Spannung messen
Worum geht es?
Die gibt an, wie viel die Quelle jeder Ladungsportion mitgibt bzw. wie viel ein Bauteil ihr entnimmt. Anders als die wird sie zwischen zwei Punkten gemessen: Das Voltmeter greift außen ab, parallel zum Bauteil. An diesem Aufbau lernst du das Messen, untersuchst die Aufteilung der Spannung in einer Reihenschaltung und siehst auf dem Oszilloskop, was eine Wechselspannung von einer Gleichspannung unterscheidet.
Warum macht man dieses Experiment?
und sind das Messgrößen-Paar der gesamten Elektrizitätslehre: Ohne saubere Spannungsmessung gibt es kein , keine Kennlinie und keine Leistungsbestimmung. Zugleich ist die Spannung die Größe, mit der unser Alltag beschriftet ist: Batterien (), USB (), Steckdose (). Was diese Zahlen bedeuten, und dass die ein Effektivwert einer schwingenden Spannung sind, klärt dieses .
Die physikalische Idee
Das Voltmeter vergleicht zwei Punkte des Kreises miteinander: Es misst, wie stark die Quelle die zwischen diesen Punkten „antreibt“. Deshalb wird es parallel angeschlossen und ist absichtlich sehr hochohmig gebaut: Es soll fast keinen Strom abzweigen, sonst würde die Messung den Kreis verändern. Für den zeitlichen Verlauf einer Wechselspannung übernimmt das Oszilloskop die Rolle des Voltmeters mit Zeitauflösung.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
Die Einheit Volt erinnert an Alessandro Volta, dessen Säule (1800) die erste dauerhafte Spannungsquelle war. Dass unser Netz eine sinusförmige Wechselspannung führt, geht auf die der Kraftwerke zurück: Eine rotierende liefert von sich aus einen sinusförmigen Spannungsverlauf.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Gleichspannung messen
Miss im Gleichstromkreis: an der Quelle und an zwei in Reihe geschalteten Widerständen. Prüfe die Vermutung, dass sich die Quellenspannung auf die Bauteile aufteilt.
Gemessen
- — Quellenspannung (in )
Referenzwert: die gesamte Spannung, die die Quelle bereitstellt.
- — Teilspannung am ersten Widerstand (in )
Erste Teilspannung der Reihenschaltung.
- — Teilspannung am zweiten Widerstand (in )
Zweite Teilspannung; die Summe wird mit verglichen.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die Prüfgröße dieser Zielsetzung: In der Reihenschaltung addieren sich die Teilspannungen zur Gesamtspannung.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Baue eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen ( und ) an Gleichspannung auf. Miss die Quellenspannung und beide Teilspannungen und prüfe, ob sich die Teilspannungen zur Quellenspannung addieren.
2Vorbetrachtung
Was misst das Voltmeter eigentlich? Die zwischen zwei Punkten gibt an, wie viel jede Ladungsportion zwischen diesen Punkten abgibt oder aufnimmt. Deshalb ist die Anschlussregel anders als beim Amperemeter: Nicht der Strom soll durchs Gerät, sondern das Gerät soll zwei Punkte vergleichen, also parallel ans Bauteil.
Die Erwartung: Die bekommen ihre Energie einmal an der Quelle und geben sie unterwegs vollständig ab, an jedem Bauteil einen Teil. Wenn das stimmt, müssen sich die an den Bauteilen gemessenen Teilspannungen genau zur Quellenspannung addieren. Am größeren Widerstand sollte dabei der größere Anteil liegen, denn dort ist der Energieumsatz pro Ladung größer.
3Geräte / Stoffe
Grundbestand mit den beiden Festwiderständen. Festwiderstände sind hier günstiger als Lampen: Ihr Widerstand ist konstant, dadurch bleiben die Teilspannungen während der Messung stabil.
Schülernetzgerät mit Gleich- und Wechselausgang
Einstellbare Quelle für beide Betriebsarten.
Zwei Festwiderstände (20 Ω und 30 Ω)
Bekannte Bauteile, an denen sich die Spannungsaufteilung untersuchen lässt.
Voltmeter (Vielfachmessgerät)
Misst die zwischen zwei Punkten; wird parallel angeschlossen.
Oszilloskop oder Messinterface
Zeichnet den zeitlichen Verlauf der Wechselspannung.
Schalter und Leitungen
Schließen und öffnen den Kreis.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Schaltplan der Reihenschaltung mit drei eingezeichneten Voltmeter-Positionen (an der Quelle, an jedem Widerstand). Die drei Positionen dürfen nacheinander mit demselben Gerät gemessen werden; im Plan werden sie zur Übersicht alle eingezeichnet.
Messregeln im Vergleich: Voltmeter parallel zum Bauteil (es vergleicht zwei Punkte), Amperemeter in Reihe. Die beiden Regeln folgen direkt aus dem, was gemessen wird.
Grundaufbau: Netzgerät, Schalter und zwei in Reihe geschaltete Widerstände (alternativ zwei verschiedene Lampen). Das Voltmeter wird nacheinander parallel zur Quelle, zum ersten und zum zweiten Widerstand geschaltet. Für die Wechselspannungs-Zielsetzungen wird auf den Wechselausgang umgesteckt und zusätzlich das Oszilloskop parallel angeschlossen.
5Durchführung
Schritt 1: Reihenschaltung aufbauen, Quelle auf einstellen, Schalter schließen.
Schritt 2: Voltmeter parallel zur Quelle anschließen und die Quellenspannung messen.
Schritt 3: Voltmeter parallel zum ersten Widerstand () anschließen und messen.
Schritt 4: Voltmeter parallel zum zweiten Widerstand () anschließen und messen. Alle Werte notieren.
6Beobachtung
| Messstelle | Spannung in |
|---|---|
| Quelle | 6,0 |
| Widerstand () | 2,4 |
| Widerstand () | 3,6 |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Schritt 1: Summenprobe. Die Teilspannungen addieren sich:
Die Erwartung aus der Vorbetrachtung bestätigt sich: Die Quellenspannung teilt sich vollständig auf die Bauteile auf, nichts geht „verloren“ und nichts kommt hinzu.
Schritt 2: Verhältnis betrachten. Es fällt auf: , genau das Verhältnis der Widerstände . Das ist plausibel, denn durch beide fließt derselbe Strom, und am größeren Widerstand setzt jede Ladungsportion mehr um. Diese Beobachtung wird im „Spannungsteiler“ zum eigenen Werkzeug ausgebaut.
8Fazit
Die wird parallel gemessen und teilt sich in der Reihenschaltung im Verhältnis der Widerstände auf: und addieren sich zur Quellenspannung .
9Fehlerbetrachtung
Die Spannungsmessung ist robust; ihre Fehler stecken im Messgerät selbst und im Ablesen:
Endlicher Innenwiderstand des Voltmeterseher systematisch
- Ursache
Das Voltmeter zweigt einen kleinen Strom ab; der gemessene Spannungsabfall gehört zu einer minimal veränderten Schaltung.
- Auswirkung
Bei den hier verwendeten kleinen Widerständen (Ohm-Bereich) gegen den Geräteinnenwiderstand (Megaohm-Bereich) liegt der Fehler weit unter einem Promille und ist unsichtbar. Bei sehr hochohmigen Schaltungen würde er dagegen dominieren.
- Verbesserung
Für hochohmige Schaltungen Messgeräte mit besonders großem Innenwiderstand verwenden; hier keine Maßnahme nötig.
Ablese- und Rundungsfehlereher zufällig
- Ursache
Analoge Skalen werden auf etwa einen halben Skalenteil genau abgelesen; Digitalgeräte runden auf die letzte Stelle.
- Auswirkung
Jede Einzelmessung trägt etwa ; die Summenprobe kann deshalb um bis zu bis vom Ideal abweichen, ohne dass etwas falsch aufgebaut ist.
- Verbesserung
Messbereich so wählen, dass der Zeiger weit ausschlägt; mehrfach ablesen.
Übergangswiderstände an Klemmstelleneher systematisch
- Ursache
Lockere oder korrodierte Klemmen wirken wie kleine zusätzliche Widerstände in der Reihenschaltung.
- Auswirkung
An ihnen fällt unbemerkt ab; die Summe der gemessenen Teilspannungen bleibt dann sichtbar unter der Quellenspannung.
- Verbesserung
Steckverbindungen fest zusammenstecken; bei auffälliger Differenz die über jeder Verbindungsstelle messen.
Das Wichtigste
- Messregel
Das Voltmeter wird parallel angeschlossen: Es vergleicht zwei Punkte. Sein hoher Innenwiderstand sorgt dafür, dass es den Kreis kaum verändert.
- Reihenschaltung
Die Quellenspannung teilt sich auf die in Reihe liegenden Bauteile auf; die Teilspannungen addieren sich zur Gesamtspannung.
- Wechselspannung
: Betrag und Polung wechseln periodisch. Netz: , .
- 230 V sind ein Effektivwert
Die Netzspannung in Wirklichkeit bis . Angegeben wird der wirkungsgleiche Gleichspannungswert.