Motoren und Generatoren
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1. Dass die Spitzen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Mittelachse liegen liegt daran dass der Magnet sich zuerst an die Windungen in der Spule ann hert und sich dann wieder zur ckzieht wodurch ein Strom in einer Richtung und dann in der anderen Richtung erzeugt wird Wirbelstrommagie Das nicht magnetisierte Projektil tat genau das was erwartet wurde es fiel aufgrund der Schwerkraft nach unten Der Magnet fiel viel langsamer weil er zuf llige Str me im Kupferr hrchen erzeugte w hrend er nach unten fiel Sein bewegliches Magnetfeld trat in Wechselwirkung mit dem Leiter dem Kupferr hrchen und als Ergebnis wurden Str me erzeugt Das zugeh rige Magnetfeld setzte sich der Bewegung entgegen und bremste das Projektil somit ab Dieser Effekt wird in Bremssystemen f r einige Busse und Z ge verwendet Zwischen den Polen eines Elektromagneten sitzt eine Scheibe die an den drehenden R dern des Fahrzeugs befestigt ist Normalerweise tut die drehende Scheibe nichts Wenn aber der Elektromagnet angeregt wird erzeugt das daraus resultierende Magnetfeld Wirbelstr me in der drehenden Scheibe Diese Wirbelstr me erzeugen ein Magnetfeld das sich der Bewegung entgegensetzt wodurch die Scheibe abgebremst und die Energie der Drehung in W rme umgewandelt wird Die Bremswirkung wird durch nderung des Stroms zum Elektromagneten variiert Wenn die drehende Scheibe abgebremst wird werden die erzeugten Wirbelstr me geringer wodurch die Bremswirk2. locktronics Seite 15 Arbeitsblatt 7 Motoren und Einweggleichrichter Generatoren Der Gro teil des elektrischen Systems des Autos l uft mit Gleichstrom Die Lichtmaschine erzeugt aber Wechselstrom Es wird daher ein Bauteil ben tigt dass Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt damit die Lichtmaschine das System mit Strom versorgen kann Dieser Prozess wird als Gleichrichtung bezeichnet und das Bauteil ist die Diode Es gibt mehrere M glichkeiten wie Wechselstrom mithilfe von Dioden in Gleichstrom umgewandelt werden kann Auf diesem Arbeitsblatt sehen wir uns die einfachste Methode an den Einweggleichrichter Versuch E ii et I i a Baue die in der Abbildung gezeigte Schaltung auf und verwende die Wechselstromspannung Der 1 kQ Widerstand repr sentiert alle Komponenten im elektrischen Systems des Autos Die Abbildung zeigt zwei Positionen f r das Oszilloskop zuerst ist es an den Punkten AC Wechselstrom und dann an den Punkten DC Gleichstrom angeschlossen Wenn dein Oszilloskop zwei Eingangskan le hat schlie e einen an AC und den anderen an DC an Wenn dein Oszilloskop nur einen Eingangskanal hat schlie e es zuerst an AC und dann an DC an um beide Signale getrennt zu messen Die Einstellungen f r das Oszilloskop stehen unten auf dieser Seite sie sind f r beide Methoden gleich bertrage den Graph den du auf dem Display vor und hinter der Diode siehst in dein Heft Du m sstest
3. Elektrizit t leicht gemacht LK8821 sild i nix www matrixmultimedia com Copyright 2009 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 2 Motoren Inhalt und Generatoren Arbeitsblatt 1 Motorprinzip 3 Arbeitsblatt 2 Der Elektromotor 5 Arbeitsblatt 3 Generatorprinzip 7 Arbeitsblatt 4 Erzeugung von Elektrizit t 9 Arbeitsblatt 5 Transformatorprinzip 11 Arbeitsblatt 6 Transformatoren in der Praxis 13 Arbeitsblatt 7 Einweggleichrichter 15 Arbeitsblatt 8 Graetz Schaltung 17 Arbeitsblatt 9 Die Zener Diode 19 Hinweise f r Lehrer 21 Verwendung des Picoskops 29 ber dieses Dokument Code LK8821 Entwickelt f r Produktcode LK7444 Einf hrung in Motoren und Generatoren Versionshinweise Version 16 07 2010 Entwicklungsversion LK8821 80 0 03 09 2010 Freigabeversion LK8821 80 1 Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 3 Arbeitsblatt 1 Motoren und Motorprinzip Das Ziel dieses Arbeitsblatts ist dieses Prinzip kennenzulernen Generatoren Elektromotoren gibt es in allen Formen und Gr en Einige laufen mit Gleichstrom andere ben tigen Wechselstrom Es gibt Elektromotoren mit B rsten ohne B rsten b rstenlos einphasige und Drehstrom Elektromotoren Induktions Synchron Schritt Servomotoren und viele mehr Im Auto k nnen sie den Motor starten die Fenster ffnen und schlie en die Scheibenwischer bet tigen das Gebl se ein
4. wiederholt werden damit die Sch ler wirklich verstehen was passiert Die Sch ler m ssen beide Projektile genau untersuchen und herausfinden welches Projektil der Magnet ist das Gewicht pr fen usw Die Aufgabe an sich ist zwar sehr klein aber die Erkl rung ist sehr lang Lehrer sollten die Erkl rung st ckchenweise vortragen und auf detaillierte Fragen zum Strom und der resultierenden Richtung der Kraft vorbereitet sein Die Regeln von Fleming sollten zusammen mit dem Reductio ad absurdum Argument ber die Folgen der Kraft die in die andere Richtung ausge bt wird angewendet werden Die Bedeutung dieses Effekts f r Automobil Sch ler liegt in seiner Anwendung f r elektrische Verz gerer f r Schwerfahrzeuge wie Busse und Z ge Das Ergebnis der Wirbelstrombremse ist W rmeenergie Eine Alternative ist die regenerative Bremsung bei der die Bewegungsenergie in einer anderen Form als Rotationsenergie in einem drehenden Schwungrad oder als elektrische Energie in einer Batterie gespeichert wird Sch lern k nnte die Aufgabe gestellt werden sich n her mit diesen Optionen zu befassen In der Formel 1 hat man sich beispielsweise am KERS Kinetic Energy Recovery System System zur R ckgewinnung kinetischer Energie versucht Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 26 Motoren Hinweise f r Lehrer und Arbeitsplan Generatoren Arbeitsblatt Hinweise f r den Lehrer O Zet Transformatoren k nnen als
5. Leitungsdraht LK5266 Br ckengleichrichter 1N4001 Kabel schwarz 600 mm 4 mm zu LK5297 Krokodilklemme PH LK5298 Kabel rot 600 mm 4 mm zu Krokodilklemme LK5603 Kabel rot 500 mm 4 mm zu 4 mm stapelbar LK5604 Kabel schwarz 500 mm 4 mm zu 4 mm stapelbare LK6203 Kondensator 2 200 uF elektrolytisch 25 V Druckschalter Morsetasten hnlicher Streifen LK6207 Dr cken schlie t 1 1K7a83 les Transformator mit herausziehbarem Eisenkern 1 1K7a85 Anico Stabmagnet o 1 1K7487 Lenzsches Gesetz Bausatz 1 1K7489 Faradaysches Gesetz Bausatz L 4 LkKe275 Tr g er f r Stromquelle mit Batteriesymbol LK8397 C 14 kosi lam peremeter 0 100 mA Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 23 Motoren Hinweise f r Lehrer und Generatoren Verwendung dieses Kurses Es wird erwartet dass die in diesem Kurs enthaltenen Versuche in den Unterricht oder in kleine Gruppentutorials integriert werden in dem bzw in denen die Theorie hinter der praktischen Arbeit eingef hrt und das erlernte Wissen mit schriftlichen Beispielen Aufgabenstellungen und Berechnungen gefestigt wird Die Arbeitsbl tter sollten vorzugsweise in Farbe f r die Sch ler ausgedruckt fotokopiert laminiert werden Sch ler sollten dazu ermutigt werden sich ihre eigenen Notizen zu machen und die Ergebnistabellen und Abschnitte mit der berschrift Setze ein oder Zusammenfassung in ihre bungshefte zu bertr
6. e Entferne die Gleichstromquelle vom Elektromagneten und schlie e stattdessen einen Signalgenerator an und stelle eine Amplitude von 3 V und eine Frequenz von 300 Hz ein e Schalte den Signalgenerator ein und beobachte den Effekt auf dem Oszilloskop e Lege einen Eisenkern in die Mitte der beiden Spulen und beobachte welchen Effekt dies hat Wir haben jetzt einen einfachen aber ziemlich ineffizienten Transformator e Verdoppele die Amplitude der Stromquelle vom Signalgenerator Was passiert e Was passiert wenn du anstelle von Eisen f r den Kern ein Material wie Stahl verwendest Oszilloskopeinstellungen Zeitbasis 1s div X Multiplikator x1 Spannungsbereich Eingang A 500 mV Gleichstrom Y Multiplikator x1 Eingang B aus Triggerungsmethode Automatisch Triggerkanal Kanal A Triggerrichtung Ansteigend Triggerschwellenwert 10 mV Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 12 Arbeitsblatt 5 Motoren und Generatoren Transformerprinzip Aufgaben Erkl rungen Die Graphen zeigen typische Ergebnisse f r 2 Schritte des Versuchs e Der obere Graph zeigt die Spitzen des Stroms die erzeugt werden wenn die Gleichstromquelle zum Transformator mit 2 Spulen ein und ausgeschaltet wird e Der untere Graph zeigt den Strom der erzeugt wird wenn die Wechselstromquelle am Transformator mit 2 Spulen angeschlossen ist Auf Arbeitsblatt 2 stand dass du zum Erzeugen von Elekt
7. wenn die Diode vorw rts vorgespannt ist und wie ein sehr gro er Widerstand f r Str me die versuchen in die andere Richtung zu flie en wenn die Diode r ckw rts vorgespannt ist Das erste Oszillogramm zeigt einen typischen Graphen der von der ersten Schaltung erhalten wurde Der AC A Wechselstrom AC ndert hier Richtung Wechselstromeingang wird in einen Gleichstromeingang N B Gleichstrom DC ndert Richtung nicht umgewandelt gleichgerichtet Wenn du genau hinsiehst siehst du dass der Ausgang zwar Gleichstrom ist da er nie Ein n herer Blick ber oe enorm kenen m gleichm igen Gleichstrom handelt Vergleiche diesen Graph mit dem Graphen den du von der Gleichstromquelle auf Arbeitsblatt 1 erhalten hast Das zweite Oszillogramm zeigt das gleiche Signal mit einer anderen Zeitbasiseinstellung f r den Oszilloskopen 2 ms div Dieses Oszillogramm zeigt die Gleichrichtung in mehr Detail Beachte insbesondere dass der Gleichstromausgang in rot ca 0 7 V niedriger als der Wechselstromeingang ist Die Diode leitet erst wirklich wenn die Spannung an ihr 0 7 V erreicht Sobald sie anf ngt zu leiten f llt die Spannung an der Diode um 0 7 V wodurch der Gleichstromausgang an allen Punkten 0 7 V unter dem Wechselstromeingang ist Die dritte Abbildung zeigt was passiert wenn ein Beruhigungskondensator hinzugef gt wird Die Ausgangsspannung ist jetzt Gleichstrom und gleichm ig Hierbei spielt die Gr e des Kondensator
8. Erkl rungen Hier ist die zugrundeliegende Theorie e Ein Strom ist ein Fluss aus Elektronen also aus winzigen negativ geladenen Teilchen die in allen Atomen anzufinden sind e Wenn sich Elektronen bewegen erzeugen sie ein magnetisches Feld e Dieses magnetische Feld ruft eine Wechselwirkung mit dem Feld p Pe der Keramikmagnete hervor und f hrt zu einer Anziehung RT TS IE A Absto ung wobei es aber im rechten Winkel zur Stromrichtung und X ae RI a zum Magnetfeld agiert Linke Hand Regel von Fleming John Ambrose Fleming dachte sich eine Methode aus mit der abgeleitet werden kann in welche Richtung sich ein Draht bewegen wird auch als Motorregel bekannt Bewegun Lege deine linke Hand um ein imagin res K stchen sodass Daumen Zeigefinger und Mittelfinger alle im rechten Winkel zueinander ausgerichtet sind Halte dann den Zeigefinger in Richtung des magnetischen Felds vom Nord zum S dpol und den Mittelfinger in Richtung des Stroms vom Pluspol des Akkus zum Minuspol Der Daumen zeigt jetzt in die Richtung der resultierenden Bewegung Setze ein Schreibe die folgenden S tze in dein Heft ab und setze die fehlenden W rter in die L cken ein Denke hierbei an das was du bei deinem Versuch beobachtest hast e Das magnetische Feld bt eine Kraft auf einen Leiter aus der sich im Winkel zur Richtung des und zur Richtung der befindet e Wenn das magnetische Feld u
9. Multimeter zu verwenden Lernziele Nach dem erfolgreichen Abschluss dieses Kurses hat der Sch ler Folgendes gelernt e Nennung von 5 Einsatzbereichen f r Elektromotoren in einem Auto e dass die Kraft die auf einen stromf hrenden Draht ausge bt wird im rechten Winkel zum Strom und zum Magnetfeld wirkt e die Linke Hand Regel von Fleming e Erkl rung warum der Strom im Rotor eines Elektromotors umgekehrt werden muss e Beziehung des von einer Stromquelle gezogenen Stroms auf die von einem Elektromotor geleistete Arbeit e Nennung der Lichtmaschine als Methode zur Erzeugung von Elektrizit t in Komponenten eines Autos e dass der in einem Draht induzierte Strom der sich in einem magnetischen Feld bewegt im rechten Winkel zur Bewegung und zum Magnetfeld flie t e Beziehung der Gr e des induzierten Stroms auf die Geschwindigkeit der Bewegung der St rke des Felds und der vorhandenen Anzahl der Leiter e Erkl rung der Form eines Spannungs Zeitdiagramms das die in einem Draht induzierte Spannung zeigt der sich in einem magnetischen Feld bewegt e Erkl rung wie die Erzeugung von Wirbelstr men genutzt werden kann um eine Bremswirkung hervorzurufen e Beschreibung des Einsatzes von Kommutatoren und Schleifringen zur Gewinnung von elektrischer Energie von einem Generator e Zeichnen des Schaltzeichens f r einen Transformator und Beschreibung der allgemeinen Funktionen eines Transformators e Beziehung dieser Funktionen auf das Prinzip h
10. der Graph beginnt also erst wenn das Signal auf Kanal A 4000 mV 4 V erreicht PicoScope NONAME PSD A File Edit Settings View Window Help FEB Ax msuiv I Am crlon zeot IJac z for gt V ms 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Running Trigger Auto chA Rising 4000 mv p J In diesem Graph Die Einstellungen sind identisch bis darauf dass die Gleichstromoption DC gew hlt wurde Der Graph zeigt jetzt zus tzlich zum Wechselstromsignal an dass es eine gleichm ige Gleichstromkomponente von 4 V gibt Der Graph ist vertikal bei 4 V nicht O V zentriert Die Wechselstromkomponente l sst ihn um 8 V also zwischen 4 V und 12 V schwanken Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited
11. mysteri se Objekte erscheinen Das Ziel dieses Arbeitsblatts ist 30 40 sie als eine Erweiterung dessen vorzustellen was zuvor betrachtet wurde Wenn die Sch ler Minuten akzeptieren k nnen dass Elektrizit t erzeugt wird wenn ein Magnet in eine Spule getaucht wird dann d rften sie keine Schwierigkeiten mit dem Transformator haben Der Magnet wird durch einen Elektromagneten ersetzt und die Bewegung durch ein sich bewegendes magnetisches Feld das durch einen Wechselstrom erzeugt wird Die Verwendung von Picoskopen und Signalgeneratoren kann jedoch Probleme verursachen und die Reihenfolge der Ereignisse verwischen wenn Sch ler nicht mit diesen Instrumenten vertraut sind Lehrer sollten eventuell kurz etwas zu diesen Instrumenten sagen damit diese Schwierigkeiten nicht aufkommen Es ist nicht unbedingt f r jeden Sch ler offensichtlich dass durch das Ein und Ausschalten eines Gleichstrom Elektromagneten ein bewegliches Magnetfeld erzeugt und hierdurch in der Sekund rspule ein Strom induziert wird Lehrer sollten an dieser Stelle eventuell nachhaken indem sie ihren Sch lern entsprechende Fragen stellen Auf diesem Arbeitsblatt geht es haupts chlich um den Unterschied zwischen Aufw rts und 25 40 Abw rtstransformatoren Einige Sch ler haben kein Problem mit dem Konzept des Minuten Abw rtstransformierens sind aber beim Aufw rtstransformieren der Meinung dass dies gegen die Gesetze der Natur geht weil es so aussi
12. rechten Winkel zum Feld und im rechten Winkel zur L nge des Drahts Beobachte dabei den Wert auf dem Messger t e Kehre dann die Bewegungsrichtung um und beobachte wieder das Messger t um zu sehen was jetzt passiert e Probiere als n chstes aus was passiert wenn du den Draht durch eine Spule mit ungef hr 50 Drahtwindungen ersetzt Du kannst Klebeband oder eine B roklammer verwenden um die Windungen zusammenzunhalten Die Abbildung rechts zeigt dir wie du diese Schaltung aufbauen sollst Oszilloskopeinstellungen Zeitbasis 1s div X Multiplikator x1 e Bewege die Spule nach oben und unten in und aus dem Spannungsbereich Eingang A 100 mV Magnetfeld heraus Beobachte dabei die auf dem Messger t Gleichstrom angezeigten Werte Y Multiplikator x1 EingangB aus Triggerungsmethode Automatisch e Wie wirkt sich die Geschwindigkeit der Bewegung auf die Triggerkanal Kanal A Menge der erzeugten Elektrizit t aus Triggerrichtung Ansteigend Triggerschwellenwert 10 mV e Um diese Wirkung besser zu sehen stelle das Oszilloskop so ein dass es die erzeugte Elektrizit t anzeigt Ziehe die Anschl sse zum Multimeter ab und schlie e stattdessen das St ck Draht oder die Spule an den Eingang des Oszilloskops an Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 8 Arbeitsblatt 3 Motoren m und Generatorprinzip Generatoren Aufgaben Erkl rungen Laut der Ergebnisse haben der erzeugte Strom und die er
13. t Rechte Hand Regel Dynamoregel von Fleming Fleming dachte sich eine zweite Regel aus um die Richtung des erzeugten Stroms vorherzusagen Dieses Mal verwendest du die rechte Hand und streckst Daumen Zeigefinger und Mittelfinger wieder in die gleiche Richtung wie vorher Wenn der Zeigefinger in Richtung des Magnetfeldes vom Nord zum S dpol und der Daumen in Richtung der Bewegung zeigt zeigt der Mittelfinger in Richtung des daraus resultierenden Stroms Dies ist in der Abbildung illustriert Diese Regel wird auch als Dynamoregel bezeichnet Bewegun wt Strom Setze ein Schreibe die folgenden S tze in dein Heft ab und setze die fehlenden W rter in die L cken ein e Die Gr e der erzeugten Spannung und des erzeugten Stroms h ngt von und der und einer Richtung ab die von abh ngt Dynamoregel von Fleming e Halte den Daumen den Zeigefinger und den Mittelfinger der Hand im zueinander e Halte die Finger in dieser Position und bewege die Hand bis der Zeigefinger in Richtung des VOM ZUM onnan und der Daumen in Richtung des zeigt e Der Mittelfinger zeigt jetzt in Richtung des l Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited Seite 9 Arbeitsblatt 4 Motoren Erzeugung von Elektrizit t ne ren u a Auf dem letzten Arbeitsblatt ging es um die Physik der Erzeugung von Elektrizit t Auf diesem Arbeitsblatt geht
14. wie ein Oszilloskop Zeitbasis 3 g ER e stellt die Skala auf der Zeitachse Abszisse ein 4 u P e verteilt den Graphen auf der Abszisse wenn eine niedrigere Zahl verwendet wird Spannungsempfindlichkeit e stellt die Skala auf der Spannungsachse Ordinate ein e verteilt den Graphen auf der Ordinate wenn eine niedrigere Zahl verwendet wird Wechselstrom AC oder Gleichstrom DC e zeigt nur verschiedene Spannungen wenn AC gew hlt ist und zentriert den Graphen vertikal auf 0 V e zeigt die echten Spannungswerte wenn DC gew hlt ist Trigger e entscheidet anhand des ausgew hlten Signals wann der n chste Impuls auf dem Graph eingetragen werden soll e wartet bis das Signal den Spannungswert erreicht bevor es beginnt e kann sein wenn ein ansteigendes oder ein fallendes Signal den Spannungswert erreicht Stop Go e Stop bedeutet dass der Graph still steht d h ein gespeichertes Ereignis anzeigt e Go bedeutet dass der Graph Ereignisse in Echtzeit anzeigt e Auf das K stchen klicken um zwischen Stop und Go zu wechseln Die Einstellungen werden am Bildschirm ber die Dropdown Felder ausgew hlt PicoScope NONAME PSD A Fie Edit Settings View Window Help 8X HOC Kris aov facor zefor IJac for gt v 10 Eingang B 8 Zeitbasis 6 Spannungs empfindlichkeit 2 Wechselstrom AC oder Gleichstrom DC Trigger Auto Ich A Running Tri
15. 10 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 7 Arbeitsblatt 3 Motoren und Generatorprinzip Generatoren Elektrische Energie ist sehr vielseitig Wir benutzen sie um W rme Licht Bewegung und chemische Reaktionen im Auto zu erzeugen und speichern sie in der Autobatterie Energie wird in der Regel in einem Ger t erzeugt das als Lichtmaschine bezeichnet wird In diesem Versuch sehen wir uns das Prinzip hinter der Erzeugung von Elektrizit t an Versuch F r diesen Versuch brauchst du nur einen Magneten ein St ck Draht und Bewegung e Baue die in der Abbildung gezeigte Schaltung auf Die erzeugte Elektrizit t wird winzig sein Wir k nnen sie gerade so mit dem Locktronics Milliamperemetermodul beobachten wie in der Abbildung gezeigt aber die Wirkung ist sehr klein Alternativ kannst du ein DMM Digitalmultimeter verwenden das auf die empfindlichste Gleichstromskala eingestellt ist Ein Problem ist dass beim DMM Prozess das Eingangssignal gemessen werden muss Wenn du den Draht im falschen Moment zwischen den Messungen bewegst verpasst das Messger t dieses Ereignis eventuell Unter Umst nden ben tigst du mehrere Anl ufe um berzeugende Ergebnisse zu erhalten e Bewege den Draht so schnell du kannst im Magnetfeld zwischen den Magneten Die Bewegung muss in die richtige Richtung erfolgen Arbeitsblatt 1 gibt uns die notwendigen Informationen hierzu Bewege den Draht nach unten durch das Magnetfeld im
16. Leiter zur Richtung des Stroms und des magnetischen Felds bezieht Die Sch ler werden sehr viel ben m ssen um diese Regel anzuwenden Auf Arbeitsblatt 1 war die Bewegung linear Sch ler brauchen viel Zeit um die nderung zur 20 30 Drehbewegung zu verinnerlichen Die Abbildungen auf Seite 4 m ssen sorgf ltig studiert und Minuten die Linke Hand Regel so oft wie m glich angewandt werden Den Sch lern muss klar werden dass die Bewegung unrund ist wenn der Rotor eine einzelne Spule ist Das maximale Drehmoment wird erzeugt wenn die Ebene der Spule parallel zum Feld wie in der ersten und der dritten Abbildung ist Wenn die Spule senkrecht steht besteht immer noch eine Kraft auf den beiden Seiten sie hat aber keine Drehwirkung Gl cklicherweise bringt das aufgebaute Moment die Spule durch diese Position Sch lern muss klar werden dass die Drehung sich fortsetzen kann wenn es eine M glichkeit gibt die Stromrichtung umzukehren Bei einem Gleichstrommotor kann dies durch den Einsatz eines Kommutators erreicht werden Bei einer einfachen Spule ist dies eine Trommel die in zwei H lften gespalten ist Bei Rotoren die aus mehreren Spulen bestehen ist der Kommutator komplizierter tut aber das Gleiche Bei Wechselstrommotoren kehrt sich der Strom automatisch w hrend jedes Zyklus der Wechselstromquelle um Der Wechselstrom kann ber zwei Schleifringe zur Spule gelangen Die Schleifringe bestehen aus Messing und sind jeweils an einem E
17. Spannung zu vergleichen Der Transformator gewinnt jedes Mal Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 27 Motoren Hinweise f r Lehrer und Arbeitsplan Generatoren Arbeitsblatt Hinweise f r den Lehrer Auf diesem Arbeitsblatt wird die Gleichrichtung Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom eingef hrt Eine Gleichrichtung kann auf mehrere Weisen erfolgen Wir betrachten zwei dieser Weisen und zwar die Einweggleichrichtung und die Graetz Schaltung Die Graetz Schaltung wird auf Arbeitsblatt 8 behandelt Auf diesem Arbeitsblatt geht es um die Einweggleichrichtung Die Sch ler m ssen an die Bedeutung der Spannungs Zeitgraphen erinnert werden Der Strom ndert nur dann seine Richtung wenn der Graph die 0 V Linie berquert Wenn er die Linie nie berquert ist der Strom Gleichstrom aber nicht notwendigerweise ein gleichm iger Gleichstrom Bei der Einweggleichrichtung wird die Tatsache genutzt dass eine Diode nur in eine Richtung leitet um so zu gew hrleisten dass der Strom durch den Verbraucher nie umgekehrt wird also immer Gleichstrom ist Die Gleichrichterschaltung ist einfach einfach eine Diode in Reihe mit dem Verbraucher schalten Sie ist allerdings nicht sehr effizient da w hrend des negativen Zyklus der Wechselstromwelle berhaupt kein Strom flie t Ein Einweggleichrichter richtet nur die H lfte der Wechselstromwelle gleich Wenn das kein Problem darstellt wird Einweggleichrichtung ei
18. agen und dort auszuf llen Sch ler brauchen keine eigene dauerhafte Kopie jedes Arbeitsblatts Jedes Arbeitsblatt enth lt e eine Einf hrung zum jeweiligen Thema e eine schrittweise Anleitung f r den anschlie enden Versuch e einen Abschnitt mit der berschrift Aufgaben Erkl rungen in dem die Ergebnisse zusammengefasst werden und weiterf hrende Aufgaben gestellt werden Hierdurch soll der Austausch von Ideen mit Mitsch lern und dem Lehrer gef rdert werden e einen Abschnitt mit der berschrift Setze ein oder Zusammenfassung den die Sch ler in ihre bungshefte bertragen und dort ausf llen k nnen Dieses Format f rdert ein selbstst ndiges Lernen da Sch ler in einem Tempo arbeiten k nnen das ihren F higkeiten entspricht Die Aufgabe des Lehrers besteht darin zu berpr fen dass die Sch ler die Arbeitsbl tter richtig durcharbeiten und den Lehrstoff verinnerlichen Eine M glichkeit hierf r ist jedes Arbeitsblatt abzuzeichnen sobald ein Sch ler es durchgearbeitet hat und dabei kurz mit dem Sch ler zu sprechen um zu berpr fen ob die Konzepte verstanden wurden Zeit Sch ler werden f r die Durcharbeitung der Arbeitsbl tter zwischen 7 und 9 Stunden brauchen Es wird erwartet dass die eigentliche Vermittlung des Lehrstoffes ungef hr genau so lange dauern wird Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 24 Motoren Hinweise f r Lehrer und Arbeitsplan Gener
19. aph oben auf der Seite zu sehen Aufgaben bertrage das Schaltbild oben auf Seite 18 das das Schaltzeichen f r eine Zener Diode und Beschriftungen f r die Anode und Kathode enth lt in dein Heft bertrage den Graphen oben der das I V Verhalten einer Zener Diode zeigt in dein Heft Zeichne das Schaltbild f r einen Spannungsregler der auf einer Zener Diode basiert Erkl re warum der Ausgang gleich bleibt e wenn sich die Ausgangsspannung ndert e wenn sich der Ausgangsstrom ndert Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 21 Motoren Hinweise f r Lehrer und Generatoren ber diesen Kurs Einf hrung Der vorliegende Kurs ist im Wesentliche ein praktischer Kurs Mit dem Locktronics Kasten k nnen elektrische Stromkreise schnell und einfach aufgebaut werden um mit ihnen anschlie end Versuche durchzuf hren Das Endergebnis kann dank der auf jedem Bauelement aufgedruckten Schaltzeichen genau wie der Schaltplan aussehen Ziel Der Kurs f hrt Sch ler in die Funktionsweise von Motoren und Generatoren in einem Automobilkontext mit einer Reihe praktischer Versuche ein durch die Sch ler ihre theoretische Arbeit mit praktischen F higkeiten vereinen k nnen Vorwissen Es wird empfohlen dass Sch ler den Kurs Elektrizit tslehre 1 und Elektrizit tslehre 2 durchgearbeitet haben oder ber das entsprechende Wissen und die entsprechende Erfahrung verf gen einfache Schaltkreise aufzubauen und
20. atoren Arbeitsblatt Hinweise f r den Lehrer In Autos gibt es eine Vielzahl von Motoren in den verschiedensten Formen und Gr en Es ist 20 30 hilfreich zur Einf hrung dieses Themas Bilder mit Beispielen zur Hand zu haben Minuten Der eigentliche Versuch dauert nur ein paar Minuten aber den Sch lern sollte Gelegenheit gegeben werden ein bisschen mit dem Baukasten zu spielen um sich mit dem System vertraut zu machen In der Anweisung wird erkl rt wie sie das Magnetfeld und die Stromrichtung umkehren um zu sehen was dadurch passiert Der Effekt ist letztendlich relativ mysteri s und beginnt mit den Eigenschaften der Elektronen Es h ngt vom bisherigen Wissen der Sch ler und vom Lehrer ab wie weit die Erkl rung auf Seite 3 vertieft wird Elektronen sind magisch und ihr Verhalten ist jenseits unserer t glichen Erfahrung Wenn sich zum Beispiel ein Elektron an uns vorbei bewegt erfahren wir ein magnetisches Feld Wenn das Elektron still steht und wir uns an ihm vorbei bewegen erfahren wir ebenfalls ein magnetisches Feld Wenn wir uns mit der gleichen Geschwindigkeit wie ein Elektron bewegen erfahren wir kein magnetisches Feld Sich bewegende Elektronen sind die Quelle aller magnetischen Wirkungen selbst derer in Dauermagneten in denen es keinen offensichtlichen Elektronenfluss gibt Es ist wichtig dass die Sch ler lernen dass sich die Linke Hand Regel Motorregel auf die Richtung der Kraft auf einem
21. die 0 V Linie berkreuzt Allerdings wird auch hier wieder ein Beruhigungskondensator ben tigt um einen gleichm igen Gleichstrom zu erhalten Zusammenfassung e Eine Graetz Schaltung verwendet mindestens 4 Dioden l sst aber Strom w hrend des gesamten Wechselstromzyklus durch den Verbraucher durch e Der Ausgang dieser Graetz Schaltung mit 4 Dioden ist 1 4 V niedriger als der Wechselstromeingang und ist kein glatter Gleichstrom e Auch hier kann wieder ein gro er Kondensator am Ausgang des Gileichrichters angeschlossen werden um das erzeugte Gleichstromsignal zu gl tten Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited Arbeitsblatt 9 Motoren und Die Zener Diode w9a Generatoren Die Zener Diode Die Zener Diode ist eine Diode die wenn sie vorw rts vorgespannt ist normalerweise nur in eine Richtung leitet Sie wird aber im Zenerdurchbruch r ckw rts vorgespannt verwendet Anode Kathode Ihre ALEE besteht R die an einen Schaltkreis ausgesendete Spannung zu regeln sie ist also ein Spannungsregler Auf diesem Arbeitsblatt sehen wir uns das Verhalten einer Zener Diode an zuerst von einer vorw rts vorgespannten und dann von einer r ckw rts vorgespannten Zener Diode Versuch 1 Vorw rts vorgespannt Baue die in der Abbildung gezeigte Schaltung auf Die Anode der Zener Diode wird n her am Pluspol der Stromquelle als an ihrem Minuspol angeschlossen Die Diode ist vorw rts vorgespannt Stelle die Strom
22. eht als ob etwas aus dem Nichts entsteht Das ist auch der Grund warum wir uns bei diesem Versuch den Effekt auf den Strom und allgemeine Leistungsprobleme ansehen Der hier verwendete Transformator ist viel effizienter als das primitive Ger t das auf Arbeitsblatt 5 verwendet wurde ist aber noch lange nicht ideal Wir beginnen jetzt die Beziehung zwischen dem Strom und dem Wicklungsverh ltnis zu sehen Der ideale Transformator verschwendet keine Energie aber die Pr senz von K hlrippen und K hlmittelumlauf in Transformatoren in Umspannwerken zeigt dass es schwer ist einen idealen Transformator zu bauen Schwierigkeiten liegen hier wahrscheinlich wieder beim Einsatz von Signalgeneratoren und Digitalmultimetern Die Entscheidung als Signalfrequenz 300 Hz zu w hlen ist rein pragmatisch sie erzeugt eine effizientere Transformation Etwas fortgeschritteneren Sch lern kann die Aufgabe gestellt werden die Wirkung der Frequenz zu untersuchen Bei Lichtmaschinen in Autos ist die Situation komplizierter weil mehrphasige Lichtmaschinen verwendet werden Nicht alles ist einfach 50 Hz In den Ergebnissen wird die Transformatorbeziehung eingef hrt was sehr gut hierhin passt und das Problem des Aufw rts und Abw rtstransformierens von Strom was problematischer ist Sch ler erhalten die Aufgabe den Einsatz eines Transformators zur Verringerung der Spannung mit dem Einsatz eines in Reihe geschalteten Widerstands zum Verringern der
23. eibe die Rolle die jede der drei Komponenten im Transformator spielt e Prim rspule e Sekund rspule e Kern Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 13 Arbeitsblatt 6 Motoren und Transformatoren in der Praxis Generatoren Transformatoren werden in vielen Bereichen verwendet und spielen eine wichtige Rolle in unserem Leben Gro e Transformatoren regulieren die Stromversorgung I er zu unseren H usern und befinden sich in Umspannwerken Andere Siik i Zi Transformationen findest du aber auch im Haus 1 1 Elektroger te ben tigen Niedervolt Gleichstrom Batterien sind a eine teure Methode um diesen Gleichstrom bereitzustellen Stattdessen wird oft Hochvolt Wechselstrom ber Transformatoren in TTET Niedervolt Wechselstrom umgewandelt Dieser Wechselstrom wird dann in T E Gleichstrom f r Radios elektrische Zahnb rsten Computer usw umgewandelt oder zum Aufladen von Akkus f r Handys Kameras usw verwendet er ot E A T Versuch Abw rtstransformator Bei einem Abw rtstransformator hat die Prim rspule die Spule die mit Wechselstrom versorgt wird mehr Drahtwicklungen als die Sekund rspule die die Ausgangsspannung des Transformators erzeugt Wir benutzen hier einen kommerziellen Transformator mit einem Wicklungsverh ltnis von 2 1 was bedeutet dass eine Spule doppelt so viele Wicklungen wie die andere hat Die Prim rspule ist die Spule 2 die Sekund rspule die Spu
24. en Alle Halbleiterdioden weisen das gleiche Verhalten auf sie leiten wenn sie vorw rts vorgespannt sind und sperren wenn sie r ckw rts vorgespannt sind allerdings nicht von Anfang an Alle Halbleiterdioden haben eine maximale Sperrspannung Dar ber hinaus brechen sie durch und leiten Der Unterschied zu Zener Dioden besteht darin dass sie dazu ausgelegt sind bei relativ niedrigen aber sorgf ltig definierten Spannungen durchzubrechen Die Sch ler befassen sich zun chst mit dem Strom Spannungsverhalten der Zener Diode Wenn die Diode vorw rts vorgespannt ist ist das Ergebnis das gleiche wie bei jeder Siliziumdiode ein vorw rtsgespannter Spannungsabfall von 0 7 V Bei einer r ckw rts vorgespannten Diode beginnt alles sehr logisch es flie t zun chst kein Strom Wenn die angelegte Spannung den Zenerdurchbruchwert erreicht in diesem Fall 4 7 V beginnt die Diode zu leiten Sehr bald leitet sie frei und der Spannungsabfall an ihr schwankt kaum w hrend der Strom gr er wird Genau dieses Verhalten wollen wir f r einen Spannungsregler haben Im n chsten Abschnitt wird die Funktionsweise einer Spannungsreglerschaltung erkl rt die an einem Einweggleichrichter angeschlossen ist Tats chlich wird hierbei nur das Verhalten der Zener Diode ausgenutzt Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 29 Motoren Verwendung des Picoskops und Generatoren Das Picoskop verwendet die gleichen Einstellungen
25. er Abw rtstransformator transformiert die Spannung herunter liefert aber den gleichen Sekund rstrom wie im vorherigen Fall bei einem viel kleineren Prim rstrom 3 In beiden F llen haben wir die gleiche Ausgangsspannung Vs f r den 1 kQ Verbraucher angelegt der Sekund rstrom Is h tte demzufolge also sehr hnlich sein m ssen Der S uretest Wie wird die elektrische Leistung Energie pro Sekunde zur Prim rspule geliefert verglichen mit der Leistung die vom Ausgang zur Sekund rspule geliefert wird Berechne diese Gr en mit folgender Formel Leistung Strom x Spannung Leistung an Primarspule Pp lp X VpS anna anna mW Leistung vom Ausgang der Sekund rspule Ps ls X Vs nnnennenennennneennnnnnnennennnn mW F r einen idealen Transformator 100 effizient Pp Ps und ls Ip Np Ng Urteil Der Transformator ist in keiner Weise magisch Er wandelt die Form der Elektrizit t um allerdings auf Kosten der Energie In der Realit t ist die Leistung von der Sekund rspule kleiner als die Leistung zur Prim rspule Aufgaben e Ubertrage die Transformatorbeziehung in dein Heft und erkl re in Worten was sie bedeutet e Erkl re was die Begriffe aufw rts transformieren und abw rts transformieren im Zusammenhang mit Transformatoren bedeuten Mache in jedem Fall deutlich welche Rolle die Anzahl der Drahtwicklungen spielt und was genau aufw rts und abw rts transformiert wird Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited
26. er sanft auf die Welle des Motors oder gegen das Plastikrad das daran befestigt ist um den Motor zu verlangsamen Beobachte hierbei den auf dem Amperemeter angezeigten Wert e Dr cke den Druckschalter erneut Dr cke auf die Welle oder auf das Rad hl damit sich der Motor f r einen Moment nicht dreht Beobachte hierbei wieder den auf dem Amperemeter angezeigten Wert e bertrage die Tabelle in dein Heft und setze deine Messwerte ein Aufgaben Erkl rungen Warum ist der Strom am geringsten wenn sich der Motor am schnellsten dreht Wir werden sp ter sehen dass eine Spule die sich in einem Magnetfeld dreht eine Spannung erzeugt Je schneller sie sich dreht desto h her wird die Spannung Diese Spannung steht der externen Spannung entgegen die die Bewegung erzeugt Das ist logisch weil wir ansonsten die externe Spannung ausschalten k nnten und dann eine dauerhafte Bewegung h tten Die Gesamtspannung und damit der Strom wird reduziert Anders ausgedr ckt Wenn der Motor mehr Arbeit leisten muss und sich gegen die zus tzliche Reibung dreht die wir durch das Dr cken auf die Welle erzeugen ben tigt er mehr Strom Zusammenfassung e Wenn der Motor mehr Arbeit leisten muss erh ht sich der Strom den der Motor von der Stromquelle zieht e Wenn der Motor frei mit maximaler Drehzahl l uft ist der Strom am geringsten weil die drehende Spule eine Spannung erzeugt die der externen Spannung entgegengesetzt ist Copyright 20
27. es darum wie mehr Elektrizit t erzeugt werden kann Au erdem wird eine wichtige Anwendung vorgestellt Bei Kraftfahrzeugen bekommt das elektrische System seine Energie aus einer Kombination aus der Batterie und der Lichtmaschine Die Ausgabe von der Lichtmaschine wird gleichgerichtet und geregelt und verwendet um elektrische Energie an periph re Ger te wie Scheinwerfer zu liefern und um die Bleis urebatterie geladen zu halten An anderen Stellen ist die Wirbelstrombremse eine praktische Anwendung die die gleichen Prinzipien verwendet um Fahrzeuge abzubremsen ohne sich auf eine Reibungsbremse zu verlassen Versuch 1 Erzeugung von mehr Elektrizit t E Wir haben gesehen dass die Menge der erzeugten Elektrizit t von Faktoren wie der Anzahl der verwendeten Windungen abh ngt F r diesen Versuch werden wir eine Spule mit 400 Windungen verwenden die auf einer durchsichtigen Platsikr hre montiert ist und werden dann einen Magneten durch die R hre werfen um zu zeigen wie a erzeugt wird It e Schlie e den rechts abgebildeten Lenzsches Gesetz Apparat an ein Oszilloskop an e Das Oszilloskop wird verwendet um die Erzeugung von Elektrizit t anzuzeigen Die Einstellungen sind unten auf der Seite gezeigt e Tauche den Magneten in die Spulen ein und notiere das Ergebnis auf dem Oszilloskop e Ziehe den Magneten heraus und notiere wieder das Ergebnis e Tauche den Magneten schneller und langsamer in die R hre hinein und ziehe
28. ezeigte Schaltung mit der Wechselstromquelle auf Auch hier wieder repr sentiert der 1 kQ Widerstand den Verbraucher also alle Komponenten im elektrischen Systems des Autos Wichtig Wenn dein Oszilloskop zwei Eingangskan le hat NICHT einen Eingangskanal an AC und den anderen an DC ANSCHLIESSEN Hierdurch wird eine der Dioden kurzgeschlossen Der Grund hierf r ist ausf hrlicher auf der n chsten Seite erkl rt Schlie e einen Kanal des Oszilloskops an um den Wechselstromsignaleingang zu messen Schlie e das Oszilloskop dann an um den Gleichstromsignalausgang zu messen Die Einstellungen f r das Oszilloskop stehen z unten auf dieser Seite und sind die gleichen die du beim letzten Versuch verwendet hast bertrage den Wechselstrom und den Gleichstromgraphen in dein Heft s a Der Gleichstromausgang variiert weniger als bei der Einweggleichrichtung ist aber immer noch keine gleichm ige Spannung Versuche es mit der gleichen L sung wie beim vorherigen Versuch schlie e am Ausgang der Graetz Schaltung einen gro en Kondensator an Die ge nderte Schaltung ist in der zweiten Abbildung Oszilloskopeinstellungen gezeigt Zeitbasis 10 ms div X Multiplikator x1 Spannungsbereich Eingang A 10 V Verwende das Oszilloskop mit den gleichen Einstellungen Gleichstrom Y Multiplikator x1 wie zuvor um die Wellenform am 1 kQ Verbraucher in Triggerungsmethode Automatisch dein Heft zu bert
29. feststellen dass der Strom der durch den 1 kQ Widerstand flie t Gleichstrom ist er ndert nicht seine Richtung Er ist aber nicht der gleiche glatte Gleichstrom den du auf Arbeitsblatt 1 gesehen hast Die Leistung dieses Gleichrichters kann verbessert werden indem ein Kondensator hinzugef gt wird Baue die in der zweiten Abbildung gezeigte Schaltung auf in der ein gro er Kondensator 2200 uF der als Beruhigungskondensator bezeichnet wird hinzugef gt wurde Oszilloskopeinstellungen Verwende ein Oszilloskop mit den gleichen Einstellungen Zeitbasis 10 ms div X Multiplikator x1 wie zuvor um die Wellenform ber den 1 kQ Verbraucher Spannungsbereich Eingang A 10 V zu sehen und in dein Heft zu bertragen schlie e hierzu Gleichstrom Y Multiplikator x1 das Oszilloskop wieder an die Dr hte DC an Emgang 5 gelene Ensienungen tals verwendet Triggerungsmethode Automatisch Triggerkanal Kanal A Triggerrichtung Ansteigend Triggerschwellenwert 200 mV Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 16 Arbeitsblatt 7 Motoren Einweggleichrichter und Generatoren Aufgaben Erkl rungen Einfache Gleichrichtung FEU 0 eepepe ereneinn Peer PeaSSeese nennen nenn iji e e nd E p vi N i h N i 1 i vV Die Diode l sst Strom nur in eine Richtung durch sie und den 1 kQ Verbraucher flie en Sie verh lt sich wie ein kleiner Widerstand f r Str me die versuchen in eine Richtung zu flie en
30. gger wann wie der Graph beginnt In diesem Graph Zeitbasis 5 ms div die Zeitskala Abszisse ist also in 5 ms Zeitabst nde unterteilt Spannungsempfindlichkeit 10 V der maximal m gliche Spannungsbereich Ordinate ist also 10 V bis 10 V Trigger Automatisch nderungen am Signal werden angezeigt sobald sie auftreten Kanal A Betrachtet das Signal auf dem Kanal um zu entscheiden wann der Graph begonnen wird Ansteigend Wartet bis eine ansteigende Spannung den Schwellenwert erreicht Schwellenwert 0 mV Startet den Graphen wenn das Signal auf Kanal A ber O V ansteigt Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 30 Motoren Verwendung des Picoskops und Generatoren Mehr Picoskope Graphen f r das gleiche Signal PicoScope NONAME PSD ER E Ag File Edit Settings View Window Help Se wxj msav IX z ajov IJac or Bfot fac for V ms 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Running Trigger Auto Ich Ar Rising 4000 Emy p jf In diesem Graph Zeitbasis 20 ms div e Die Zeitskala Abszisse ist in 20 ms Zeitabst nde unterteilt e Der Graph ist horizontal zusammengedr ckt zeigt aber eine gr ere Zeitdauer Spannungsempfindlichkeit 20 V e Der maximal m gliche Spannungsbereich Ordinate ist 20 V bis 20 V e Der Graph ist vertikal zusammengedr ckt zeigt aber einen gr eren m glichen Spannungsbereich Trigger jetzt 4000 mV
31. hen sich aber wieso drehen sie sich Die Abbildung auf der rechten Seite zeigt eine aufgeschnittene Drahtspule die in das Blatt Papier N verschwindet Es besteht ein magnetisches Feld von links nach rechts Strom flie t in das Papier auf der linken Seite der Spule und aus dem Papier auf der rechten Seite heraus Wenn du die Linke Hand Regel anwendest siehst du dass die Seiten der Spule versuchen sich in die durch die blauen Pfeile angezeigten Richtungen zu bewegen Die Folge ist dass die Spule beginnt sich zu drehen Auf der hinteren Seite der Spule ist keine Kraft weil der Strom parallel nicht im rechten Winkel zum Magnetfeld flie t Wenn die Spule die in der zweiten Abbildung angezeigte Position erreicht sind die Kr fte auf den beiden Seiten auf einer H he aber in entgegengesetzten Richtungen Es liegt N jetzt keine Drehwirkung mehr vor aber das Moment tr gt die Spule ber diese Position hinweg Wir m ssen jetzt den Strom umkehren damit die Spule durch die Kr fte weiter gedreht wird wenn sie die in der dritten Abbildung gezeigte Position erreicht N Solange der Strom wieder zum richtigen Zeitpunkt umgekehrt wird setzt sich die Drehung fort Es gibt 2 M glichkeiten den Strom umzukehren 1 Verwendung von Schleifringen mit B rsten Jedes Ende der Spule wird mit ihrem eigenen vollen Messingring verbunden Der elektrische Kontakt zu jedem Ring wird mit einer Kohleb rste hergestellt die sich an die Form des Rings anschmiegt
32. ihn schneller und langsamer heraus ndert sich die Menge der erzeugten Elektrizit t 2 Wirbelstrommagie F r diesen Versuch ben tigst du ein Kupferr hrchen indem sich zwei Projektile befinden der Faradaysche Gesetz Bausatz e Halte das Kupferr hrchen senkrecht e Werfe das erste Projektil in das R hrchen e WVerfe jetzt das zweite Projektil in das R hrchen Was ist der Unterschied e Sieh dir die beiden Projektile an Ein Projektil ist ein Magnet das andere ist kein Magnet Finde heraus welches ein Magnet und welches kein Magnet ist Du ben tigst hierf r unter Umst nden einen Gegenstand wie zum Beispiel eine B roklammer um dir bei der Entscheidung zu helfen e Welches Projektil ist schneller nach unten Oszilloskopeinstellungen gefallen Warum Zeitbasis 1s div X Multiplikator x1 Spannungsbereich Eingang A 500 mV Gleichstrom Y Multiplikator x1 EingangB aus Triggerungsmethode Automatisch Triggerkanal Kanal A Triggerrichtung Ansteigend Triggerschwellenwert 10 mV Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 10 Arbeitsblatt 4 Motoren und Generatoren Erzeugung von Elektrizit t Aufgaben Erkl rungen Der hier gezeigte Graph ist typisch f r die Ausgabe des ersten Versuchs Die Spitzen zeigen Impulse des Stroms der erzeugt wurde als der Magnet in die Spule getaucht wurde Diese Spitzen sind rund 10 Mal h her als im vorherigen Versuch
33. inter der Erzeugung von Elektrizit t e Unterscheidung zwischen dem Verhalten von Aufw rts und Abw rtstransformatoren e Definition und Verwendung der Transformatorbeziehung e Erkl rung der Beziehung zwischen Strom und Spannung in der Prim r und Sekund rspule eines Transformators e dass Transformatoren in der Praxis Energie verschwenden e Berechnung der Leistung an der Prim rspule und der verf gbaren Leistung von der Sekund rspule eines Transformators e Definition der Gleichrichtung als Prozess der Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom e dass eine Einweggleichrichtung nur eine Diode verwendet aber nur ber die H lfte der Zeit einen Gleichstrom erzeugt e dass eine Graetz Schaltung eine Gleichspannung erzeugt die 0 7 V niedriger als die h chste Wechselspannung ist e dass eine Graetz Schaltung mindestens 4 Dioden verwendet aber einen Gleichstrom w hrend des gesamten Wechselstromzyklus erzeugt e dass eine Graetz Schaltung eine Gleichspannung erzeugt die 1 4 V niedriger als die h chste Wechselspannung ist e Zeichnen des Schaltzeichens f r eine Zener Diode und Benennung der Anode und Kathode e F higkeit die Auswirkungen der I V Charakteristik einer Zener Diode zu skizzieren und zu beschreiben e Beschreibung der Funktionen einer Zener Diode die es erm glichen sie als Spannungsregler einzusetzen e Erkl rung wie der Ausgang eines zenerbasierten Spannungsreglers nderungen in der Eingangsspannung und im Ausgangsstrom widers
34. jetzt Vp Ip und Is und schreibe die Werte auf Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 14 Arbeitsblatt 6 Motoren und Transformatoren in der Praxis Generatoren Aufgaben Erkl rungen Arbeitsblatt 5 zeigte das Prinzip hinter dem Transformator aber das letztendliche Ger t war sehr ineffizient Das Bild zeigt die verbesserte Version 2 Spulen die nebeneinander liegen wie in der ersten Version aber jetzt durch einen viel komplexeren Kern verbunden Der Kern geht durch die Mitte der Spulen und liegt au erdem um die Spulen herum Das Ergebnis ist eine viel effektivere Verbindung zwischen der Sekund rspule und dem Magnetfeld das in der Prim rspule erzeugt wird Was die Ergebnisse zeigen 1 Schau dir das Verh ltnis von Vp zu Vs f r sowohl den Aufw rts als auch den Abw rtstransformator an Du m sstest eine Verbindung mit dem Wicklungsverh ltnis des Transformators sehen Die Transformatorbeziehung besagt dass f r einen idealen Transformator Vp Vs Np Ns wobei Np und Ns die Anzahl der Wicklungen auf der Prim r bzw der Sekund rspule sind 2 Schau dir das Verh ltnis von Ip zu Is f r beide Transformatoren an Es ist nicht ganz so offensichtlich was hier passiert Allgemein gesagt e Der Aufw rtstransformator transformiert die Spannung hoch verdoppelt sie praktisch transformiert aber den Strom herunter der Strom in der Prim rspule ist viel h her als in der Sekund rspule e D
35. latt 9 Motoren Die Zener Diode und Generatoren Aufgaben Erkl rungen Strom Zeichen einen Graphen mit deinen Ergebnissen f r das Verhalten der Zener Diode Trage den Strom auf der y Achse und die Spannung auf der x Achse ein Zenerdurchbruch Spannung Zeichne eine glatte Kurve durch die Punkte aus dem Versuch Das Ergebnis m sste so wie der rechts gezeigte Graph aussehen Vorw rts vorgespannt R ckw rts vorgespannt wIc Die Ergebnisse zeigen dass sich die Spannung an der Zener Diode kaum ndert wenn der Zenerdurchbruch erreicht ist und der Strom sich erh ht Das ist das ideale Verhalten f r eine Stromquelle Ein Zenerspannungsregler Das Ziel eines Spannungsreglers ist eine gleichm ige Ausgangsspannung zu liefern und zwar unabh ngig davon welche nderungen im Ausgangsstrom oder in der Ausgangsspannung auftreten Wir haben gesehen dass eine Zener Diode genau dieses Verhalten aufweist Um dieses Verhalten zu nutzen baue eine Schaltung wie die hier gezeigte auf JIN 4 7V i Ausgang Wenn sich die Spannung an der Stromquelle Vs ndert bleibt die Spannung Vz an der Zener Diode gleich und die Spannung Vpr am Widerstand ndert sich Beispiel Wenn Vs 8 5 V Vz 4 7 V dann ist Vr 3 8 V 8 5 4 7 Wenn Vs dann auf 8 8 V ansteigt ist Vz 4 7 V und Vr 4 1 V 8 8 4 7 Wenn sich der vom Ausgang gezogene Strom ndert bleibt die Spannung an der Zener Diode stabil wie im Gr
36. le 1 e Baue die in der Abbildung gezeigte Schaltung auf die einen Verbraucher mit einem Widerstand von 1 kQ mit Strom versorgt e Schlie e einen Signalgenerator an die Spule 2 an Verwende den Niedrig Impedanzausgang Verwende den Niedrig Impedanzausgang typischerweise 50 Q Stelle ihn so ein dass eine Sinuswelle mit einer Frequenz von 300 Hz und einer Amplitude von 6 0 V ausgegeben wird Wenn du dir nicht sicher bist frage deinen Lehrer e bertrage die Tabelle in dein Heft und trage dann dort deine Ergebnisse ein e Schlie e ein Digitalmultimeter DMM an und stelle es auf einen Wechselstrombereich von 20 V ein um die Spannung Vp an der Prim rspule 2 und dann Vs an der Sekund rspule 1 zu messen e Stelle das DMM auf den Wechselstrombereich 20 mA ein e Schlie e es an um die Verbindung unter der Spule 2 zu ersetzen und lese den Prim rstrom Ip ab Setze dann die Verbindung wieder ein e Messe den Strom Is in der Sekund rspule auf die gleiche Weise Aufw rtstransformator Bei einem Aufw rtstransformator hat die Prim rspule weniger Wicklungen als die Sekund rspule In diesem Fall ist die Prim rspule die Spule 1 und die Sekund rspule die Spule 2 e Die Schaltung ist die gleiche wie oben nur dass der Transformatortr ger hier auf dem Kopf steht e Schlie e das DMM an um die Sekund rspannung Vs zu messen ndere die Amplitude des Signalgenerators bis Vs den gleichen Wert wie beim vorherigen Versuch hat e Messe
37. mgekehrt wird wird umgekehrt e Wenn der Strom umgekehrt wird wird umgekehrt e Wenn der Strom erh ht wird erh ht sich Setze die fehlenden W rter in die folgende Version von Flemings Motorregel ein e Halte den Daumen Zeigefinger und Mittelfinger deiner Hand im zueinander e Lass die Finger in dieser Position und bewege die Hand bis der Zeigefinder in die Richtung des VOM ZUM 2 2 2 zeigt und der Mittelfinger in Richtung des VOM ZUM sera zeigt e Der Daumen zeigt jetzt in die Richtung der Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 5 Arbeitsblatt 2 Motoren und Der Elektromotor Generatoren Elektromotoren bestehen in der Regel aus einer Spule die sich im Magnetfeld eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten dreht Sie drehen sich weil ein Mechanismus den Strom genau zum richtigen Zeitpunkt umkehrt Es m ssen also 2 Probleme gel st werden e Es muss eine elektrische Verbindung zu einer drehenden Spule hergestellt werden e Der Strom muss zum richtigen Zeitpunkt umgekehrt werden Die L sungen sind Fu e Verwendung von Schleifringen mit einer Wechselstromspannung e Verwendung eines Kommutators und Kohleb rsten mit einer Gleichstromspannung Der Locktronics Baukasten verwendet den zweiten dieser Ans tze Aufgaben Erkl rungen Der Elektromotor Die meisten Motoren dre
38. n getrenntes Wechselstromsignal Dieses Prinzip ist in der folgenden Abbildung gezeigt Voltage In diesem Fall sind f r die Graetz Schaltung 6 Dioden erforderlich Es ist wichtig dass Sch ler nicht versuchen zwei Picoskop Eingangskan le zu verwenden um gleichzeitig 2 Signale zu erfassen Das u ere Geh use der BNC Anschl sse wird verbunden Wenn 2 Eing nge verwendet werden und an unterschiedlichen Teilen einer Schaltung angeschlossen werden k nnen diese Teile kurzgeschlossen werden Das wird auf Seite 17 mithilfe einer Abbildung einer Graetz Schaltung erl utert um das Problem zu verdeutlichen Lehrer k nnen dieses Problem aber auch mit den Sch lern besprechen da es auch Auswirkungen auf den Einsatz von Testinstrumententen hat Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 28 Motoren Hinweise f r Lehrer und Arbeitsplan Generatoren Arbeitsblatt Hinweise f r den Lehrer O Zeit Bisher ging es um die Erzeugung von Elektrizit t und die Transformation der Spannung um 30 45 sie gleichzurichten Das letzte Thema ist die Bereitstellung der Spannung In vielen Situationen Minuten wird eine konstante Spannung ben tigt Die Eingangsspannung am Generator kann schwanken der Strombedarf kann schwanken aber die Ausgangsspannung darf nicht schwanken Es wird also ein Spannungsregler ben tigt der auf diesem Arbeitsblatt vorgestellt wird Auf dem Arbeitsblatt wird das Verhalten der Zener Diode beschrieb
39. nde der Spule angebracht Ein oftmals schwer verst ndliches Konzept ist die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem von der Stromquelle geforderten Strom Wenn der Motor mit der h chsten Drehzahl l uft muss er nur gegen Reibkr fte in den Lagern und gegen den Luftwiderstand arbeiten Als Ergebnis zieht er nur einen kleinen Strom Wenn der Motor zus tzliche Arbeit leisten muss zieht er zus tzlichen Strom um so zus tzliche Energie zu erhalten Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 25 Motoren Hinweise f r Lehrer und Arbeitsplan Generatoren Arbeitsblatt Hinweise f r den Lehrer O Zet Bei den praktischen bungen muss genau aufgepasst werden Die hier betrachteten Effekte 30 40 sind gering und k nnen leicht bersehen werden Wenn Sch ler Digitalmultimeter verwenden Minuten m ssen sie wissen dass sie das Eingangssignal in periodischen Abst nden messen sollten und dass kurze Impulse verpasst werden k nnen Sch ler sind oftmals unsicher wenn sie Digitalmultimeter benutzen sollen da hierbei der richtige Bereich und der richtige Anschluss gew hlt werden m ssen Lehrer m ssen eventuell zu Beginn der Stunde kurz wiederholen wie das Digitalmultimeter richtig verwendet wird oder den Sch lern beim Ablesen der Werte helfen Eine weitere Schwierigkeit ist dass viele Digitalmultimeter mit einer Schmelzsicherung zum Schutz vor zu hohen Lasten auf Gleichstrombereichen versehen sind Diese Schmelz
40. ngesetzt Ein Beispiel hierf r ist das einfache Erhaltungsladeger t f r Bleis urebatterien bei dem akzeptiert wird dass der Ladevorgang einige Zeit dauern wird Der Einwegogleichrichter liefert keinen glatten Gleichstrom Es liegt eine gro e Brummspannung Variation in der Ausgangsspannung vor Diese kann erheblich reduziert werden indem ein gro er Kondensator parallel mit dem Verbraucher geschaltet wird Um die Gr e klein zu halten ist dies in der Regel ein Elektrolytkondensator und es muss folglich darauf geachtet werden dass dieser richtig herum angeschlossen wird wie in der Abbildung auf Seite 14 gezeigt Die Ergebnisse zeigen auch dass der Ausgang 0 7 V niedriger ist weil die verf gbare Spannung zwischen der leitenden Diode und dem Verbraucher aufgeteilt wird Thema dieses Arbeitsblatt ist die Graetz Schaltung Diese Schaltung nutzt sowohl den positiven als auch den negativen Halbzyklus der Wechselspannung Durch den Verbraucher kann st ndig ein Gleichstrom flie en wodurch die Spannung effizienter genutzt wird Der Nachteil dieser h heren Effizienz ist eine komplexere Schaltung Um die Wechselspannung gleichzurichten werden mindestens 4 Dioden eingesetzt Lichtmaschinen in Autos geben oftmals Drehstrom also effektiv 3 Wechselstromsignale aus die bereinander liegen aber zeitlich versetzt sind Die Lichtmaschine enth lt drei unabh ngige Gruppen von Spulen Der drehende Elektromagnet erzeugt in jeder Spulengruppe ei
41. quelle auf 6 V Gleichstrom ein Ein 1 kQ Widerstand ist in Reihe mit der Zener Diode geschaltet Schlie e ein digitales Multimeter DMM an und stelle es auf einen ieiehstrambereien von 2 V ein um die Spannung Vz an der Zener Diode abzulesen Entferne den Anschluss zwischen dem Poti und dem 1 kQ Widerstand Iz in mA Vz in V und ersetze ihn durch ein zweites DMM das du auf den Bereich 20 mA 2 einstellst um den Zenerstrom lz abzulesen E ber den Poti k nnen wir die Spannung ndern die an der Zener Diode ooa ooo anliegt Drehe den Knopf am Poti bis zum Anschlag gegen den Uhrzeigersinn um die Spannung auf Null zu setzen Drehe den Knopf langsam im Uhrzeigersinn bis der Strom durch die Diode 0 2 mA erreicht Lese dann die Spannung an der Diode ab bertrage die Tabelle in dein Heft und trage dort deine Ergebnisse ein Erh he den Strom in Schritten von 0 2 mA auf bis zu 2 0 mA und lese bei jedem Schritt die Spannung ab 2 R ckw rts vorgespannt Stelle die Stromquelle auf 9 V ein Tausche den 1 kQ Widerstand gegen einen 270 Q Widerstand aus Kehre die Richtung der Zener Diode um sodass sie r ckw rts vorgespannt ist Wiederhole die obigen Schritte und erh he den Strom durch die Zener Diode in Schritten von 0 2 mA bis auf 5 0 mA und lese bei jedem Schritt die Spannung ab Trage deine Ergebnisse in einer zweiten Tabelle wie der ersten ein Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited Seite 20 Arbeitsb
42. ragen Triggerkanal Kanal A Triggerrichtung Ansteigend Triggerschwellenwert 200 mV Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 18 Arbeitsblatt 8 Motoren und Graetz Schaltung Generatoren Aufgaben Erkl rungen Die Graetz Schaltung ist rechts gezeigt Auf der vorherigen Seite stand dass du mit zwei Oszilloskopkan len nicht gleichzeitig Wechselstrom und Gleichstrom messen kannst Um gleichzeitig Wechselstrom und Gleichstrom zu messen w rdest du einen Kanal an Punkt A und C anschlie en um das Wechselstromsignal zu messen und den anderen an Punkt B und D um Gleichstrom zu messen Das Oszilloskop hat aber eine gemeinsame 0 V Verbindung zwischen den beiden Kan len Das bedeutet dass du z B Punkt C und D ber die gemeinsame Oszilloskopverbindung verbinden und somit eine der Dioden kurzschlie en w rdest Graetz Schaltung m 2007 2207 BT annann gennana nnana ponnn nrnna nnana nrnna nannan rnanan nnana EEE SEES v i i i A i i g w8p Die drei Oszilloskopgraphen zeigen das Wechselstromsignal das in die Graetz Schaltung geht den Gleichstromausgang sowie was passiert wenn ein Kondensator zum Gl tten des Ausgangs hinzugef gt wird Der Gleichstromausgang im mittleren Graphen ist eine Verbesserung gegen ber dem Einwegogleichrichterausgang da Strom w hrend des gesamten Wechselstromzyklus durch den Verbraucher flie t Auch hier ist dies wieder Gleichstrom weil der Graph nie
43. rizit t nur einen Magneten ein St ck Draht und Bewegung ben tigst Der einzige Unterschied hier ist dass wir einen Magneten durch einen Elektromagneten ersetzt haben und dass wir die zweite Spule mit der ersten Spule erregt haben Im zweiten Graph kannst du sehen dass eine Spule die Prim rspule mit Wechselstrom versorgt wird und ein wechselndes Magnetfeld erzeugt das auch die andere Spule der Sekund rspule durchsetzt wodurch in der Sekund rspule eine Wechselspannung induziert wird Das ist das Prinzip des Transformators Wir wollen uns dieses Prinzip jetzt noch ein bisschen genauer unter die Augen f hren e Die St rke des Magnetfelds in der Prim rspule h ngt von folgenden Faktoren ab e Anzahl der Drahtwicklungen in der Prim rspule e Strom der durchflie t der wiederum von der angelegten Spannung abh ngig ist e Die in der Sekund rspule induzierte Spannung h ngt zum Beispiel von folgenden Faktoren ab e St rke des Magnetfelds das von der Prim rspule erzeugt wurde e Anzahl der Drahtwicklungen in der Sekund rspule e Wie wirksam das Magnetfeld der Prim rspule die Sekund rspule durchsetzt Anders gesagt Die in der Sekund rspule induzierte Spannung h ngt von der Anzahl der Wicklungen in der Prim rspule und der Anzahl der Wicklungen in der Sekund rspule ab Diese Verbindung wird im n chsten Arbeitsblatt genauer untersucht Aufgaben e LUbertrage das Schaltzeichen f r den Transformator in dein Heft e Beschr
44. s eine Rolle Mit diesem Aspekt befassen wir uns sp ter w7p w7q Mit Kondensator in der Schaltung m D0 pannaan an apanan nannan np mnnn a vi i i i i Wvo Zusammenfassung e Der Vorgang Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln hei t Gleichrichtung e Die Einweggleichrichtung verwendet nur eine Diode f hrt aber dazu dass nur die H lfte des Wechselstromsignals in Gleichstrom umgewandelt wird ber die H lfte der Zeit flie t berhaupt kein Strom e Die Siliziumdiode leitet nur wenn sie vorw rts vorgespannt ist und wenn an ihr eine Spannung von mindestens 0 7 V anliegt e Der Ausgang dieses Einwegogleichrichters ist 0 7 V niedriger als der Wechselstromeingang und ist kein glatter Gleichstrom e Um das erzeugte Gleichstromsignal zu gl tten kann am Ausgang des Einweggleichrichters ein gro er Kondensator angeschlossen werden Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 17 Arbeitsblatt 8 Motoren und Graetz Schaltung Generatoren N Ein Einweggleichrichter verwendet nur eine Diode nutzt aber die angebotene elektrische YAN Energie nicht effizient ber die H lfte der Zeit flie t berhaupt kein Strom durch den M Verbraucher Eine Graetz Schaltung berwindet diese Beschr nkung verwendet hierzu aber eine Reihe von Dioden und verliert hierdurch mehr Wechselspannung Nichtsdestotrotz werden Graetz verwendet Versuch je jet is i ie ie jet Baue die in der Abbildung g
45. schalten die Pumpe in der Scheibenwaschanlage einschalten die Radioantenne aus und einfahren den Fahrersitz verstellen usw Sie k nnen sogar ein ganzes Auto antreiben aber bei allen liegt das gleiche physikalische Prinzip zugrunde Versuch F r diesen Versuch verwenden wir den Motoreffekttr ger siehe Abbildung rechts Er ist mit zwei festen Leitern und einer beweglichen Metallstange versehen die oben ber den beiden Leitern liegt Baue die in der Abbildung unten gezeigte Schaltung auf Der bersichtlichkeit halber wurde der Magnet in der Abbildung nicht direkt ber die Metallstange geschoben Schiebe den Magneten genau ber die Metallstange sodass die bewegliche Stange in der Mitte des Magnettfelds ist Stelle die Spannung auf 3 V ein Dr cke den Druckschalter und beobachte was passiert Drehe jetzt den Magneten um sodass der S dpol nach oben zeigt Dr cke den Druckschalter erneut Was ist jetzt anders Kehre die Stromrichtung um indem du den Netzteiltr ger so drehst dass das negative Ende kurze Linie auf dem Symbol oben ist Was passiert jetzt wenn du den Druckschalter dr ckst Erh he die Spannung auf 13 5 V Hierdurch m sste sich der Strom der durch die Stange flie t erh hen Kannst du einen Unterschied sehen wenn du den Druckschalter schlie t Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 4 Arbeitsblatt 1 Motoren und Motorprinzip Generatoren Aufgaben
46. sicherungen k nnen sehr schnell herausfliegen was der Sch ler nicht sehen kann und der Sch ler wundert sich dann unter Umst nden warum auf dem Messger t nichts angezeigt wird Lehrer m ssen die Messger te regelm ig berpr fen und sollten gen gend neue Schmelzsicherungen bei sich haben Auch beim Picoskop wird der Eingangswert gemessen Wenn der Versuch mehrmals wiederholt wird verstehen die Sch ler besser was passiert und auf dem Picoskop m sste letztendlich ein guter Graph angezeigt werden Die Rechte Hand Regel Dynamoregel von Fleming muss sorgf ltig erkl rt werden und erfordert einige Ubung wenn die Sch ler sie richtig beherrschen sollen Einige werden verwechseln wann die Linke Hand Regel und wann die Rechte Hand Regel zu verwenden ist Es wird eine Erkl rung zum Verhalten von Elektronen gegeben Der Lehrer sollte beurteilen wie weit er dieses Thema in einer Klasse vertiefen sollte Der erste Teil dieses Versuchs ist einfacher als die Versuche auf Arbeitsblatt 3 Wenn die 25 40 Spule verwendet wird wird der induzierte Strom erheblich verst rkt und ist somit leichter Minuten erkennbar Den Sch lern wird die Aufgabe gestellt die Auswirkung der Bewegungsgeschwindigkeit auf die Gr e des induzierten Stroms zu untersuchen Lehrer k nnen Sch ler hierbei eventuell fragen wie sie diesen Versuch angegangen sind Der zweite Teil des Arbeitsblatts l sst sich schnell durcharbeiten sollte aber ein paar Mal
47. teht Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Hinweise f r Lehrer Was Ihre Sch ler ben tigen F r den Motoren und Generatoren Kurs ben tigen Sch ler die in der Tabelle rechts aufgef hrten Teile Au erdem wird Folgendes ben tigt e 1 Funktionsgenerator der sinusf rmige Wechselstromsignale mit Frequenzen bis zu 10 kHz erzeugen kann Hierf r empfehlen wir Teil HP8990 e 1 Oszilloskop mit 2 Verlaufsgraphen Sie haben hier die Wahl zwischen einem konventionellen Oszilloskop und einem PC basierten Oszilloskop Hierf r empfehlen wir Teil LK4679 das ein konventionelles Oszilloskop ist Wir empfehlen auch das Picoskop HP4679 das ein 5 MHz PC basiertes Scope mit 2 Verlaufsgraphen ist Stromquelle F r die Versuche in diesem Modul sind zwei Stromquellen erforderlich eine Wechselstrom und eine Gleichstromquelle Beide sind als Tisch Stromquellen mit Stecker erh ltlich Die HP5328 ist eine einstellbare Gleichstromquelle mit Ausgangsspannungen von 3 V 4 5 V 6 V 7 5 V 9 V und 13 5 V und Str men von typischerweise bis zu 1 A Die Spannung wird durch Drehen des Auswahlschalters direkt ber dem Masseanschluss ge ndert bis der Pfeil auf die gew nschte Spannung zeigt Die Spannung kann entweder vom Lehrer oder von den Sch lern eingestellt werden Seite 22 Motoren und Generatoren 4 LK5202 widerstand 1K 1 4 W 5 DIN Diode IN4001 Leistung 50 V LK5247 Zener Diode 4 7 V LK5250
48. tronics Seite 11 Arbeitsblatt 5 Motoren und Transformerprinzip Generatoren Ein riesiger Vorteil Elektrizit t als Wechselstrom zu erzeugen ist dass wird Transformatoren verwenden k nnen Diese ndern das Format der Stromquelle von Hoch zu Niederspannung oder umgekehrt ohne dabei viel Energie als W rme zu verlieren Wir sehen uns das Prinzip hinter dem Transformator in vier Schritten an wobei wir den Transformator mit den gleichen Prinzipien verkn pfen die wir bereits beim Generator gesehen haben Wir haben gesehen dass ein elektrischer Strom erzeugt wird wenn sich ein Magnetfeld an einem Leiter vorbeibewegt Beim Transformator wird das bewegliche Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt der mit Wechselspannung versorgt wird Das Schaltzeichen f r den Transformator das hier zu sehen ist zeigt uns genau wie ein Transformator aussieht Wir werden letztendlich einen Transformator haben der aus zwei Spulen besteht wobei ein Kern das Magnetfeld einer Spule mit der anderen verbindet w5a Versuch 1 Schritt Elektromagnet kein Magnet e Baue die abgebildete Schaltung mit einer 3 V Stromquelle und einem Druckschalter auf ber den der Transformator mit den zwei Spulen mit Strom versorgt wird e Schlie e ein Oszilloskop an Klemme A und B an e Schalte den Strom zum Transformator ber den Schalter ein und aus und beobachte die Ergebnisse am Oszilloskop 2 Schritt Wechselstrom kein Gleichstrom
49. und so den Kontaktwiderstand reduziert Die Spule wird mit Wechselstrom versorgt der Strom ndert also automatisch mit der Netzspannung die Richtung Das Bild zeigt eine Form eines Schleifrings Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited locktronics Seite 6 Arbeitsblatt 2 Motoren und Der Elektromotor Generatoren Aufgaben Erkl rungen 2 Verwendung eines Kommutators mit B rsten Die Abbildung zeigt den Aufbau eines einfachen Kommutators eine Messingtrommel die in zwei H lften unterteilt und durch einen Isolator getrennt ist Der elektrische Kontakt wird ber Kohleb rsten hergestellt Die Spule ist an Punkt X und Y mit den beiden H lften verbunden Wenn sich die Spule dreht wird der Punkt f r ungef hr die H lfte der Zeit mit dem Pluspol der Spannung und dann mit dem Minuspol der Spannung verbunden Der Punkt Y ist die ganze Zeit mit der entgegengesetzten Spannung von Punkt X verbunden Die Abbildungen zeigen einen typischen Aufbau einer Kohleb rste und eines Elektromotors Der Rotor enth lt eine gro e Anzahl von Spulen und erfordert deshalb einen komplizierteren Kommutator Versuch F r diesen Versuch kannst du einen beliebigen der drei Locktronics Gleichstrommotoren verwenden e Baue die gegen berliegend gezeigte Schaltung mit einer 6 V Spannungsquelle auf Dr cke den Druckschalter und beobachte den auf dem Amperemeter angezeigten Wert e Dr cke als n chstes bei geschlossenem Druckschalt
50. ung reduziert wird Das Fahrzeug wird somit sanft abgebremst Der Generator Die meisten Generatoren drehen sich unser Ansatz ist also hnlich dem den wir beim N Motor verwendet haben Die Abbildung zeigt wieder die aufgeschnittene Spule mit Draht der in das Blatt Papier verschwindet Es besteht ein Magnetfeld von links nach rechts Dieses Mal zwingen wir die Spule sich zu drehen Hierzu treiben wir sie zum Beispiel vom Motor des Autos an Da sich eine Seite der Spule nach oben bewegt w hrend sich die andere Seite nach unten bewegt w hrend beide im Magnetfeld sind flie en die erzeugten Str me in den beiden Seiten in entgegengesetzte Richtungen eine in das Papier die andere aus dem Papier heraus Anders ausgedr ckt Der erzeugte Strom flie t um die Spule herum Wenn du die Drehrichtung umkehrst kehrst du damit die Richtung des Stromflusses um Wie beim Motor kann der elektrische Anschluss zur drehenden Spule auf zwei Weisen hergestellt werden ber Kommutatoren oder Schleifringe Wenn Kommutatoren verwendet werden wird ein Gleichstrom erzeugt wenn Schleifringe verwendet werden wird dagegen ein Wechselstrom erzeugt In der Praxis wird unsere meiste Elektrizit t anders herum erzeugt indem das Magnetfeld in einer Drahtspule gedreht wird Das drehende Magnetfeld k nnte durch die Drehung eines Magneten erzeugt werden wird aber oft durch einen drehenden Elektromagneten erzeugt Copyright 2010 Matrix Multimedia Limited lock
51. zeugte Spannung e eine Gr e die abh ngig ist von e der Geschwindigkeit der Bewegung e der Anzahl der vorhandenen Dr hte e eine Richtung die von der Richtung der Bewegung abh ngt Inu a pm Diese Ergebnisse k nnen in Oszilloskopgraphen wie dem oben gezeigten gesehen werden Die Spitzen zeigen Stromimpulse an die durch das Bewegen der Spulen im Magnetfeld erzeugt wurden Hierbei ist der Zeitpunkt der Messung ganz wichtig Das System kann einige Spitzen verpassen weil sie zwischen den Messungen auftreten Experimentiere mit anderen Zeitbasiseinstellungen um zuverl ssigere Ergebnisse zu erhalten e Wenn du den Draht im rechten Winkel zum Magnetfeld bewegst bewegst du dadurch auch die Elektronen e Wenn sich Elektronen bewegen erzeugen sie ein magnetisches Feld e Dieses magnetische Feld tritt in Wechselwirkung mit dem Feld der keramischen Magneten und bt eine Kraft auf die Elektronen im rechten Winkel zur Richtung der Bewegung und zum magnetischen Feld aus e Diese Kraft schiebt die Elektronen von einem Ende des Drahts zum anderen und erzeugt dadurch eine Spannung und einen Strom wenn ein elektrischer Stromkreis vorhanden ist e Wenn eine Drahtspule verwendet wird erh ht sich die erzeugte Spannung und der erzeugte Strom weil sich jede Windung in der Spule im magnetischen Feld bewegt und somit in jeder Windung Elektrizit t erzeugt wird Die Wirkung jeder dieser Windungen summiiert sich und erh ht somit die erzeugte Elektrizit
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