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TUM School of Natural Sciences |
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Strom- und Spannungskennlinien von Ohmschem Widerstand und verschiedenen Leuchtmitteln
Kurzbeschreibung
Es werden nacheinander ein Schiebewiderstand (500 Ω), eine
Metallfadenglühlampe (100 W) und eine Kohlefadenlampe (90 W) an einem Stelltrafo (0-150 V) betrieben. Mit Hilfe von Cassy kann die U-I-Kennlinie der drei Verbraucher in einem Diagramm angezeigt werden.
Der Widerstand eines Leiters ist im allgemeinen temperaturabhängig. Er wird sich also bei Stromfluß infolge der der Stromwärme ändern. Dieser Effekt kann deutlich bei Glühlampen beobachtet werden. Auffallend ist hierbei, dass der Widerstand in metallischen Leitern mit höherer Temperatur ansteigt während er sich bei Kohle verringert.
Der Schiebewiderstand besteht hingegen aus einem gewickeltem Konstantandraht. Konstantan ist der Markenname einer Legierung von Thyssen Krupp. Diese besteht aus 53-57 % Kupfer, 43-45 % Nickel, 0,5-1,2 % Mangan und bis zu 0,5 % Eisen. Diese Legierung zeichnet sich durch einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand aus. So liegt der Temperaturkoeffizient bei etwa 0,00001K1 (20°C)
Betriebsanleitungen: Lampen,Elektrogeräte
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Physikalische Erklärung
Der spezifische Widerstand eines Leiters ist unter anderem von dessen Temperatur abhängig. Je nach Werkstoff kann der spezifische Widerstand mit Erhöhung der Temperatur steigen oder sinken.
Da in Metallen bei steigender Temperatur die Atomrümpfe stärker schwingen, wird die Bewegung der Elektronen in Metallen stärker behindert und ihre Beweglichkeit sinkt. Folglich sinkt auch die Leitfähigkeit und der elektrische Widerstand steigt.
Da die Spannungserhöhung bei der Glühlampe nur zeitlich träge eine Temperaturerhöhung zur Folge hat, stellen wir zudem fest, dass es gerade im unteren Bereich der Spannungen zu Einschaltvorgängen kommt.
Für eine saubere Darstellung dieser Kurve ist es also notwendig die Spannung nur langsam zu erhöhen.
Dieser Effekt ist übrigens auch dafür verantwortlich, dass Glühlampen in der Regel beim Einschalten durchbrennen.
In Halbleitern wie Kohle gibt es zunächst keine freien Ladungsträger. Bei T=0 ist ein Halbleiter ein Isolator.
Die Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes bei Halbleitern, wie Kohle, lässt sich jedoch mit Hilfe des Bändermodells beschreiben. Zwischen Valenz- und Leitungsband gibt es eine Energielücke. Somit besteht eine energetische Barriere zwischen diesen beiden Bändern. Die Ladungsträger müssen also mit Temperaturerhöhung eine Energiezufuhr erhalten um angeregt und damit beweglich gemacht werden zu können.
Bei höheren Temperaturen ist die Energie der Elektronen jedoch statistisch verteilt, so haben immer einige Elektronen genügend Energie, um vom Valenzband ins Leitungsband zu gelangen
Die Ladungsträgerdichte steigt in Halbleitern exponentiell mit der Temperatur an und somit sinkt der Widerstand.
Konstantan ist eine metallische Legierung. Somit steigt auch bei diesem Material der Widerstand mit der Temperatur. Die jedoch geringe Temperaturabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands liegt daran, dass Konstantan über einen großen Temperaturbereich eine hohe Störstellendichte innerhalb seines Kristallgefüges hat. So werden die Elektronen-Streuungen hauptsächlich durch diese weniger temperaturabhängigen Störstellen und nicht von der deutlich höheren Temperaturabhängigkeit der Elektron-Elektron-Streuungen beeinflusst.
