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U-I-Kennlinie einer Glühlampe

Hinweis

Es wird darauf hingewiesen, dass für jedes Experiment entsprechend der eigenen Durchführung vor der erstmaligen Aufnahme der Tätigkeit eine Gefährdungsbeurteilung durchgeführt und dokumentiert werden muss. Jede fachkundige Nutzerin/jeder fachkundige Nutzer muss die aufgeführten Inhalte eigenverantwortlich prüfen und an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassen.

Weder die Redaktion des Lehrerfortbildungsservers noch die Autorinnen und Autoren der veröffentlichten Experimente übernehmen jegliche Haftung für direkte oder indirekte Schäden, die durch exakten, veränderten oder fehlerhaften Nachbau und/oder Durchführung der Experimente entstehen. Weiterführende Informationen erhalten Sie unter www.gefahrstoffe-schule-bw.de

Lernziel:
Sie lernen, einen Versuch mit CASSY zu planen und durchzuführen und bei der Auswertung eine näherungsweise Tangente an eine Kurve in einem Messpunkt zeichnen zu lassen.

Planen Sie einen Versuch zur Aufnahme der U-I-Kennlinie einer Glühlampe (12 V / 30 W). Nutzen Sie dabei Ihre Kenntnisse zum Planen von Experimenten aus der Mittelstufe! Untersuchen Sie dabei auch, wie sich die Lampe verhält, wenn man zunächst die Spannung von 0 V bis 12 V erhöht und anschließend die Spannung von 12 V beginnend auf 0 V erniedrigt.

Versuchsaufbau Kennlinie Glühlampe

  1. Wählen Sie die Achsenbelegung so, dass die Messwerte möglichst das ganze Diagrammfenster ausfüllen.
  2. Lassen Sie Verbindungslinien einzeichnen. Ist eine graphische Anpassung möglich?
  3. Vergleichen Sie die Kurven bei Erhöhung und Verminderung der Spannung. Interpretieren Sie deren Verlauf!
  4. Bestimmen Sie näherungsweise den differentiellen Widerstand r bei einer Spannung von 6,0 V.

    Hinweise und Hilfen:
    Es handelt sich hier um eine nichtlineare Strom-Spannungs- Kennlinie , wie sie bei vielen elektrischen Bauteilen vorkommt. Der Quotient ist dabei für jedes Strom-Spannungspaar unterschiedlich. Das Ohm'sche Gesetz gilt nicht und man kann nicht von einem Ohm'schen Widerstand für dieses Gerät sprechen. Kleine Spannungsänderungen sind jedoch näherungsweise proportional zu kleinen Stromänderungen. Der Quotient aus kleiner Spannungsänderung und zugehöriger Stromänderung bei einer bestimmten Spannung wird als differentieller Widerstand r bezeichnet. In einem Diagramm, in dem I über U aufgetragen wird, entspricht er dem Kehrwert der Steigung der Tangente am betrachteten Punkt der Kennlinie. Der differentielle Widerstand ist mathematisch gesehen die momentane Änderungsrate der Funktion am Messpunkt.

    Zeichnen Sie eine Ausgleichsgerade mit 3 Messpunkten in der Umgebung von 6,0 V und geben Sie den differentiellen Widerstand r näherungsweise an!

  5. Stellen Sie die elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Spannung graphisch dar und interpretieren Sie den Kurvenverlauf.

    Kennlinien Glühlampe

  6. Ermitteln Sie die Temperatur des Glühfadens dieser Glühlampe!
    1. Bei verschiedenen Temperaturen besitzt ein elektrischer Leiter verschiedene elektrische Widerstände. Bei metallischen Leitern nimmt der Widerstand mit Erhöhung der Temperatur des Leiters zu. In der Literatur findet man dazu folgende Beziehung:
      R 2 =R 1 (1+α⋅Δϑ)
      Δϑ  : Temperaturzunahme
      R 1 : elektrischer Widerstand bei niedriger (Umgebungs-) Temperatur ϑ 1
      R 2 : elektrischer Widerstand bei Glühtemperatur (Betriebszustand) ϑ 2
      α : Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes
      Interpretieren Sie diese Gleichung.
      Der Temperaturkoeffizient für Wolfram beträgt α = 4,5⋅10 -3 1/°C. Außerdem gilt: Δϑ=ϑ 2 21 .
    2. Die Idee ist, dass bei sehr kleiner Spannung der Glühdraht noch nicht erhitzt wird und damit die Umgebungstemperatur ϑ 1 hat. Ermitteln Sie den elektrischen Widerstand R 1 bei möglichst kleiner Spannung und den elektrischen Widerstand R 2 bei leuchtender Lampe. Bestimmen Sie damit annähernd die Temperatur des Glühfadens. Vergleichen Sie mit der Schmelztemperatur von Wolfram!

Download

Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht mit CASSY-Lab 1: Herunterladen [doc] [1,3 MB]

Einführung in den Gebrauch des Pocket-CASSY im Physikunterricht mit CASSY-Lab 2: Herunterladen [doc] [1,3 MB]

 

Weiter mit Anwendungen: Einschaltvorgang eines Glühlämpchens