaktik der Physik!

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