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Widerstand messen

SchulversuchElektrizitätslehreKlasse 8–11Standard

Worum geht es?

Der RR beschreibt, wie stark ein Bauteil den Stromfluss hemmt: R=U/IR = U/I. Er wird nicht direkt angezeigt, sondern aus zwei Messungen berechnet. Dieses etabliert die Messmethode und beantwortet dann eine Frage, die oft falsch beantwortet wird: Ändert ein ohmscher Widerstand seinen Wert, wenn Wechselstrom statt Gleichstrom fließt?

Warum macht man dieses Experiment?

Die U-I-Methode ist das Standardverfahren, mit dem auch Kennlinien, Innenwiderstände und Materialkonstanten bestimmt werden: Wer sie beherrscht, kann jedes Zweipol-Bauteil charakterisieren. Der Wechselstromteil beugt einem verbreiteten Missverständnis vor: Nicht „der Widerstand ändert sich bei Wechselstrom“, sondern zusätzliche Größen (Reaktanzen von und ) kommen bei anderen Bauteilen ins Spiel. Für den selbst ändert sich nichts.

Die physikalische Idee

Man legt eine bekannte an, misst den Strom und bildet den Quotienten. Wiederholt man das bei mehreren Spannungen, prüft man nebenbei, ob der Quotient konstant bleibt, also ob sich das Bauteil „ohmsch“ verhält. Für den Wechselstromteil wird dieselbe Messung mit Effektivwerten wiederholt: Stimmen die Quotienten überein und laufen u(t)u(t) und i(t)i(t) im Takt, verhält sich das Bauteil bei beiden Stromarten gleich.

Benötigtes Vorwissen

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

Wissenschaftliche Einordnung

Georg Simon Ohm fand den nach ihm benannten Zusammenhang 1826 mit selbstgebauten Messinstrumenten an Metalldrähten. Die klare Unterscheidung von Widerstand, Reaktanz und Impedanz entwickelte die Elektrotechnik Ende des 19. Jahrhunderts, als Wechselstromnetze praktisch wichtig wurden.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Widerstand mit der U-I-Methode bestimmen

Bestimme den Widerstand RR eines Bauteils aus gemessener und , und prüfe durch eine zweite Messung bei anderer Spannung, ob der Wert konstant bleibt.

Gesucht

  • — Elektrischer Widerstand (in )

    Lässt sich nicht direkt anzeigen, sondern nur als Quotient zweier Messgrößen bestimmen.

Gemessen

  • — Spannung am Bauteil (in )

    Wird parallel am Bauteil gemessen; sie treibt den Strom durch das Bauteil.

  • — Stromstärke durch das Bauteil (in )

    Wird in Reihe gemessen; sie ist die Antwort des Bauteils auf die angelegte Spannung.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Definition des Widerstands: Sie macht aus den zwei Messwerten die gesuchte Größe.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

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

1Aufgabenstellung

Bestimme den Widerstand eines Festwiderstands (Nennwert 20 Ω20\ \Omega) mit der U-I-Methode. Führe die Messung bei zwei verschiedenen durch und vergleiche die Ergebnisse miteinander und mit dem Nennwert.

2Vorbetrachtung

Warum zwei Messungen? Eine einzelne Messung liefert einen Zahlenwert, aber keine Kontrolle. Die zweite Messung bei anderer prüft zweierlei zugleich: ob grobe Fehler vorliegen (dann wichen die Werte stark voneinander ab) und ob sich das Bauteil ohmsch verhält, also der Quotient U/IU/I von der Spannung unabhängig ist. Bei einem Metallschichtwiderstand ist das zu erwarten, solange er nicht heiß wird; bei einer Glühlampe wäre es falsch.

Woher kommt die Formel? R=U/IR = U/I ist die Definition des Widerstands: Man vereinbart, das Verhältnis von treibender Spannung zu resultierendem Strom als Maß für die Hemmung zu nehmen. Ein Naturgesetz ist erst die Aussage, dass dieses Verhältnis bei bestimmten Bauteilen konstant ist (, eigenes ).

3Geräte / Stoffe

Grundbestand der Messschaltung. Der Widerstand sollte ausreichend belastbar sein: An 5 V setzt ein 20-Ω-Widerstand bereits 1,25 W um und wird spürbar warm.

  • Schülernetzgerät mit Gleich- und Wechselausgang

    Einstellbare Quelle für beide Betriebsarten.

  • Festwiderstand (Nennwert 20 Ω, belastbar)

    Das Bauteil, dessen Widerstand bestimmt wird.

  • Amperemeter

    Misst die durch das Bauteil (in Reihe).

  • Voltmeter

    Misst die am Bauteil (parallel).

  • Oszilloskop (Zweikanal) oder Messinterface

    Zeigt u(t)u(t) und i(t)i(t) gleichzeitig und macht die Phasenlage sichtbar (nur Wechselstromteil).

4Skizze des Versuchsaufbaus

Schaltplan mit Amperemeter in Reihe und Voltmeter parallel zum Widerstand. Bei dieser sogenannten spannungsrichtigen Schaltung misst das Voltmeter exakt die Bauteilspannung; dafür erfasst das Amperemeter zusätzlich den winzigen Voltmeterstrom (siehe Fehlerbetrachtung).

Wie herum die Messgeräte angeschlossen werdenAVin ReiheparallelAmperemeter hinein, Voltmeter daneben

Die Messschaltung der U-I-Methode: Amperemeter in Reihe mit dem Bauteil, Voltmeter parallel dazu. Aus beiden Anzeigen entsteht der Widerstand als Quotient R=U/IR = U/I.

Aufbau: Netzgerät, Amperemeter in Reihe mit dem Messwiderstand, Voltmeter parallel zum Widerstand. Für den Wechselstromteil wird auf den Wechselausgang gewechselt und beide Messgeräte in die AC-Bereiche geschaltet; das Oszilloskop macht zusätzlich die Phasenlage sichtbar.

5Durchführung

Schritt 1: Schaltung aufbauen, Quelle auf etwa 5 V5\ \mathrm{V} stellen, Schalter schließen.

Schritt 2: und gleichzeitig ablesen und notieren.

Schritt 3: Quelle auf etwa die halbe Spannung stellen und erneut beide Werte ablesen.

Schritt 4: Schalter öffnen, Bauteil abkühlen lassen.

6Beobachtung

Messwerte der U-I-Methode
MessungUU in V\mathrm{V}II in A\mathrm{A}
14,80,24
22,40,12

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Schritt 1: Quotienten bilden.

R1=U1I1=4,8 V0,24 A=20 ΩR2=U2I2=2,4 V0,12 A=20 ΩR_1 = \frac{U_1}{I_1} = \frac{4{,}8\ \mathrm{V}}{0{,}24\ \mathrm{A}} = 20\ \Omega \qquad R_2 = \frac{U_2}{I_2} = \frac{2{,}4\ \mathrm{V}}{0{,}12\ \mathrm{A}} = 20\ \Omega

Schritt 2: Vergleichen. Beide Messungen liefern denselben Wert: Das Bauteil verhält sich im untersuchten Bereich ohmsch, und der Messwert trifft den Nennwert 20 Ω20\ \Omega. Halbe führt zu halbem Strom, der Quotient bleibt.

Schritt 3: Einheit. V/A=Ω\mathrm{V}/\mathrm{A} = \Omega: Das Ohm ist als Volt pro Ampere definiert, die Rechnung ist einheitenrichtig.

8Fazit

Der Widerstand ergibt sich als Quotient aus und : hier übereinstimmend R=20 ΩR = 20\ \Omega bei beiden Spannungen. Die Doppelmessung bestätigt zugleich das ohmsche Verhalten des Bauteils.

9Fehlerbetrachtung

Die U-I-Methode hat eine bekannte systematische Feinheit, die Schaltungsart:

Schaltungsart (spannungsrichtig gegen stromrichtig)eher systematisch

Ursache

In der spannungsrichtigen Schaltung misst das Amperemeter auch den kleinen Strom durch das Voltmeter mit; in der stromrichtigen misst das Voltmeter auch den Spannungsabfall am Amperemeter mit.

Auswirkung

Hier (kleiner Widerstand, hochohmiges Voltmeter) ist der Voltmeterstrom vernachlässigbar: Der Fehler liegt weit unter einem Prozent. Bei sehr großen Messwiderständen würde die Schaltungsart dagegen relevant.

Verbesserung

Schaltungsart zum Widerstand passend wählen: spannungsrichtig für kleine, stromrichtig für große Widerstände.

Erwärmung des Widerstandseher systematisch

Ursache

Der Messstrom erwärmt das Bauteil; der Widerstand von Metallen steigt mit der .

Auswirkung

Bei längerer Messung mit großer steigt der gemessene Wert langsam an (hier bei 1,25 W um Größenordnung ein Prozent).

Verbesserung

Zügig messen, zwischen den Messungen abkühlen lassen, Bauteil mit hoher Belastbarkeit wählen.

Toleranz und Ablesefehlereher zufällig

Ursache

Festwiderstände haben eine Fertigungstoleranz (typisch 5 %); beide Messgeräte tragen Ablesefehler.

Auswirkung

Eine Abweichung von einigen Prozent zwischen Messwert und Nennwert ist normal und kein Messfehler im engeren Sinn.

Verbesserung

Toleranzangabe des Bauteils (Farbring) mit angeben und die Messunsicherheit abschätzen, bevor man Abweichungen deutet.

Das Wichtigste

Messmethode

R=U/IR = U/I: am Bauteil und Strom durch das Bauteil messen, Quotient bilden. Mehrere Spannungswerte prüfen nebenbei, ob RR konstant ist.

DC und AC

Ein idealer hat bei Gleich- und Wechselstrom denselben Wert; mit Effektivwerten gerechnet gilt dasselbe .

Gleichphasigkeit

Am laufen u(t)u(t) und i(t)i(t) im Takt: keine Phasenverschiebung. Das unterscheidet ihn von und .

Begriffe sauber trennen

Widerstand RR (ohmsch, wandelt in ), Reaktanz XX (/, frequenzabhängig, keine mittlere Wärmeleistung), Impedanz ZZ (Gesamtgröße einer Wechselstromschaltung). Nicht jeder „Widerstand gegen Wechselstrom“ ist ein .

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