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Wechselstrom - widerstande



Grundpraktikum II

Wechselstrom-

widerstände



Der induktive Widerstand


Eine Spule mit 1000 Windungen wird in einen Stromkreis gebracht. Da es sich um eine reale Spule handelt, muss man deren ohmschen Widerstand berücksichtigen.

Die Impedanz (Scheinwiderstand) errechnet sich einfach aus den gemessenen Effektivwerten:






Der ohmsche Widerstand beträgt zwischen den Klemmen A-M (500 Windungen) 6,20 W, zwischen M-E (ebenfalls 500 Windungen) 4,90 W und zwischen A-E (also die gesamte Spule mit 1000 Windungen) 11,10 W

Der Versuch wurde mit der Spule ohne, mit offenem und mit geschlossenem Eisenkern durchgeführt.

Da der ohmsche Widerstand und die Impedanz bekannt sind, lässt sich daraus der induktive Widerstand berechnen:



Da in unserem Stromkreis der Strom eine fixe Frequenz von 50Hz aufweist (Trafo wird aus dem Netz gespeist), kann man sich nun die Induktivität der Spule berechnen:



  • Spule ohne Eisenkern:

Klemmen

U [V]

I [A]

Z [Ω]

R [Ω]

XL [Ω]

L [mH]

A-M







M-E







A-E








  • Spule mit offenem Eisenkern:

Klemmen

U [V]

I [A]

Z [Ω]

R [Ω]

XL [Ω]

L [mH]

A-M







M-E







A-E








  • Spule mit geschlossenem Eisenkern:

Klemmen

U [V]

I [A]

Z [Ω]

R [Ω]

XL [Ω]

L [mH]

A-M







M-E







A-E








Der kapazitive Widerstand


Die kapazitive Widerstand errechnet sich einfach aus den gemessenen Effektivwerten:



Die Frequenz lässt sich nun auf zwei Arten bestimmen:


1.) Rechnerisch aus der Formel für Xc:


2.) Aus dem Diagramm:




Im doppelt logarithmischen Diagramm ist log XC als Funktion von log C aufgetragen. Es ergibt sich folgender Zusammenhang aus der Formel für den kapazitiven Widerstand:



Das ist die Gleichung einer Geraden y = k.x + d

Die Steigung beträgt bei uns -1, den konstanten Faktor d kann man sich nun mit Hilfe des Diagramms bestimmen:



Der Wert d beträgt 3500, wobei dieser noch logarithmiert werden muss.


d = log 3500 - 1 = 2,544


Damit ergibt sich eine Frequenz von ca. 55,7 Hz



Messdaten:




C [µF]

U [V]

I [mA]

XC [Ω]

log C

log XC

f [Hz]























































Reihenschaltungen


Zwei ohmsche Widerstände

Da es sich dabei um zwei rein ohmsche Widerstände handelt, gelten auch die normalen Gesetze für den Gleichstrom.

Als Widerstände wurden ein Drehwiderstand (0.5kW) R1 und ein Festwiderstand 560W R2 verwendet.




U[V]

U1 [V]

U2 [V]



















Wie man leicht erkennen kann, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen den beiden Spannungen. Daraus lässt sich nun folgender Zusammenhang herleiten:


U = U1 + U2


Ohmscher und kapazitiver Widerstand


Bei diesem Versuch wurde ein Kondensator mit der Kapazität 6,31µF und der Drehwiderstand aus obiger Schaltung verwendet.



U [V]

UR [V]

UC [V]


















Es gilt folgende Beziehung:



Da der Strom ja in einer Reihenschaltung konstant ist, lässt daraus nun leicht der Zusammenhang zwischen U, UR und UC erkennen:



Ohmscher und induktiver Widerstand

Bei diesem Versuch wurde eine Spule mit 1000 Windungen und der Drehwiderstand aus obiger Schaltung verwendet.



U [V]

UR [V]

UL [V]



















Es gilt folgende Beziehung:



Da der Strom ja in einer Reihenschaltung konstant ist, lässt daraus nun leicht der Zusammenhang zwischen U, UR und UL erkennen:



Dieser Zusammenhang ist allerdings nur angenähert, da es sich in unserem Fall ja nicht um eine ideale Spule handelt, sondern die Spule selber noch einen ohmschen Widerstand besitzt, der hier vernachlässigt wird


Kapazitiver und induktiver Widerstand

Bei diesem Versuch wurde eine Spule mit 1000 Windungen und Kondensatoren verschiedener Kapazitäten verwendet.

Die Spule befindet sich wie im vorigen Versuch auf einem geschlossenem Eisenkern.




U [V]

C [µF]

UC [V]

UL [V]


























Es gilt folgende Beziehung:



Da der Strom ja in einer Reihenschaltung konstant ist, lässt daraus nun leicht der Zusammenhang zwischen U, UL und UC erkennen:



Dieser Zusammenhang ist allerdings nur angenähert, da es sich in unserem Fall ja nicht um eine ideale Spule handelt, sondern die Spule selber noch einen ohmschen Widerstand besitzt, der hier vernachlässigt wird. Deshalb gilt obiger Zusammenhang nicht mehr, wenn der Spannungsabfall an der Spule zu groß wird, da der ohmsche Widerstand der Spule überwiegt.


Wechselstrombrücke


Messung der Kapazität

Bei abgeglichener Brücke gilt folgender Zusammenhang:



Der Versuch wurde mit verschiedenen Vergleichskapazitäten durchgeführt:


C4 [µF]

x [cm]

l-x [cm]

C3 [µF]

f [Hz]

















Die Kapazität des Kondensators beträgt ca. 0,765 µF.


Messung von Induktivitäten

Hier verändert sich die Schaltung insofern, dass nach der zu messenden Spule ein veränderlicher Widerstand R' eingebracht wird. Als Vergleichsgröße dient hier natürlich eine Spule bekannter Induktivität.

Die Scheinwiderstände berechnen sich wie folgt:


und


Der ohmsche Widerstand des linken Zweiges setzt sich nun aus den ohmschen Widerstand der Spule und dem veränderlich Widerstand zusammen.

Verstellt man jetzt beim Abgleichen der Brücke nicht nur die Messdrahtleiste sondern auch den veränderlichen Widerstand, so kann man eine "Kompensation" der beiden ohmschen Widerstände erreichen, sie fallen daher aus der Berechnung heraus.


Es ergibt sich folgender Zusammenhang:



Durch Vergleich mit der Leybold-Spule 500 Windungen ohne Eisenkern wird die Induktivität der Leybold-Spule 1000 Windungen ohne Eisenkern bestimmt. Diese Spule dient anschließend als Vergleichsspule zur Bestimmung der Induktivität der Spule mit 11830 Windungen.


L4 [mH]

x [cm]

l-x [cm]

L3 [mH]

f [Hz]

















Die Induktivität der Spule beträgt 1494,36 mH.











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