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Kennlinien aufnehmen

SchulversuchElektrizitätslehreKlasse 8Standard

Worum geht es?

Trägt man für ein Bauteil die II über der UU auf, entsteht seine Kennlinie. Sie zeigt auf einen Blick, wie das Bauteil auf Spannung reagiert: gehorsam linear (Widerstand), gekrümmt (Glühlampe) oder mit Ventilverhalten (Diode und LED). Die Messschaltung ist immer dieselbe; nur der Prüfling wechselt.

Warum macht man dieses Experiment?

Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus : In jedem Netzteil arbeiten Dioden, in jeder Anzeige LEDs. Für solche Bauteile gibt es keinen festen Widerstandswert, den man nachschlagen könnte; ihr Verhalten steckt vollständig in der Kennlinie. Wer Kennlinien aufnehmen und lesen kann, kann jedes unbekannte Zweipol-Bauteil charakterisieren und versteht nebenbei, warum eine LED nie ohne Vorwiderstand betrieben werden darf.

Die physikalische Idee

Die wird in kleinen Schritten erhöht und die jeweils gemessen: Jede Einstellung liefert einen Punkt der Kennlinie. Bei Bauteilen mit steilem Anstieg (Diode, LED) müssen die Schritte im steilen Bereich besonders fein sein, sonst springt die Kurve. Die Deutung folgt aus der Form: konstanter Quotient U/IU/I heißt ohmsch, wachsender Quotient heißt zunehmende Hemmung, ein Knick heißt Schwellenverhalten.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Kennlinien sind das Standardwerkzeug der Elektronik seit den ersten Vakuumröhren um 1900: Datenblätter jedes Halbleiterbauteils enthalten bis heute genau die Diagramme, die in diesem Versuch von Hand entstehen.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Kennlinie eines Widerstands

Nimm die Kennlinie eines Festwiderstands auf. Sie dient als Referenz: An ihr siehst du, wie die Kennlinie eines idealen ohmschen Bauteils aussieht, und kannst alle weiteren Kennlinien dagegen halten.

Gemessen

  • — Spannung (in )

    Wird in gleichmäßigen Schritten eingestellt.

  • — Stromstärke (in )

    Antwort des Bauteils; zusammen mit U ergibt jedes Paar einen Kennlinienpunkt.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die Erwartung für den ohmschen Widerstand: eine Ursprungsgerade mit Steigung 1/R.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Nimm für einen Festwiderstand (100 Ω100\ \Omega) die Kennlinie zwischen 00 und 10 V10\ \mathrm{V} in Schritten von 2 V2\ \mathrm{V} auf und zeichne sie.

2Vorbetrachtung

Aus dem folgt die Erwartung: I=U/RI = U/R, also eine Ursprungsgerade mit der Steigung 1/R=0,01 A/V1/R = 0{,}01\ \mathrm{A/V}, das heißt 10 mA10\ \mathrm{mA} je Volt. Diese Vorhersage vor der Messung aufzuschreiben ist wichtig: Nur eine ausgesprochene Erwartung kann von der Messung bestätigt oder widerlegt werden.

3Geräte / Stoffe

Messschaltung mit dem 100-Ω-Widerstand als Prüfling; kein Schutzwiderstand nötig, das Bauteil begrenzt den Strom selbst.

  • Regelbares Netzgerät (Gleichspannung, fein einstellbar)

    Liefert die schrittweise veränderte .

  • Prüflinge: Festwiderstand 100 Ω, Glühlampe 6 V, Si-Diode, rote LED

    Die vier Bauteile, deren Kennlinien verglichen werden.

  • Schutzwiderstand (z. B. 100 Ω)

    Begrenzt den Strom durch Diode und LED im steilen Kennlinienbereich.

  • Amperemeter und Voltmeter

    Messen Strom durch den Prüfling und am Prüfling.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Schaltplan der U-I-Messschaltung; daneben das vorbereitete Diagramm mit U auf der Rechtsachse (0 bis 10 V) und I auf der Hochachse (0 bis 100 mA).

Zwei Kennlinien, die keine Geraden sindGlühlampeUIheißer Draht, größerer RDiodeUI0,7 Verst ab der SchwelleU = R · I gilt für ohmsche Leiter, nicht für alles

Zwei nichtlineare Kennlinien im Vergleich zur Geraden des ohmschen Widerstands: Die Glühlampe flacht ab (ihr Widerstand wächst mit der ), die Diode sperrt erst und leitet dann steil.

Messschaltung wie bei der U-I-Methode: regelbare Gleichspannungsquelle, Amperemeter in Reihe, Voltmeter parallel zum Prüfling. Der Prüfling sitzt in einer Steckfassung und wird zwischen den Zielsetzungen getauscht. Für Diode und LED kommt ein Schutzwiderstand in Reihe dazu.

5Durchführung

von 00 bis 10 V10\ \mathrm{V} in 2-V-Schritten erhöhen, je Schritt beide Werte gleichzeitig ablesen, Punkt sofort ins Diagramm eintragen. Das sofortige Eintragen deckt Ausreißer auf, solange sich der Messpunkt noch wiederholen lässt.

6Beobachtung

Kennlinie des Festwiderstands (100 Ω100\ \Omega)
UU in V\mathrm{V}II in mA\mathrm{mA}
00
2,020
4,040
6,060
8,080
10,0100

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Die Punkte liegen auf einer Ursprungsgeraden mit Steigung 10 mA/V10\ \mathrm{mA/V}, wie vorhergesagt. Der Kehrwert der Steigung ist der Widerstand: R=100 ΩR = 100\ \Omega, konstant über den ganzen Bereich. Diese Gerade ist die Referenz: Jede Abweichung von der Geradenform bei den nächsten Prüflingen zeigt nicht-ohmsches Verhalten an.

8Fazit

Die Kennlinie des Festwiderstands ist eine Ursprungsgerade: Er ist ein ohmsches Bauteil, vollständig durch den einen Wert R beschrieben.

9Fehlerbetrachtung

Die Fehlerquellen entsprechen denen der Gesetzesprüfung (Erwärmung, Nullpunkt, Ablesung); bei diesem robusten Prüfling bleiben sie klein.

Erwärmung bei den oberen Messpunkteneher systematisch

Ursache

Bei 10 V10\ \mathrm{V} setzt der Widerstand 1 W1\ \mathrm{W} um.

Auswirkung

Der letzte Punkt kann minimal unter der Geraden liegen (Widerstand leicht erhöht); der Effekt bleibt unter der Ablesegenauigkeit.

Verbesserung

Kurz messen, Pausen einlegen.

Ablesefehlereher zufällig

Ursache

Begrenzte Skalengenauigkeit beider Geräte.

Auswirkung

Punkte streuen leicht um die Gerade, ohne System.

Verbesserung

Messbereiche ausnutzen, mehrfach ablesen.

Das Wichtigste

Kennlinie

Das II-UU-Diagramm eines Bauteils. Die Messschaltung ist immer dieselbe; die Kurvenform charakterisiert das Bauteil.

Vier Formen

Widerstand: Ursprungsgerade. Glühlampe: abflachende Kurve (Widerstand wächst mit der Fadentemperatur). Diode/LED: Ventil mit Schwellenspannung, darunter sperrend, darüber steil leitend.

Kein fester R-Wert

Für nichtlineare Bauteile gibt es keinen konstanten Widerstand: Der Quotient U/IU/I hängt vom Arbeitspunkt ab.

Vorwiderstand

LEDs brauchen immer einen strombegrenzenden : RV=(UQuelle−ULED)/ILEDR_V = (U_\mathrm{Quelle} - U_\mathrm{LED})/I_\mathrm{LED}.

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