Wechselstrom
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Wechselstrom
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<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 1a – <strong>Wechselstrom</strong>generator – Dynamo – Leerlauf<br />
Dynamo<br />
Wasser<br />
Klemme<br />
Loch<br />
Oszilloskop (alt)<br />
y-shift<br />
time<br />
5 V/cm 1 ms<br />
Generatorprinzip: Rotiert eine Leiterschleife (Spule) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in einem<br />
homogenen Magnetfeld, so wird in ihr eine Wechselspannung induziert.<br />
6⋅<br />
2 ≈ 9V<br />
Es sind 6 V eff<br />
zu erwarten, das sind für die Scheitelspannung.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 1b – <strong>Wechselstrom</strong>generator – Dynamo – Belastung<br />
Dynamo<br />
Wasser<br />
Klemme<br />
Fahrradlämpchen –<br />
10 V / 50 mA<br />
Loch<br />
Zuerst nur 1 Lämpchen schalten, dann 2 parallel Drehzahl sinkt bei Belastung.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 2a – FI - Schalter<br />
Der FI-Schalter enthält einen kleinen<br />
Transformator mit zwei Primärspulen, die die<br />
gleiche Windungszahl besitzen, aber<br />
entgegengesetzt gewickelt sind. Die eine wird<br />
vom zufließenden Strom, die andere vom<br />
abfließenden durchflossen. Im Regelfall hebt<br />
sich der magnetische Fluss im Eisenkern auf.<br />
Besteht jedoch zwischen den beiden<br />
Stromstärken ein Unterschied von wenigen mA,<br />
so reicht das im Trafokern vorhandene<br />
Wechselfeld aus, um in der Sekundärspule<br />
einen Strom zu induzieren, der über ein Relais<br />
augenblicklich den Stromkreis unterbricht.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 2b – FI – Schalter – Test<br />
Glimmlampe Glühlampe Steckdose<br />
Erdung<br />
Phase Null<br />
1<br />
2<br />
1, 2<br />
1) Phasenleiter bleibt, Nullleiter mit Erdung verbinden Lampe blitzt auf, FI schaltet ab.<br />
Erklärung: In der ersten Primärspule besteht ein zufließender Strom, in der zweiten aber kein<br />
abfließender.<br />
2) Nullleiter bleibt, Phasenleiter mit Erdung verbinden Lampe leuchtet nicht, FI reagiert nicht.<br />
Wird Versuch 1 mit einer Glimmlampe durchgeführt, so springt der FI-Schalter nicht an.<br />
Erklärung: Die Glimmlampe verbraucht nur wenig Strom.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 3 – Nullleiter - Phasenleiter<br />
Lehrerversuch !<br />
Glimmlampe<br />
Steckdose<br />
Erdung<br />
Phase Null<br />
Heizkörper<br />
Die Glimmlampe leuchtet, der FI schaltet nicht ab.<br />
Die Glimmlampe verbraucht nur wenig Strom, sodass der Stromstärkenunterschied in den beiden Primärspulen<br />
des FI-Schalters zu gering ist und daher die in der Sekundärspule induzierte Spannung nicht ausreicht,<br />
das Relais zu betätigen.<br />
Metallische Einrichtungen (Heizkörper, Badewanne, …) sind geerdet.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 4 – Schutzleiter<br />
Steckdose<br />
Erdung<br />
Phase Null<br />
Phase<br />
Nullleiter<br />
Über<br />
Erdleitung !<br />
Nicht !<br />
Elektrogerät<br />
Bei Elektrogeräten verbindet man das Metallgehäuse über einen besonderen Schutzleiter (grün-gelbe<br />
Isolierung) und Schutzkontakt (Schukostecker) auch mit der Erde. Bei auftretenden Fehlern schaltet der<br />
Sicherungsautomat oder FI-Schalter die Spannung sofort ab.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5a – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Der Mensch im Stromkreis
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5a – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Der Mensch im Stromkreis - Schaltplan
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5b – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Der Nullleiter ist mit der Erdleitung verbunden. Die Spannung (20 V ~) wird nach dem FI-Schalter angelegt.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5b – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Der Nullleiter ist mit der Erdleitung verbunden. Die Spannung (20 V ~) wird nach dem FI-Schalter angelegt.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5b – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Der Nullleiter ist mit der Erdleitung verbunden. Die Spannung (20 V ~) wird nach dem FI-Schalter angelegt.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5c – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Die Spannung (20 V ~) wird vor dem FI-Schalter angelegt. Das Messgerät reagiert kurz. FI schaltet ab.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5d – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Spannung (20 V ~) nach FI-Schalter. Mensch (mit Erde verbunden) greift auf Elektrogerät passiert nichts.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5e – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Gehäuse des Elektrogerätes mit Phase verbunden. Spannung nach FI Mensch im Stromkreis!
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5f – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Spannung vor FI FI Schaltet ab Mensch nicht im Stromkreis!
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 5e, f – Sicherungseinrichtungen<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0 .. 20 V ~<br />
20 V ~ einstellen<br />
Schaltplan
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 6 – Gleichstrommotor<br />
Bei Verwendung des 3- oder 12- poligen Ankers Motor läuft von selbst an.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 7a – <strong>Wechselstrom</strong>generator (mit Lämpchen)
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 7b – <strong>Wechselstrom</strong>generator (mit Lämpchen und Oszilloskop)<br />
Einstellungen am Oszilloskop: 2 V/cm und 10 ms.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8a – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Ohmscher Widerstand (Lämpchen)<br />
Frequenzgenerator<br />
~ 2 Veff einstellen<br />
0,1 Hz x<br />
1<br />
Schülerversuchstrafo<br />
100 mA =<br />
10 V =<br />
12 V ~<br />
10 V / 0,05 A<br />
Zuerst nur Amperemeter in den Stromkreis schalten:<br />
Zeiger in Mittelstellung Lämpchen leuchtet nicht<br />
Zeiger bei Endausschlag (links oder rechts) Lämpchen leuchtet.<br />
Amperemeter und Voltmeter Strom und Spannung gleichphasig.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8a – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Ohmscher Widerstand (Lämpchen)<br />
Zuerst nur Amperemeter in den Stromkreis schalten:<br />
Zeiger in Mittelstellung Lämpchen leuchtet nicht.<br />
Zeiger bei Endausschlag (links oder rechts) Lämpchen leuchtet.<br />
Amperemeter und Voltmeter Strom und Spannung sind phasengleich.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
Frequenzgenerator<br />
~ 2 Veff einstellen<br />
0,1 Hz x<br />
1<br />
Schülerversuchstrafo<br />
3 A =<br />
10 V =<br />
12 V ~<br />
geschlossener<br />
Eisenkern<br />
Spule<br />
N = 1000<br />
Die Spannung eilt dem Strom um 90° voraus.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
Die Spannung eilt dem Strom um 90° voraus.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
Die Spannung eilt dem Strom um 90° voraus.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8c – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Kapazitiver Widerstand (Kondensator)<br />
Frequenzgenerator<br />
~ 2 Veff einstellen<br />
0,1 Hz x<br />
1<br />
Schülerversuchstrafo<br />
100 µA =<br />
10 V =<br />
12 V ~<br />
10 µF (aus Schülerversuchskasten)<br />
Die Spannung bleibt gegenüber dem Strom um 90° zurück.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 8c – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Kapazitiver Widerstand (Kondensator)<br />
Die Spannung bleibt gegenüber dem Strom um 90° zurück.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9a – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Kapazitiver Widerstand (Kondensator)<br />
Frequenzgenerator<br />
~ 2 Veff einstellen<br />
100 Hz x<br />
1..10<br />
Schülerversuchstrafo<br />
300 µA ~ / 300 mA ~<br />
Der kapazitive Widerstand<br />
nimmt mit der Frequenz ab.<br />
Die Stromstärke nimmt<br />
mit der Frequenz zu.<br />
12 V ~<br />
10 µF (aus Schülerversuchskasten)<br />
Der kapazitive Widerstand ist frequenzabhängig:<br />
1<br />
X C<br />
= ω ⋅C
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9a – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Kapazitiver Widerstand (Kondensator)<br />
Der kapazitive Widerstand<br />
nimmt mit der Frequenz ab.<br />
Die Stromstärke nimmt<br />
mit der Frequenz zu.<br />
Der kapazitive Widerstand ist frequenzabhängig:<br />
1<br />
X C<br />
= ω ⋅C
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
Frequenzgenerator<br />
~ 2 Veff einstellen<br />
100 Hz x<br />
1..10<br />
Schülerversuchstrafo<br />
300 mA ~<br />
Der induktive Widerstand<br />
nimmt mit der Frequenz zu.<br />
Die Stromstärke nimmt<br />
mit der Frequenz ab.<br />
12 V ~<br />
N = 1000<br />
1) N = 1000<br />
2) N = 500 L wird kleiner<br />
Widerstand wird kleiner<br />
Stromstärke steigt<br />
3) Eisenkern L nimmt zu<br />
Widerstand nimmt zu<br />
Stromstärke sinkt<br />
4) geschlossener Eisenkern<br />
Stromstärke fast Null<br />
Der induktive Widerstand ist frequenzabhängig:<br />
X L<br />
= ω ⋅<br />
L
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
Der induktive Widerstand<br />
nimmt mit der Frequenz zu.<br />
Die Stromstärke nimmt<br />
mit der Frequenz ab.<br />
1) N = 1000<br />
2) N = 500 L wird kleiner<br />
Widerstand wird kleiner<br />
Stromstärke steigt<br />
3) Eisenkern L nimmt zu<br />
Widerstand nimmt zu<br />
Stromstärke sinkt<br />
4) geschlossener Eisenkern<br />
Stromstärke fast Null<br />
Der induktive Widerstand ist frequenzabhängig:<br />
X L<br />
= ω ⋅<br />
L
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
1) Spule mit Eisenkern Lampe leuchtet<br />
2) Spule mit geschlossenem Eisenkern Lampe<br />
wird dunkler, da L größer wird<br />
3) N = 500 Lampe wird heller, da L kleiner wird<br />
Glühlampe Spule N = 1000 Steckleiste<br />
Induktiver Widerstand:<br />
X L<br />
= ω ⋅<br />
L<br />
Induktivität:<br />
2<br />
N<br />
L = µ 0<br />
⋅ µ<br />
r<br />
⋅ ⋅ A<br />
l
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9b – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Induktiver Widerstand (Spule)<br />
1) Spule mit Eisenkern Lampe leuchtet hell<br />
2) Spule mit geschlossenem Eisenkern Lampe<br />
wird dunkler, da L größer wird<br />
3) N = 500 Lampe wird heller, da L kleiner wird<br />
Induktiver Widerstand:<br />
X L<br />
= ω ⋅<br />
L<br />
Induktivität:<br />
2<br />
N<br />
L = µ 0<br />
⋅ µ<br />
r<br />
⋅ ⋅ A<br />
l
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9c – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Ohmscher Widerstand (Lämpchen)<br />
Frequenzgenerator<br />
~ 4 Veff einstellen<br />
10 Hz x<br />
1..10<br />
Schülerversuchstrafo<br />
100 mA ~<br />
Der ohmsche Widerstand<br />
ist von der Frequenz<br />
unabhängig.<br />
Die Stromstärke bleibt<br />
gleich.<br />
12 V ~<br />
10 V / 0,05 A<br />
Der ohmsche Widerstand ist frequenzunabhängig.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 9c – <strong>Wechselstrom</strong>widerstände – Ohmscher Widerstand (Lämpchen)<br />
Der ohmsche Widerstand ist frequenzunabhängig.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 10a – Versorgung mit elektrischer Energie<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0..25 V~<br />
Lampe 20 V<br />
Die Lampe leuchtet.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 10b – Versorgung mit elektrischer Energie<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0..25 V~<br />
Lampe 20 V<br />
Zur Lampe wird ein Widerstand mit 330 Ω in Serie geschaltet. Die Lampe leuchtet nicht mehr.<br />
In Überlandleitungen wächst der Leistungsverlust mit dem infolge der Länge zunehmenden ohmschen<br />
Widerstand und mit dem Quadrat der Stromstärke: P = I² · R.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 10c – Versorgung mit elektrischer Energie<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0..25 V~<br />
Lampe 20 V<br />
Schaltung:<br />
Schulerversuchtrafo (0..25 V~) -- Trafo (N=125/N=10000) -- Trafo (N=10000/N=125) – Lampe<br />
Die Lampe leuchtet.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 10d – Versorgung mit elektrischer Energie<br />
Schülerversuchstrafo<br />
0..25 V~<br />
Lampe 20 V<br />
Schaltung:<br />
(0..25 V~) -- Trafo (N=125/N=10000) – Widerstand 330 Ω -- Trafo (N=10000/N=125) – Lampe<br />
Die Lampe leuchtet weiterhin.<br />
Eine hohe Spannung bedeutet eine geringe Stromstärke und damit geringe Leistungsverluste.<br />
Die Lampe leuchtet auch bei Verwendung von 22 kΩ oder 100 kΩ Widerständen.
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 11a – Hochstromtransformator<br />
Steckleiste mit Schalter<br />
Netzspannung<br />
230 V ~<br />
Spule<br />
N 1<br />
= 500<br />
Spule<br />
N 2<br />
= 5<br />
Nagel<br />
N<br />
N<br />
1<br />
2<br />
=<br />
U<br />
U<br />
1<br />
2<br />
=<br />
I<br />
I<br />
2<br />
1<br />
Die Stromstärken verhalten sich umgekehrt proportional den Spannungen.<br />
Anwendung: Schweißtrafo (hohe Stromstärke).
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 11b – Niederspannungstransformator<br />
Steckleiste mit Schalter<br />
Netzspannung<br />
230 V ~<br />
Spule<br />
N 1<br />
= 500<br />
Spule<br />
N 2<br />
= 5<br />
N<br />
N<br />
1<br />
2<br />
=<br />
U<br />
U<br />
1<br />
2<br />
=<br />
I<br />
I<br />
2<br />
1<br />
Lämpchen<br />
3,5 V<br />
Die Spannungen verhalten sich direkt proportional den Windungszahlen.<br />
Anwendung: Netzgeräte (niedrige Spannungen).
<strong>Wechselstrom</strong><br />
Versuch 11c – Trenntransformator<br />
Steckleiste mit Schalter<br />
Netzspannung<br />
230 V ~<br />
Spule<br />
N 1<br />
= 500<br />
Spule<br />
N 2<br />
= 500<br />
Lampe<br />
230 V / 60 W<br />
1) Erdung an Primärseite FI schaltet ab. 2) Erdung an Sekundärseite FI schaltet nicht ab -<br />
getrennter Stromkreis<br />
Der Trenntrafo dient als Schutzvorrichtung, z. B. bei Badezimmersteckdosen.
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