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
Wechselspannung untersuchen
Untersuche den zeitlichen Verlauf einer Wechselspannung: Polungswechsel, , , Scheitelwert und Effektivwert , und wende das Ergebnis auf die Netzspannung an.
Gemessen
- — Momentanwert der Spannung (in )
Der Verlauf wird mit dem Oszilloskop aufgezeichnet; das Voltmeter allein kann die schnellen Wechsel nicht zeigen.
- — Periodendauer (in )
Aus dem Schirmbild abgelesen.
- — Scheitelwert (in )
Höchster Punkt der Kurve auf dem Schirm.
- — Effektivwert (in )
Anzeige des Voltmeters im Wechselspannungsbereich; wird mit dem Scheitelwert verglichen.
Berechnet
- — Frequenz (in )
.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Beschreibt den sinusförmigen Spannungsverlauf vollständig durch Scheitelwert und Frequenz.Zur Formelsammlung
- Verbindet Schirmbild (Scheitelwert) und Voltmeteranzeige (Effektivwert) bei Sinusform.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Zeichne den Verlauf der Wechselspannung am Kleinspannungsausgang des Netzgeräts auf. Bestimme , und Scheitelwert, miss zusätzlich den Effektivwert mit dem Voltmeter und berechne aus dem Vergleich, welchen Scheitelwert die Netzspannung ( Effektivwert) hat.
2Vorbetrachtung
Wechselspannung heißt: Die Polung wechselt. Bei einer Gleichquelle ist fest, welcher Anschluss Plus und welcher Minus ist. Eine Wechselquelle tauscht die Rollen periodisch: Jeder Anschluss ist abwechselnd Plus- und Minuspol. Der Spannungsverlauf ist beim und beim Netz sinusförmig, beschrieben durch nur zwei Angaben: wie hoch die Kurve () und wie schnell ( bzw. ).
Warum das Voltmeter nicht genügt: Im Gleichspannungsbereich würde es den zeitlichen Mittelwert anzeigen, und der ist bei symmetrischem Wechsel null. Im Wechselspannungsbereich zeigt es den Effektivwert, aber eben nur diese eine Zahl. Den Verlauf zeigt nur das Oszilloskop.
Zeitlicher Verlauf bei Wechselspannung
Simulation — berechnete Werte, keine Messungwirkt wie (Effektivwert)
5,7 V
Erkunde vor der Messung, wie die Kenngrößen zusammenhängen: Größeres streckt die Kurve nach oben und unten, größeres staucht sie in der Zeit. Die gestrichelte Linie ist der Effektivwert: immer um den Faktor unter dem Scheitel.
3Geräte / Stoffe
Grundbestand plus Oszilloskop. Als Spannungsquelle dient der Wechselausgang des Schülernetzgeräts: Er liefert die Netzfrequenz bei ungefährlicher Kleinspannung.
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.
Oszilloskop oder Messinterface
Zeichnet den Spannungsverlauf über der Zeit.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Schaltplan: Wechselquelle (Wellenliniensymbol), Lampe als Verbraucher, Oszilloskop parallel zur Lampe. Das Voltmeter (AC-Bereich) liegt ebenfalls parallel und misst gleichzeitig.
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: Kreis mit Lampe am Wechselausgang (etwa ) aufbauen, Oszilloskop und Voltmeter parallel zur Lampe anschließen.
Schritt 2: Zeitablenkung einstellen, bis zwei bis drei Perioden sichtbar sind. aus Skalenteilen und Zeitbasis ablesen.
Schritt 3: Scheitelwert ablesen: senkrechter Abstand von der Nulllinie zum höchsten Kurvenpunkt, multipliziert mit der Spannungs-Skala.
Schritt 4: Gleichzeitig den Effektivwert am Voltmeter ablesen und notieren.
6Beobachtung
| Größe | Wert |
|---|---|
| Periodendauer | |
| Scheitelwert | |
| Effektivwert (Voltmeter) |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
Die Kurve verläuft gleichmäßig sinusförmig über und unter der Nulllinie: Die Quelle polt tatsächlich periodisch um. Die Lampe leuchtet dabei ruhig.
7Auswertung
Schritt 1: .
Der im Netzgerät setzt nur die herab; der Takt des Netzes bleibt erhalten.
Schritt 2: Scheitel gegen Effektivwert.
Wie beim Strom gilt: Das Messgerät zeigt den Effektivwert, die Kurve um den Faktor höher. (Begründung über die Heizleistung: Der Mittelwert von über eine Periode ist , siehe „ messen“, Zielsetzung Wechselstrom.)
Schritt 3: Anwendung auf die Netzspannung. Auch die der Steckdose sind ein Effektivwert. Der tatsächliche Scheitelwert beträgt
Zweimal in jeder Periode, also hundertmal pro Sekunde, liegt zwischen den Kontakten der Steckdose kurzzeitig eine Spannung von rund : ein Grund mehr, warum dort nicht experimentiert wird. Isolationen von Netzgeräten müssen auf diesen Scheitelwert ausgelegt sein, nicht auf 230 V.
8Fazit
Die Wechselspannung wechselt Betrag und Polung sinusförmig mit . Voltmeter zeigen ihren Effektivwert; der Scheitelwert liegt um höher: aus werden , aus den des Netzes rund .
9Fehlerbetrachtung
Die Fehlerquellen entsprechen denen der Wechselstrom-Untersuchung; hinzu kommt die Kalibrierung des Oszilloskops:
Ablesen am Schirmeher zufällig
- Ursache
Scheitel- und Periodenablesung sind auf etwa einen halben Skalenteil genau.
- Auswirkung
und tragen einige Prozent Unsicherheit; der Quotient streut entsprechend um .
- Verbesserung
Kurve möglichst bildfüllend einstellen; über mehrere Perioden messen und teilen.
Nennwert statt Messwert der Quelleeher systematisch
- Ursache
Der Aufdruck „6 V“ am Netzgerät ist ein Nennwert; unbelastet oder bei kleiner Last liegt die oft merklich höher.
- Auswirkung
Wer mit dem Aufdruck statt mit dem gemessenen Effektivwert rechnet, erhält einen falschen Quotienten und wundert sich über die Abweichung von √2.
- Verbesserung
Immer den gemessenen Effektivwert verwenden, nie den Aufdruck.
Verzerrte Kurvenform der Quelleeher systematisch
- Ursache
Preiswerte Netzgeräte liefern keinen perfekten Sinus (abgeflachte Kuppen).
- Auswirkung
Die Beziehung gilt exakt nur für Sinusform; bei verzerrter Kurve weicht der gemessene Quotient systematisch ab.
- Verbesserung
Kurvenform auf dem Schirm prüfen; bei sichtbarer Verzerrung darauf hinweisen statt die Abweichung als Messfehler zu verbuchen.
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.