Schüler-Lernplattform: Mathematik, Physik, Informatik & Nachhilfe

Worum geht es?

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Warum macht man dieses Experiment?

Fast jede quantitative Aussage der Elektrizitätslehre stützt sich auf gemessene Stromstärken : das ohmsche Gesetz, Kennlinien, Leistungsberechnungen. Wer das Amperemeter falsch einbaut, misst nicht nur falsch, sondern kann das Gerät zerstören. Und wer nur Gleichstrom kennt, versteht die Steckdose nicht: Unser Stromnetz liefert Wechselstrom, dessen Stärke und Richtung sich fünfzigmal pro Sekunde ändern. Dieses Experiment legt beides an: sauberes Messen und das Verständnis beider Stromarten.

Die physikalische Idee

Ein Amperemeter zählt gewissermaßen die durchfließende Ladung pro Zeit. Damit es das kann, muss der gesamte Strom durch das Gerät hindurch : Das Amperemeter wird in Reihe in den Kreis eingebaut, wie ein Wasserzähler in die Leitung. Für Wechselstrom braucht es zusätzlich ein Messgerät, das schnelle Änderungen sichtbar macht. Ein Zeigerinstrument ist dafür zu träge, deshalb kommt ein Oszilloskop (oder ein Messinterface) zum Einsatz, das den Verlauf über der Zeit als Kurve zeichnet.

Benötigtes Vorwissen

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

Wissenschaftliche Einordnung

Die Einheit Ampere gehört zu den Basiseinheiten des internationalen Einheitensystems und ist nach André-Marie Ampère benannt, der ab 1820 die Kraftwirkung zwischen stromdurchflossenen Leitern untersuchte. Der „Stromkrieg“ um 1890 zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystemen wurde zugunsten des Wechselstroms entschieden, weil sich dessen Spannung mit Transformatoren verlustarm wandeln lässt.

Versuchsziel

Was möchtest du untersuchen?

Aktuelles Versuchsziel

Gleich- und Wechselstrom vergleichen

0{,}5\ \mathrm{A}

Gemessen

$I$ — Gleichstromstärke (in $A$ ) $Konstanter Wert am Gleichausgang, gemessen mit dem Amperemeter im Gleichstrombereich.$
$I_{eff}$ — Effektivwert des Wechselstroms (in $A$ ) $Anzeige im Wechselstrombereich. Der Vergleich der Lampenhelligkeit bei gleichem Zahlenwert prüft die Bedeutung des Effektivwerts.$

Für diese Zielsetzung brauchst du:

$I_{eff} = \frac{I ^}{2}$ $Übersetzt zwischen dem Anzeigewert des Messgeräts und dem Scheitelwert des Verlaufs.$ Zur Formelsammlung

1Aufgabenstellung

0{,}50\ \mathrm{A}

2Vorbetrachtung

I_\mathrm{eff} = 0{,}50\ \mathrm{A}

Gleichstrom und Wechselstrom im direkten Vergleich

Simulation — berechnete Werte, keine Messung

Deine Aufgabe: Vergleiche beide Seiten: Stelle die Gleichspannung links so ein, dass sie genauso stark wirkt wie die Wechselspannung rechts. Tipp: Die gestrichelte Marke rechts verrät den passenden Wert.

GleichspannungDC

Stromstärke i(t) = konstant

GleichspannungU = 6 V

wirkt wie

6 V

Stromstärke I = U/R

60 mA

WechselspannungAC

Stromstärke i(t)

Scheitelspannunghöchster Wert der SchwingungÛ = 8 VFrequenzwie schnell die Spannung wechseltf = 50 Hzlangsamschnell

wirkt wie (Effektivwert)

5,7 V

I_eff = U_eff/R

56,6 mA

Widerstandgilt für beide SeitenR = 100 Ω

Trotz ständiger Schwankung hat die Wechselspannung eine feste Wirkung: Mit Û = 8 V heizt sie einen Widerstand genauso stark wie eine Gleichspannung von 5,7 V. Genau das bedeutet Effektivwert.

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3Geräte / Stoffe

Grundbestand; das Netzgerät muss Gleich- und Wechselausgang mit vergleichbarer Spannung bieten. Falls zwei gleiche Lampen vorhanden sind, lassen sich beide Kreise nebeneinander aufbauen und direkt gleichzeitig vergleichen.

Schülernetzgerät mit Gleich- und Wechselausgang
$Quelle für beide Betriebsarten: wahlweise Gleichspannung (DC) oder Wechselspannung (AC) im Kleinspannungsbereich.$
Glühlampe mit Fassung (z. B. 6 V / 3 W)
$Verbraucher, an dem die Stromstärke gemessen wird; zeigt den Stromfluss zusätzlich sichtbar an.$
Amperemeter (Vielfachmessgerät)
$I$
Oszilloskop oder Messinterface mit Stromsensor
$i(t)$
Schalter und Leitungen
$Schließen und öffnen den Kreis.$

4Skizze des Versuchsaufbaus

Zwei identische Schaltpläne nebeneinander; einziger Unterschied ist das Quellensymbol (Gleichspannung: lange und kurze Striche, Wechselspannung: Wellenlinie im Kreis). Diese Gegenüberstellung in der Skizze ist bereits das halbe Ergebnis: Alles außer der Quelle ist gleich.

Die Grundregel der Messschaltung: Das Amperemeter liegt in Reihe (der ganze Strom fließt hindurch), das Voltmeter parallel. Wer das Amperemeter parallel zur Quelle schaltet, baut einen Kurzschluss durch das Messgerät.

Der Grundaufbau ist der einfache Stromkreis aus Quelle, Schalter und Lampe. Für Zielsetzung A wird ein Amperemeter nacheinander an verschiedenen Stellen in den Kreis eingefügt. Für die Zielsetzungen B und C wird die Gleichquelle gegen einen Kleinspannungs-Wechselausgang des Netzgeräts getauscht und der Verlauf mit dem Oszilloskop betrachtet.

5Durchführung

0{,}50\ \mathrm{A}

6Beobachtung

Vergleich bei gleichem Anzeigewert 0,50 A

$Beobachtung$	$Gleichstrom$	$Wechselstrom$
$Lampenhelligkeit$	$hell$	$gleich hell$
$Oszilloskopbild$	$waagerechte Linie$	$T = 20\ \mathrm{ms}$
$Amperemeter im DC-Bereich$	$0{,}50\ \mathrm{A}$	$0$
$Amperemeter im AC-Bereich$	$zeigt nicht sinnvoll an$	$0{,}50\ \mathrm{A}$

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

f = 50\ \mathrm{Hz}

8Fazit

Gleich- und Wechselstrom gleichen Effektivwerts sind in ihrer Heiz- und Leuchtwirkung gleichwertig, unterscheiden sich aber grundlegend im zeitlichen Verlauf: konstante Stärke und Richtung gegen periodischen Wechsel. Messgeräte müssen zur Stromart passen: Der DC-Bereich zeigt beim Wechselstrom den Mittelwert null.

9Fehlerbetrachtung

Beim Helligkeitsvergleich ist das Auge das schwächste Messgerät:

Subjektiver Helligkeitsvergleicheher zufällig

Ursache: $Das Auge vergleicht Helligkeiten schlecht, besonders nacheinander statt gleichzeitig.$
Auswirkung: $Kleine Helligkeitsunterschiede (einige Prozent) bleiben unbemerkt; der Versuch bestätigt die Gleichwertigkeit nur grob.$
Verbesserung: $Zwei gleiche Lampen gleichzeitig nebeneinander betreiben oder ein Luxmeter (Handy-Sensor) verwenden.$

Ausgänge des Netzgeräts nicht exakt gleich eingestellteher systematisch

Ursache: $Gleich- und Wechselausgang lassen sich nicht immer auf exakt denselben Stromwert regeln.$
Auswirkung: $Ein Helligkeitsunterschied kann an der Einstellung liegen statt an der Stromart.$
Verbesserung: $Stromwert in beiden Betriebsarten mit demselben Messgerät kontrollieren und notieren.$

Das Wichtigste

Messregel: $Das Amperemeter wird in Reihe eingebaut: Der gesamte Strom muss hindurchfließen. Parallel geschaltet wirkt es als Kurzschluss.$
Unverzweigter Kreis: $In einem unverzweigten Kreis ist die Stromstärke an jeder Stelle gleich groß. Strom wird nicht „verbraucht“: Was in die Lampe hineinfließt, fließt auch wieder heraus. Die Lampe wandelt elektrische Energie um, nicht Strom.$
Gleichstrom: $I$
Wechselstrom: $i(t) = \hat{I} \cdot \sin(2\pi f \cdot t)$
Effektivwert: $I_\mathrm{eff}$

Stromstärke messen