Wenn Sie aber das Experimentierfieber packt und Sie die Grenzen des QUICK-MV-1 ausreizen möchten, können Ihnen die folgenden Informationen eine Hilfe sein.

1.1 Die Eingangs-Ruhespannung (Input Offset Voltage):

Da ein Messverstärker ein aktives, elektronisches Gerät ist, verhält es sich leider nicht so, dass für eine Aus-gangsspanunng von null Volt die Eingangsspannung ebenfalls null Volt ist. Um den Ausgang wirklich auf null zu bringen, ist am Eingang eine gewisse, meist sehr geringe Spannung erforderlich. Für den im QUICK-MV-1 eingesetzten OpAmp CA 3140A wird lt. Datenblatt eine typische Offsetspannung von 2 mV angegeben. Fehlerausgleich: Kap. 1.4

1.2 Der Eingangs-Ruhestrom (Input Offset Current):

Aus dem o.g. Grund fließt leider auch ein - wenn auch geringer - Eingangsstrom, wenn der Ausgang auf null gehalten werden soll. Diese Stromstärke wird für den im QUICK-MV-1 eingesetzten OpAmp CA 3140A laut Datenblatt mit typisch 0,5 pA angegeben. Solange der Innenwiderstand der Spannungsquelle bzw. des Mess-punkts klein genug ist, kann die Auswirkung dieses Ruhestroms vernachlässigt werden. An einem Innenwiderstand von z.B. 1 MW verursacht dieser Ruhestrom eine Eingangsfehlerspannung von 0,5 mV, bei 1 GW sind es 0,5 mV. Da der Eingangsruhestrom lt. Datenblatt jedoch bis zu 20pA betragen kann, könnte im letzteren Fall eine Fehlerspannung von 20 mV zustande kommen. Fehlerausgleich: Kap. 1.4

1.3 Die Eingangs-Ruhespannung weist eine Temperaturdrift auf.

Diese wird für den im QUICK-MV-1 eingesetzten OpAmp CA 3140A lt. Datenblatt mit typisch 6 mV pro ⁰C angegeben. (Natürlich müsste das pro K heißen ...) Will man das Beste aus seiner Messung herausholen, sollte man nach dem Einschalten ca. 1 Minute warten, da sich der OpAmp zunächst selbst etwas erwärmt. Sollte der Messverstärker auch von außen erwärmt werden (z.B. Arbeitsplatz mit Sonnenschein), ist ein erneuter Nullabgleich vor jeder Messung anzuraten.

1.4 Fehlerausgleich:

Der OpAmp CA 3140A ist wie die meisten OpAmps mit Offset-Anschlüssen versehen, die einen schaltungs-internen Nullabgleich ohne Eingriff in die Eingangsbeschaltung ermöglichen. An der Frontplatte des QUICK-MV-1 sind dazu ein Grob- und ein Feinregler vorhanden. Wichtig ist, dass der Nullabgleich stets mit dem Quellwiderstand durchgeführt wird, mit dem anschließend auch gemessen wird! Dass dies bisweilen gar nicht so einfach ist, sollen folgende Beispiele erläutern:

R₁=R₂=10MW MV

Stellt man den Nullpunkt bei geöffnetem Schalter ein, so fließt der Eingangsruhestrom durch R₂ = 10 MW. Da Spannungsquellen i.A. sehr geringe Innenwiderstände aufweisen, muss davon aus-gegangen werden, dass nach dem Schließen des Schalters der Eingangsruhestrom durch die Parallelschaltung von R₁ und R₂ fließt, die Nullpunktseinstellung also nicht stimmt. Für eine korrekte Nullpunktseinstellung müssten R₁ und R₂ also zunächst parallel geschaltet werden.

Noch problematischer sind Messungen an Spannungsquellen mit hochohmigem und sich änderndem Innenwiderstand! Dies ist z.B. der Fall, wenn man eine LED zur „Mini-Solarzelle“ umfunktioniert. Ihr Innenwiderstand hängt wie der der Solarzelle von der Beleuchtungsstärke ab. Wenn man also die Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke sehr genau messen will, muss man für jede Beleuchtungsstärke den Innenwiderstand bestimmen, an einem entsprechend großen Ersatzwiderstand den Nullpunkt einstellen und dann die Messung durchführen.

Aber: Machen Sie sich nicht zuviel Arbeit. Für die meisten Fälle genügt es, den Messart-Schalter des QUICK-MV-1 zum Nullabgleich auf „I“ zu stellen. Dann wird mit dem internen 1 kW-Widerstand abgeglichen.

2. Brummprobleme:

Sie kennen das: Mit einem Schutzwiderstand vor der Fingerspitze an den Eingang eines Oszilloskops gehen und schon sieht man, welch wunderbare 50-Hz-Antenne der menschliche Körper ist. Lange einzelne Kabel in Versuchsaufbauten können das sogar noch besser, wenn sie mit offenen Enden oder einem sehr hohen Abschlusswiderstand vorliegen. Ob die Brummeinstreuung zum Problem wird, hängt von vielen Faktoren ab: Zunächst ist die Frage, wie groß die Brummspannung am Eingang des Messverstärkers ist. Dies hängt wesentlich vom o.g. Abschlusswiderstand ab. Werte bis zu 1 MW sind i.A. unproblematisch. Wenn nun aber eine Mess-Spannung im Bereich weniger mV liegt und die eingestreute Brummspannung ausnahmsweise nicht symmetrisch ist, kann das zu einer erheblichen Verfälschung des Messwertes führen. Im Zweifelsfall ist also eine Kontrolle mit dem Oszilloskop stets anzuraten.

Wird nun aber die Mess-Spannung mit einem Innenwiderstand von deutlich über 1 MW bereitgestellt und die Brummspannung u.U. unakzeptabel groß, kann man sich mit einem trivialen Trick behelfen: Sollte die Spannungsquelle eine kurzfristige niederohmige Belastung vertragen, kann man den QUICK-MV-1 auf „Q“-Messung schalten, wodurch der interne Messkondensator mit 1 mF als Glättungskondensator die Brummspannung auf nahezu null zusammenbrechen lässt. Allerdings reagiert diese Konfiguration auf Spannungsänderungen nur sehr träge. Zwischenlösungen sind möglich, wenn man den Glättungskondensator extern mit niedrigerer Kapazität (z.B. 10 nF) anbringt. Aber Achtung: Er muss einen Isolationswiderstand > 1 TW haben.

Keinesfalls sollte man den QUICK-MV-1 auf oder direkt neben ein Netzgerät stellen.

3. Kriechströme:

Sie sind so unangenehm wie sie klingen! Und es gibt einen Standardversuch, bei dem sie den Experimentator zur Verzweiflung treiben können. Gemeint ist das Aufladen eines Plattenkondensators und die anschließende Ladungsmessung. Üblicherweise wird der Plattenkondensator in 50-Volt-Schritten bis auf 250 Volt aufgeladen und jeweils die Ladung gemessen. Was bei 50 Volt noch so einfach erschien, läuft bei 250 V „völlig aus dem Ruder“. Sie kriechen aber auch fast überall! Auch eine sauber geputzte Tischoberfläche hält sie nicht auf. Was sich als Isolator im Gedächtnis eingeprägt hat, ist nun keiner mehr. Die normale Kabelisolierung ist eine Art Freischein auf dem Weg zum Messeingang des hochohmigen Messverstärkers. Gute Labor-Messkabel weisen einen Isolationswiderstand von 20 GW auf. Dieser „hohe“ Wert relativiert sich bei einem Eingangswiderstand von 1 TW! Auch von Umschaltern ist abzuraten.

Ich empfehle folgenden Aufbau:

Netzgerät und Messverstärker auf jeweils eine Styroporplatte stellen.

Alle Kabel, die mit dem nichtisolierten Teil des Plattenkondensators verbunden sind, können auf dem Tisch „herumliegen“. Das („heiße“) Kabel, mit dem die Ladungen vom Netzgerät zum isolierten Teil des Plattenkondensators zugeführt werden, muss frei in der Luft hängen. Dazu wird es an einen Plexiglasstab mit Steckerfassung geführt, der in einem Tonnenfuß steckt. Der Plexiglasstab muss mit Spiritus gereinigt werden. Von der Steckerfassung ragt ein Stück Draht so weit in den Raum, dass durch einfaches Drehen oder Verschieben des Tonnenfußes der Plattenkondensator geladen werden kann. Die Zuführung zum Messverstärker wird auf der anderen Seite des Plattenkondensators genauso aufgebaut.

Dieser Aufbau macht es auch leichter daran zu denken, vor der Messung die „heiße“ Verbindung zum Netzgerät zu trennen. Dieses Versehen hat schon so manchen Messverstärker gekillt. Bis zu 250 Volt macht es dem QUICK-MV-1 nichts aus.

4. Aufladung externer Kapazitäten mit mehr als 250 Volt:

Möglich, aber gefährlich. Möglich deshalb, weil ein extern vorgeschalteter Widerstand von z.B. 1MW, der für z.B. 1000 Volt zugelassen ist, den Messverstärker hinreichend schützen würde. Gefährlich deshalb, weil ein versehentliches Nichtabklemmen des Netzgerätes bei der Messung den internen Messkondensator des QUICK-MV-1 auf eine nicht zugelassene Spannung aufladen und damit (u.U. nicht nur ihn) zerstören würde.

5. Externe Kapazitäten mit mehr als 1 nF:

Bei der Aufnahme der Ladungen in den internen Messkondensator verbleibt ein gewisser Anteil der Ladungen auf der externen Kapazität. Dadurch entsteht ein Messfehler, der bis zu 1 nF vernachlässigbar ist. Bei größeren, bekannten Kapazitäten kann man den Fehler beheben, indem man die Parallelschaltung von externer und interner Kapazität rechnerisch berücksichtigt. Bis zu 10 nF genügt sogar die ungefähre Kenntnis des Kapazitätswertes.

6. Messung sehr kleiner Ladungsmengen unter 1nC:

Wenn der angezeigte Wert nicht stabil bleibt, sondern sich sofort nach Messbeginn ändert, können natürlich Kriechströme die Ursache sein. Doch als zweite Möglichkeit kommt der Eingangs-Ruhestrom des Messverstärkers in Frage. Bei 1 nC liegen am internen Messkondensator 1 mV an. Ein Eingangs-Ruhestrom von
10 pA verursacht immerhin eine Spannungsänderung von 10 mV pro Sekunde. Dagegen hilft leider nur ein („sündhaft teurer“) Operationsverstärker mit extrem niedrigem Eingangs-Ruhestrom im fA-Bereich.

7. Schutzschaltung für Drehspulinstrumente:

Will man z.B. beim Leiterschaukelversuch zur Induktion die Geschwindigkeitsabhängigkeit der induzierten Spannung zeigen, hat man Mess-Spannungen im mV-Bereich. Schaltet man den QUICK-MV-1 auf 1000-fache Verstärkung (Position mV), sollte das Anzeige-Gerät (bei schwachen Hufeisenmagneten) im mV-Bereich arbeiten (also z.B. Vollausschlag 300mV bei einem Drehspulinstrument).

Wenn nun der Eingangsstromkreis versehentlich geöffnet wird, driftet die Ausgangsspannung wegen des Eingangs-Ruhestroms sehr schnell in den Maximalbereich, also z.B. auf +7 Volt. Diese Spannung ist für ein ungeschütztes Drehspulinstrument zerstörerisch. Parallel zum Messwerk sind üblicherweise zwei antiparallel geschaltete Silizium-Dioden angebracht, um die Spannung zu begrenzen, doch einen sicheren Schutz stellt diese Maßnahme nicht dar. Mit folgender Maßnahme kann man die Gefahr weiter mindern: An den Eingang des Messgerätes werden zwei antiparallel geschaltete Schottky-Dioden geklemmt. Der Ausgangsstrom des QUICK-MV-1 ist auf etwa 20 mA begrenzt. Die Durchlass-Spannung der Schottky-Diode BYV 10-40 beträgt bei 20 mA ca. 0,25 Volt (Silizium-Diode ca. 0,7 Volt).

Von einem zusätzlichen Vorwiderstand zur Verringerung der Stromstärke ist abzuraten, da zum einen an den Dioden bei 1mA immer noch 0,2 Volt abfallen, zum anderen der Messwert wegen des geringen Innenwiderstandes des Voltmeters stark verfälscht würde. ( Der Ausgangswiderstand des QUICK-MV-1 beträgt 50 W. )

Die Schutzmaßnahme ist also für den Messbereich 100 mV sehr gut, für 300 mV bedingt und darüber nicht geeignet.

Eine einfache Alternative besteht darin, eine normale Silizium-Diode (z.B. 1N4003) so zwischen Messverstärker und Drehspul-Multimeter einzubringen, dass an dem Multimeter keine negative Spannung anliegen kann. Der Spannungsabfall in Durchlassrichtung stellt kein Problem dar, weil er mit der Nullpunktverstellung des QUICK-MV-1 ausgeglichen werden kann.

8. Hau den Lukas!

Auch mit etwas so seriösem wie einem Messverstärker lassen sich unterhaltsame Dinge anstellen.

Dreht man einen piezokeramischen Schallwandler so in seiner Funktion um, dass er für die Aufnahme eines Kraftstoßes geeignet ist, erhält man einen Sensor für die Schlagstärke. Diese Schallwandler gibt es für etwa einen halben Euro in seiner „nackten“ Form ohne Gehäuse als sehr flaches Plättchen. Er wird mit zwei dünnen, flexiblen Kabeln versehen und auf eine hinreichend großflächige, harte Unterlage geklebt. Die Oberseite muss so präpariert werden, dass der einwirkende Kraftstoß einerseits die Sensorfläche gut erreicht, andererseits aber diese weder zerstört, noch z.B. bei einem Faustschlag zu Verletzungen führt. Geschichtete Gummiplatten mittlerer Härte haben hier gute Ergebnisse gebracht.

Die beiden Kabel werden an den Eingang des Messverstärkers geführt, der auf Q-Messung eingestellt sein muss. Der Piezo-Sensor erzeugt beim Kraftstoß eine Spannung, die weit über der zulässigen Eingangsspannung des MV liegen kann. Da mit diesem Spannungsstoß jedoch der interne Q-Messkondensator auf einen ungefährlich niedrigen Wert aufgeladen wird, besteht für den MV nur dann ernsthafte Gefahr, wenn er versehentlich auf U-Messung geschaltet ist und statt des Schallwandlers ein piezokeramischer Funkenerzeuger (z.B. aus einem Feuerzeug) als Sensor zum Einsatz kommt. Diese Piezozünder sind zwar wunderbare Sensoren, wenn es um die Messung kleiner Kräfte geht, doch in diesem Fall könnte ein Reparaturfall die Folge der Fehlbedienung sein. Unbedingt abzuraten ist von der Verwendung der Piezozünder, die in Gas-Warmwasserbereitern zu finden sind. Nach Aussage meines Installateurs kann der elektrische Schlag tödlich sein.

9. Wie viele Ladungen fliegen bei einem kleinen Funken?

Die Anzahl der Ladungen auf einem geladenen Luftballon, Gummistab, Kunststofffolie, etc. etc. wird im allgemeinen weit unterschätzt. Wenn die Zahl der Ladungen entsprechend einem Coulomb vorgegeben wird, führen die Ladungsmessungen immer wieder zu ungläubigem Erstaunen. Für die Messung muss die Eingangsmasse (schwarze Buchse) natürlich gut geerdet werden. In den Messeingang (rote Buchse) steckt man am besten einen Bananenstecker, in den man einen blanken Kupferdraht eingeschraubt oder eingelötet hat. An diesen Draht streift man die Ladungen vom Gummistab etc. ab. Nach der ersten Messung machen sich die SchülerInnen mit Feuereifer auf die Suche nach weiteren Ladungen (aber bitte nicht in der Steckdose!).

10. Der glühelektrische Effekt (Edison-Effekt)

Den Leitungselektronen eines metallischen Leiters kann bei Raumtemperatur eine thermische (kinetische) Energie von etwa 0,04 eV zugeschrieben werden. Damit liegt die Energie weit unter der für einen Austritt aus der Metalloberfläche benötigten Austrittsarbeit von grob 4 eV. Wird das Metall stark erhitzt (Glühkathode einer Röhre), reicht die durchschnittliche Energie nach wie vor für einen Austritt bei weitem nicht aus. Für die nun sehr hohen Geschwindigkeiten der Leitungselektronen kann aber die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung (wie für die Atome eines idealen Gases) angenommen werden. Ein gewisser Anteil der Leitungselektronen weist demnach eine hinreichende Geschwindigkeit zum Verlassen des Metalls auf. Diese Elektronen können an der Auffangplatte einer Edisonröhre nachgewiesen werden. Dieser Nachweis ist natürlich auch mit einer normalen Röhrendiode oder -triode möglich, doch die Bauweise der Edisonröhre lässt einen klaren Blick auf die räumlichen Verhältnisse und das Glühen der Kathodenwendel zu.

In der Sek. I ist dieser Versuch zur Hinführung zu den Leitungsverhältnissen in Metallen sehr hilfreich, in der Sek. II kann dann über Geschwindigkeitsverteilungen bis hin zum Geschwindigkeitsfilter für Elektronenstrahlen gesprochen werden.

Üblicherweise wird das Übertreten von negativen Ladungsträgern von der Glühkathode zur Auffangplatte durch die Entladung eines positiv geladenen Elektroskops nachgewiesen. Dabei spielen dann die bekannten Elektrostatikversuchsprobleme wie hohe Luftfeuchtigkeit, Kriechströme, geladener Experimentator etc. eine Rolle.

Der Einsatz einer Glimmröhre in Reihe mit der Edisonröhre und einem Hochspannungsnetzgerät bringt bei abgedunkeltem Raum zwar mit Sicherheit die gewünschten Beobachtungen, ist wegen der hohen Spannung jedoch für Schülerübungen ungeeignet.

Eine dritte Möglichkeit ist der Anschluss eines Voltmeters zwischen Glühkathode und Auffangplatte. Dass an der Auffangplatte eine negative Spannung anliegt, ist leicht nachzuweisen. Doch die ermittelte Höhe dieser Spannung hängt sehr vom Eingangswiderstand des Messgeräts ab.

An einer Edison-Röhre mit der Nennspannung 4 Volt wurden bei 3,55 Volt ( 3 Zellen eines großen NC-Akkus) folgende Spannungen gegenüber der Glühkathode gemessen:

analoges Multimeter mit 200 kW Eingangswiderstand: - 2,8 Volt

digitales Multimeter mit 10 MW Eingangswiderstand: - 4,3 Volt

QUICK-MV-1 mit min. 10¹¹W Eingangswiderstand: - 5,5 Volt (*)

Will man also aus der Spannungsmessung Rückschlüsse auf die Geschwindigkeit der schnellsten Elektronen ziehen, ist ein sehr hochohmiger Messverstärker unerlässlich.

Der Einsatz des QUICK-MV-1 bietet einen weiteren Vorteil: Schaltet man auf Ladungsmessung, dann muss der interne Messkondensator von dem Röhrenelektronenfluss aufgeladen werden. Dies geschieht ausreichend langsam, um von der Bewegung des Zeigers eines Anzeigevoltmeters auf den Spannungsverlauf in Form einer Sättigungskurve zurückschließen zu können. Dieser Schluss kann von Schülern durchgeführt und interpretiert werden.

Wenn Schüler in kleinen Gruppen die Möglichkeit haben, das langsame Erreichen der Maximalspannung an einem Zeigerinstrument selbst zu beobachten, besteht die Chance, diese sinnliche Wahrnehmung mit der rationalen Überlegung „ jetzt erreichen die schnellsten Elektronen gerade noch die Auffangplatte“ zu verknüpfen und damit einen emotionalen Zugang zur unsichtbaren Welt der atomaren Teilchen zu schaffen.

Eine Aufzeichnung des Ladevorgangs mit einem t-y-Schreiber kann das Experiment ergänzen, wobei die Forderung nach einem derartigen Gerät von den Schülern selbst entwickelt werden kann.

Der Versuch kann zu einer Versuchsreihe erweitert werden, indem man die Spannung in Abhängigkeit vom Heizstrom ermittelt. Eine genaue Auswertung setzt jedoch eine Temperaturmessung der Heizwendel voraus und geht über das schulische Niveau hinaus.

(*) Der nominelle Eingangsspannungsbereich des QUICK-MV-1 geht nur bis ±5 Volt. Bei frischen Batterien sind jedoch ohne weiteres bis zu ±7 Volt möglich.

11. Der thermoelektrische Effekt (Seebeck-Effekt)

Verwendet man als Thermoelement die Kombination von Kupfer- und Konstantandraht, entsteht eine thermoelektrische Spannung von 42,5 mV pro 1K Temperaturdifferenz. Bleibt die eine Kontaktstelle auf Raumtemperatur (20⁰C) und wird die andere von den Fingerspitzen umschlossen, entsteht bei der dann vorliegenden Temperaturdifferenz von ca. 13 K eine thermoelektrische Spannung von ca. 0,55 mV. Nutzt man die 1000-fache Spannungsverstärkung des QUICK-MV-1, erhält man an dessen Ausgang in diesem Fall ein Signal von 550 mV, das an einem nachgeschalteten Voltmeter gut ablesbar ist.

Konkretes Messbeispiel, bei dem die Temperatur mit einem Präzisions-Quecksilberthermometer und die Ausgangsspannung des QUICK-MV-1 mit einem Präzisions-DMM gemessen wurden:

Da die Nullpunkteinstellung bei 1000-facher Verstärkung sehr diffizil ist, wurde eine Restfehlspannung am Ausgang in Höhe von +25 mV in Kauf genommen und bei den Messwerten berücksichtigt.

Die Lufttemperatur betrug 21,5⁰C, die Temperatur zwischen meinen (kalten) Fingerspitzen 27,2⁰C. Der Messverstärker lieferte am Ausgang -192 mV, was einer wirklichen Messspannung von 217 mV bei einem Temperaturunterschied von 5,7 K entspricht. Die daraus berechnete thermoelektrische Spannung beträgt 38,1 mV pro K. Eine zweite Messung zwischen den Handinnenflächen (32,5⁰C) und einer Ausgangsspannung von -440 mV, also 465mV am Eingang ergab sogar den hervorragenden Wert von 42,3 mV pro K.

Man kann auf diese Weise also recht genau die Fingerspitzentemperatur messen, oder Temperatur-differenzen, oder Thermosäulen aufbauen und Wärmestrahlung nachweisen, oder ...

Bei meinen Experimenten mit der Kombination von Kupfer- und Konstantandraht hat sich gezeigt, dass sowohl das Verlöten der Kontaktstellen als auch das Zusammenpressen in Adernendhülsen zu unbefriedigenden (zu niedrigen) Messergebnissen führt. Das enge Verdrillen auf wenige Millimeter ohne weitere Maßnahmen erbrachte dagegen die theoretisch zu erwartenden Spannungswerte.

Die Drähte dürfen sich außerhalb der Messstelle nicht berühren. Wenn meine Fingerspitzen nicht den gesamten verdrillten Bereich umfassten, ergaben sich bereits deutlich geringere Messwerte!

Bei der Einwirkung von Kältespray auf eine Kontaktstelle wurden 2,6 mV gemessen, was einer Abkühlung von 20⁰C auf ca. -40⁰C entspricht. Kältespray begeistert Schüler immer wieder ...

Übrigens ist die Temperaturmessung mit Thermoelementen im industriellen Bereich weit verbreitet.

12. Anmerkungen zu den Arbeitsblättern

Jeder Einsatz des Messverstärkers ist mit einer gewissen Einstellroutine verbunden, die zu einer zunächst umfangreich erscheinenden Liste führt. Diese abzuarbeiten erfordert Sorgfalt. Mit dem Hinweis an die Schüler, dass sie die Gelegenheit bekommen, einen besonderen Versuch durchzuführen, der aber auch besondere Sorgfalt fordert, konnte ich stets einen guten Start erwirken. Die Punkte sind schneller abgearbeitet, als der erste Eindruck erwarten lässt.

Zum Arbeitsblatt „Ladungsmessung“:

Ich empfehle die Verwendung eines Digitalmultimeters.

Um mit einem Anleitungsblatt auszukommen, wird die Beziehung zwischen der ermittelten Spannung (bzw. Spannungsdifferenz) und der Ladungsmenge, die ja eigentlich aus der Frontplattenbeschriftung des Messverstärkers hervorgeht, von mir zusätzlich an die Tafel geschrieben. Die Anzahl der Ladungen pro Coulomb kennen die Schüler bereits aus dem Unterricht.

Ich halte auch einen Bandgenerator bereit, um Ladungen mit Kugeln etc. zu transportieren, stelle ihn aber hinreichend weit weg von den Messverstärkern auf. Schüler kommen manchmal auf gewagte Ideen ......

Zum Arbeitsblatt „Temperaturmessung“:

Bei der ersten Durchführung hätte ich doch fast an der Präzision des Versuchs gezweifelt: Etliche Schüler kamen auf Fingerspitzentemperaturen von wenigen Kelvin über der Raumtemperatur. Nachmessen mit einem Präzisionsthermometer brachte Gewissheit: Vor allem bei einigen Schülerinnen wurden bei 21^oC Raumtemperatur nur 23 bis 25 ^oC gemessen! Diese für mich erstaunlichen Werte (für mich sind etwa 33^oC normal) wurden in weiteren Klassen immer wieder bestätigt, und zwar größtenteils bei Schülerinnen. Ursache ist eine äußerst geringe Durchblutung der Finger. Es waren allerdings auch immer Wintermonate. Sommermessungen habe ich (noch) nicht.
Wegen der z.T. sehr geringen Temperaturdifferenzen rate ich davon ab, die Referenz- (Raum-) temperatur nur zu schätzen. Die Messung mit einem Thermometer bringt manchen Schüler natürlich auf die Frage, warum die Fingerspitzentemperatur nicht gleich mit einem normalen Thermometer gemessen wird. Diese Frage – in Verkennung des physikalischen Sinnes des Versuchs – bietet Anlass, auf den Einsatz von Thermoelementen in Wissenschaft und Technik einzugehen. Zu Ersterem lege ich einen Zeitungsartikel bei, zu Letzterem wäre zu sagen, dass Thermoelemente zur Temperaturmessung im industriellen Bereich weit verbreitet sind. Der große Temperaturbereich und die kleine Bauform sind dabei wichtige Aspekte.

Zum Arbeitsblatt „Äquipotenziallinien“:

Ich verwende hier verschieden geformte Messingstücke als Elektroden.

Die Einzeichnung des Umrisses mit einem weichen Bleistift (Þ hohe Leitfähigkeit) hilft, Kontaktprobleme durch Unebenheiten auszubügeln. Der Einsatz von Bleistift oder gefärbtem Salzwasser (z.B. als Kreis in der Mitte aufgetragen) eröffnet zahlreiche Versuchsvarianten.

Zum Arbeitsblatt „Induktion“:

Ich mache keine detaillierten Vorgaben, weil es für mich immer wieder faszinierend ist, bei den Schülern zu beobachten, wer eine dem Experiment angemessene „physikalische Phantasie“ entwickelt und seine Ergebnisse in Erkenntnisse umsetzen kann.

Wichtig: Der MV wird bewusst auf „I“ gestellt, damit bei eingangsseitiger Unterbrechung des Stromkreises die Ausgangsspannung nicht auf hohe Werte wegdriftet!

^{Das Prinzip der
Stromerzeugung im Generator:}

^{Ein
Ventilator wird gedreht, und es entsteht Wind. Na und?}

^{Ein
Generator wird gedreht, und es entsteht elektrische Energie. Oh!}

^{Der folgende Versuchsaufbau soll Klärung bringen,
welcher physikalische Effekt dahintersteckt:}

Material: Messverstärker; ein langes Kabel; ein kurzes, blaues Kabel; ein Schutzkabel rot-grün; Zeiger-Multimeter;

Vorbereitungen: (Bitte die Reihenfolge beachten! Punkte abhaken!)

1. Den Schiebeschalter des Multimeters auf = und den Drehschalter auf 10V stellen.

2. Das kurze, blaue Kabel an der Stirnseite in die mit ^ gekennzeichnete Buchse und den grünen Stecker des Schutzkabels in die mit + gekennzeichnete Buchse stecken. Die Kennzeichnungen sind oberhalb der Skala zu finden.

3. Das blaue Kabel in die schwarze Buchse und den roten Stecker des Schutzkabels in die rote Buchse des Messverstärker-Ausgangs stecken.

4. Den linken Kippschalter des Messverstärkers auf „I“ und den rechten auf „nC-mV-mA“ stellen.

5. Die beiden Stecker des langen Kabels in je eine der Eingangsbuchsen stecken.

6. Die beiden Drehknöpfe am Messverstärker in Mittelstellung (=Markierung nach oben) bringen.

7. Den Messverstärker an der Rückseite einschalten. Jetzt muss vorne eine LED grün aufleuchten.

8. Mit dem Drehknopf „grob“ den Zeiger des Multimeters etwa auf den zweiten kleinen Strich nach der 0 bringen.

9. Den Drehschalter auf =3V stellen.

10. Mit dem Drehknopf “fein“ den Zeiger etwa auf die 20 der Skala von 0 bis 100 stellen.

11. Den Drehschalter auf =1V stellen.

12. Mit dem Drehknopf „fein“ die Ausgangsruhespannung jetzt möglichst genau auf

0,5 Volt einstellen. Der Zeiger muss also genau in der Mitte zwischen 40 und 60 stehen.

Jetzt ist der Messverstärker bereit für die Messung. Bewegt sich der Zeiger bei der Messung nach links (= negative Spannung), dann fließen Elektronen in den Messeingang (rote Buchse) hinein, bewegt er sich nach rechts (= positive Spannung), dann fließen sie heraus.

^{Ein Hufeisenmagnet wird in dieser Position auf den
Tisch gestellt: Seitenansicht}

^{Das
lange Kabel wird zwischen den Hufeisenschenkeln hindurch}

^geführt.^Ÿ

^{Bereits
dabei kannst du Bewegungen des Multimeterzeigers bemerken.}

^{Eure Aufgabe (Einer bewegt das Kabel, der andere liest
das Multimeter ab.):}

^{Führt schnelle und langsame Bewegungen in Pfeilrichtung
aus und registriert den Zeigerausschlag des Multimeters mit Vorzeichen!
Probiert danach weitere Bewegungsvarianten und andere Veränderungen aus!}

^{Haltet eure Beobachtungen tabellarisch (ggf. mit
Skizze) in euren Heften fest:}

^{(Die beiden
rechten Spalten werden am Ende der Versuche gemeinsam bearbeitet.)}

^Bewegung:

^{Zeigerausschlag}

^{am Multimeter:}

^{wirkliche Eingangsspannung}

^{Eingangs-stromstärke}

^{schnell nach
rechts}

^{langsam nach
rechts}

^{etc. etc.}

^{- - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -}^{Das Prinzip der Stromerzeugung im Generator:}

^{Ein
Ventilator wird gedreht, und es entsteht Wind. Na und?}

^{Ein
Generator wird gedreht, und es entsteht elektrische Energie. Oh!}

^{Der folgende Versuchsaufbau soll Klärung bringen,
welcher physikalische Effekt dahintersteckt:}

Material: Messverstärker; ein kurzes, blaues Kabel; ein Schutzkabel rot-grün; Zeiger-Multimeter; ein rotes und ein schwarzes Kabel mit 2mm-Stecker auf einer Seite; gerade Leiterstücke: Messing dünn, Messing dick, Aluminium, Eisen, ein U-förmig gebogener Messingstab, eine Dreifachschleife aus Messing.

Vorbereitungen: (Bitte die Reihenfolge beachten! Punkte abhaken!)

1. Den Schiebeschalter des Multimeters auf = und den Drehschalter auf 10V stellen.

3. Das blaue Kabel in die schwarze Buchse und den roten Stecker des Schutzkabels in die rote Buchse des Messverstärker-Ausgangs stecken.

4. Den linken Kippschalter des Messverstärkers auf „I“ und den rechten auf „nC-mV-mA“ stellen.

5. Das schwarze und das rote Kabel in die Eingangsbuchsen des MVs stecken. Die kleinen Stecker in den dicken Messingstab stecken.

6. Die beiden Drehknöpfe am Messverstärker in Mittelstellung (=Markierung nach oben) bringen.

7. Den Messverstärker an der Rückseite einschalten. Jetzt muss vorne eine LED grün aufleuchten.

8. Mit dem Drehknopf „grob“ den Zeiger des Multimeters etwa auf den zweiten kleinen Strich nach der 0 bringen.

9. Den Drehschalter auf =3V stellen.

10. Mit dem Drehknopf “fein“ den Zeiger etwa auf die 20 der Skala von 0 bis 100 stellen.

11. Den Drehschalter auf =1V stellen.

12. Mit dem Drehknopf „fein“ die Ausgangsruhespannung jetzt möglichst genau auf

0,5 Volt einstellen. Der Zeiger muss also genau in der Mitte zwischen 40 und 60 stehen.

^{Ein Hufeisenmagnet wird in dieser Position auf den
Tisch gestellt: Seitenansicht}

^{Der Messingstab wird zwischen die Hufeisenschenkel
gehalten.}

^{Bereits dabei kannst du Bewegungen des
Multimeterzeigers bemerken.}

^{Eure Aufgabe (Einer bewegt den Messingstab, der andere
liest das Multimeter ab.):}

^{Haltet eure Beobachtungen tabellarisch (ggf. mit
Skizze) in euren Heften fest:}

^{(Die beiden
rechten Spalten werden am Ende der Versuche gemeinsam bearbeitet.)}

^Bewegung:

^{Zeigerausschlag}

^{am Multimeter:}

^{wirkliche Eingangsspannung}

^{Eingangs-stromstärke}

^{schnell nach
rechts}

^{langsam nach
rechts}

^{etc. etc.}

^{- - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Auswertung des Versuchs zur
Induktion:}

^{Beachte: Wenn im Folgenden von einer „Bewegung nach
rechts“ gesprochen wird, dann ist das eine willkürlich festgelegte Richtung,
denn der Betrachter gegenüber wird natürlich von „links“ sprechen.}

^{1) Bei einer langsamen Bewegung eines
geraden Leiters nach rechts wird nur _______
_________}

^{______________ ____________________ induziert.}

^{2) Ist die Bewegung schneller, dann ist auch
die induzierte ________________
_____________ .}

^{3) Bei beiden Versuchen ist es egal, ob der
Leiter nach rechts oder der ______________
nach}

^{_______________ bewegt wird.}

^{4) Geht
die Bewegung des Leiters nach links, dann sind ____________ und _______________
der induzierten ________________
_________________ . (umgekehrte Polarität)}

^{5) Werden
Nord- und Südpol des Hufeisenmagneten vertauscht, dann sind (ebenso wie bei
umgekehrter Bewegungsrichtung) _____________ und ________________ der
induzierten Spannung
_________________ .}

^{Aus 1–5
folgt: Sowohl die Richtung des ______________________ als auch die Richtung der
________________ bestimmen die _________________ der induzierten
_________________, und damit die Richtung des __________________ , falls ein
äußerer Stromkreis angeschlossen ist.}

^{Der Zusammenhang dieser drei
Richtungen kann leicht mit drei senkrecht zueinander stehenden Fingern der
rechten Hand dargestellt werden:}

^{Die 3-Finger-Regel (U-V-W-Regel) der
rechten Hand:}

^U^{rsache:
Bewegungsrichtung}

^V^{ermittlung:
Magnetfeldrichtung (von N nach S)}

^W^{irkung:
Polarität der erzeugten Spannung bzw. Richtung des Stromflusses}

^{U : Daumen V : Zeigefinger W : Mittelfinger}

^{Bei Verwendung der rechten
Hand zeigt nach dieser Regel der Mittelfinger die technische Stromrichtung (von
+ nach -) im äußeren Stromkreis an. Er zeigt also zum Pluspol des Leiters, in
dem die Spannung induziert wird.}

Die Höhe der induzierten Spannung hängt ab von

^{Þ der
__________________________}

^{Þ der
Stärke des ________________________}

^{Þ der
Anzahl der ____________________________}

^{1) Bei einer langsamen Bewegung eines
geraden Leiters nach rechts wird nur _eine__ _sehr___}

^{__geringe____ _____Spannung_____ induziert.}

^{2) Ist die Bewegung schneller, dann ist auch
die induzierte __Spannung___
___größer___ .}

^{3) Bei beiden Versuchen ist es egal, ob der
Leiter nach rechts oder der __Magnet___ nach}

^{_____links_____ bewegt wird.}

^{4) Geht
die Bewegung des Leiters nach links, dann sind __Pluspol__ und
___Minuspol____ der induzierten _Spannung___ ____vertauscht__ . (umgekehrte
Polarität)}

^{5) Werden
Nord- und Südpol des Hufeisenmagneten vertauscht, dann sind (ebenso wie bei
umgekehrter Bewegungsrichtung) __Pluspol__ und _Minuspol___
der induzierten Spannung ___vertauscht___
.}

^{Aus 1–5
folgt: Sowohl die Richtung des ____Magnetfeldes ____ als auch die Richtung der __Bewegung_____
bestimmen die ___Polarität______ der induzierten ___Spannung______,
und damit die Richtung des ___Stromflusses__ , falls ein äußerer
Stromkreis angeschlossen ist.}

^{Der Zusammenhang dieser drei
Richtungen kann leicht mit drei senkrecht zueinander stehenden Fingern der
rechten Hand dargestellt werden:}

^{Die 3-Finger-Regel (U-V-W-Regel) der
rechten Hand:}

^U^{rsache:
Bewegungsrichtung}

^V^{ermittlung:
Magnetfeldrichtung (von N nach S)}

^W^{irkung:
Polarität der erzeugten Spannung bzw. Richtung des Stromflusses}

^{U : Daumen V : Zeigefinger W : Mittelfinger}

Die Höhe der induzierten Spannung hängt ab von

^{Þ der
____Geschwindigkeit_____}

^{Þ der
Stärke des _Magnetfeldes_____}

^{Þ der
Anzahl der ____Windungen _____}

^{- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
- - - - - - - - - - -}

^{Auswertung
des Versuchs zur Induktion:}^{(Blatt 2)}

^{Die Versuche werfen Fragen auf:}

^{a) Welche Rolle spielt das Material, aus dem der Leiter
gefertigt ist?}

^{b) Wie sind die Messergebnisse bei Leiterschleifen zu
erklären, wenn diese innerhalb der}

^{Magnetschenkel bewegt werden?}

^{c) Wie erreichen Generatoren ihre hohen Leistungen (bis
1 GW)?}

^{Zur letzten Frage die Berechnung der elektrischen
Leistung in einem deiner Versuche:}

^{Die elektrische Leistung wird mit P=U}^{ŸI
berechnet.}

^{Wähle aus deiner Versuchsreihe einen gemessenen
Spannungswert aus: U = ______}^{mV = _______mV}

^{Diese Spannung liegt am Eingangswiderstand des
Messverstärkers: Rin = 1 k}^W.

^{Mit dem Ohmschen Gesetz kann die Stromstärke berechnet
werden:}

^{Berechne nun die Leistung: P = U}^ŸI
=

^{Für die Experten unter euch: Dieser Wert für die
Leistung ist auch deshalb so extrem niedrig, weil der Innenwiderstand des
Messverstärkers nicht optimal ist. Er müsste bei diesen Messungen etwa 1}^{W
sein, um die maximale Leistung zu erhalten. Man nennt das „Leistungsanpassung“.
Die Spannung würde dann zwar auf die Hälfte absinken, die Stromstärke aber auf
das Fünfhundertfache ansteigen!}

^{Und
schließlich noch ein Hinweis zu Frage a:}

^{Verschiedene Materialien
leiten den Strom verschieden gut. Das gilt auch für verschiedene Metalle.}

^{Man drückt das durch den
spezifischen Widerstand aus.}

^{Der Widerstand der
Leiterschleifen im Generator hängt also nicht nur von Leiterlänge und
Leiterquerschnittsfläche, sondern auch vom Material ab.}

^{Die oben genannte Gleichung
P=U}^{ŸI kann mit U = R}^{ŸI zu P
= R}^{ŸI² umgeformt werden.}

^{Die Leistung P kann auch für
die Leistung stehen, aus der infolge des Stromflusses Wärme entsteht.}

^{In den Leiterschleifen des
Generators wird also umso mehr elektrische Leistung in Wärme umgesetzt, je
höher der Widerstand der Leiterschleifen ist. Also sollte man Material mit
einem möglichst geringen spezifischen Widerstand verwenden. Das wäre Silber
....... (Kupfer ist fast genau so gut!)}