Aufnahme der Kennlinien von Glühlampen und einer Glimmlampe

Grundlagen
Versuchsaufbau zur Aufnahme der Kennlinien
Versuchsdurchführung
Messwerte
Bestimmung der Temperatur des Wolframfadens der Metallfadenlampe bei maximaler Spannung
Diagramme
I = f(U)-Kennlinie einer Metallfadenlampe (Glühlampe)
I = f(U)-Kennlinie einer Kohlefadenlampe
I = f(U)-Kennlinie einer Glimmlampe
R = f(I)-Kennlinie einer Metallfadenlampe (Glühlampe)
R = f(I)-Kennlinie einer Kohlefadenlampe
R = f(I)-Kennlinie einer Glimmlampe
Kurvendiskussion
Fehlerdiskussion
verwendete Geräte
 
 

a) Die Lichterzeugung durch den elektrischen Strom wird in den Glühlampen (Metallfadenlampen) angewendet. In ihnen wird ein dünner Draht aus einer Legierung von Wolfram mit Osmium vom Strom zum Weißglühen gebracht. Damit der Draht nicht verbrennt, befindet er sich in einem Glaskolben, aus dem die Luft mit ihrem Sauerstoff entfernt würde und der dafür mit Stickstoff, Argon oder Krypton gefüllt ist. Da die Lichtausbeute mit zunehmender Temperatur ansteigt, hat man den Draht zur Verminderung des Wärmeverlustes gewendelt. Auch die Füllung mit den teuren Edelgasen dient demselben Zweck, da sie, besonders Krypton, eine sehr kleine Wärmeleitfähigkeit besitzen. Damit der hellstrahlende Glühdraht nicht blendet, ist die Innenseite des Glaskolbens meist mattiert.

Stromverlauf: Vom Anschlusskabel aus fließt der Strom zum Kontaktplättchen, von dort aus wandern die freien Elektronen durch den gewendelten Glühdraht über das Edisongewinde zurück zum Anschlusskabel.

b) Die Kohlefadenlampe ist gleich wie die Glühlampe aufgebaut. Sie hat als Glühdraht einen Kohlefaden. Die Kohlefadenlampe wird heute so gut wie gar nicht mehr benutzt, weil sie eine geringe Lichtausbeute hat.

c) Die Glimmlampe ist eine Gasentladungslampe mit kalter Kathode und geringem Elektrodenabstand. Als Lichtquelle dient das Kathodenglimmlicht, welches bei passendem Gasdruck (1 ... 20 Torr) die Kathode als leuchtende Schicht überzieht. Es entsteht etwa im Abstand der freien Weglänge der aus der Kathode austretenden Elektronen, die dort durch die Gasmoleküle (Atome) gebremst werden, diese zur Lichtausstrahlung anregen und ionisieren und evtl. dissoziieren. Von der Kathode ist es durch die dünne, dunkle Schicht des Kathoden-Dunkelraumes getrennt, in welchem der größte Teil der an die Lampe gelegten Spannung liegt (Kathodenfall). Der restliche Gasraum ist fast ohne elektrisches Feld. Der Kathodenfall hängt vom Kathodenmetall und dem Gas ab, z. B. Luft-Aluminium 300 V, daher ist in Luft eine Glimmentladung nur mit Hochspannung möglich. Alkali- oder Erdalkalimetalle als Überzüge auf Eisenelektroden in Edelgasen oder Quecksilberdampf erniedrigen ihn auf 70 V.

Der Glühfaden in der Lampe setzt dem Strom einen gewissen Widerstand entgegen, deshalb wird er auch als Widerstand bezeichnet.

Es gibt verschiedenartige Widerstände. Lineare- und Nichtlineare Widerstände. Lineare Widerstände kennzeichnen sich dadurch, das ihr Widerstandswert immer konstant bleibt (temperaturunabhängig). Nichtlineare Widerstände ändern ihren Widerstandswert bei Einfluss verschiedener physikalischer Größen. Es gibt spannungsabhängige Widerstände (VDR = Voltage Dependend Resistor), lichtabhängige Widerstände (Fotowiderstände), magnetfeldabhängige Widerstände (Hallgenerator) und temperaturabhangige Widerstände (NTC, PTC). Wir wollen hier die temperaturabhangigen Widerstände betrachten.

Der NTC (Negativer Temperatur Coeffizient) ist ein Bauelement, dessen Widerstand bei Erwärmung kleiner wird. Man nennt ihn deshalb auch Heißleiter. Der Kohlefaden aus unserer Kohlefadenlampe ist z. B. ein solcher Heißleiter. Kohle besitzt fast keine Valenzelektronen und mit steigender Temperatur steigt auch die Anzahl der freien Elektronen. Es können mehr Ladungsträger zum Ladungstransport beitragen und das führt zur Widerstandsabnahme. Halbleiter sind meist Heißleiter.

Bei PTC (Positiver Temperatur Coeffizient) nimmt der Widerstand bei steigender Temperatur zu. Man nennt ihn deshalb auch Kaltleiter. Je höher die Temperatur eines Stoffes, desto heftiger bewegen sich die Moleküle. Für die Elektronen, die zur Leitfähigkeit beitragen, ist es schwieriger durchzukommen. Zu den Kaltleitern gehören alle Metalle, also auch der Wolframfaden aus unserer Glühlampe.

Der elektrische Widerstand bestimmt die Stärke des Stromes, der bei einer bestimmten Spannung durch den Stromkreis fließt. Unter dem Widerstand versteht man das Verhältnis der Spannung zwischen den Enden des Leiters zur Stärke des Stromes im Leiter.

R = U × I^-1

In einem Leiter ist die Stromstärke der Spannung direkt und dem Widerstand umgekehrt proportional. durch Strom- und Spannungsmessung kann man jeden unbekannten Widerstand ermitteln.

Wir bauen den Versuch nach dem Schaltplan auf. Die Spannung U wird in 10 V-Schritten am Regeltrenntrafo eingeregelt. Es ist darauf zu achten, daß man die maximale Belastung der Lampen nicht überschreitet. Nun liest man am Amperemeter den Strom ab, dassVoltmeter dient dazu, um den eingeregelten Wert am Trenntrafo zu überprüfen. Hat man die maximale Spannung U erreicht wechselt man die Glühlampe aus, nachdem der Regeltrenntrafo auf U = 0 V gestellt worden ist. Mit der Kohlefadenlampe und der Glimmlampe wird der Versuch wiederholt. Nachdem die Messwerte schriftlich erfasst worden sind, misst man mit dem Ohmmeter den Widerstand der Glühlampe bei U = 0 und Zimmertemperatur. Aus der Messwertetabelle sucht man sich bei maximaler Spannung den erreichten Widerstand. Der Widerstand lässt sich durch die Formel R = U × I^-1 errechnen. Jetzt setzen wir in die Gleichung R = R₀× (1 + a ×D J ) DJ = J ₂ - J ₁ ein und erhalten die Temperatur des Glühfadens bei maximaler Spannung nach folgender Gleichung:

J ₂ = (R × R₀^-1 - 1) ×a ^-1 + J₁

Um die Messwerte graphisch darzustellen, zeichnen wir die Diagramme I = f(U) und R = f(I).

R = R₀ × (1 + a × (J₂ - J ₁))

mit R = Widerstand bei maximaler Spannung
R₀ = Widerstand bei U = 0
a = Temperaturkoeffizient
J ₁ = Temperatur des Glühfadens bei U = 0
J ₂ = Temperatur des Glühfadens bei maximaler Spannung

Nach Umformen der obigen Gleichung ergibt sich:

J ₂ = J₁ + (R × R₀^-1 - 1) × a ^-1

J ₁ = 20 °C (Raumtemperatur)
R = 830,1 Ohm
R₀ = 63,3 Ohm
a = 0,0048 K^-1

J ₂ = 20 °C + (830,1 Ohm × (63,2 Ohm)^-1 - 1) × (0,0048 K^-1)^-1

J ₂ = 2548 °C

Die Kurve der Funktion I = f(U) der Glühlampe lässt einen PTC-Charakter erkennen und die Kurve der Kohlefadenlampe einen NTC-Charakter. Die Diagramme zeigen, dasses sich bei diesen beiden Lampen um Nichtlineare Widerstände handelt. Bei der Glimmlampe ist trotz ansteigender Spannung zunächst kein Strom zu messen. Bei 100 V lässt sich die Zündspannung erkennen. Das heißt, der Moment, wo die Spannung so hoch ist, dassdie Kathode zum Glimmen angeregt wird. Es ist auch zu erkennen, dassdie Funktion nahezu linear ist.

Bei den Funktionen R = f(I) sind erhebliche Unterschiede. Wenn der Strom bei der Glühlampe steigt, dann steigt auch der Widerstand. Die Kurve verläuft nicht linear, sondern parabelförmig. Bei der Kohlefadenlampe sinkt der Widerstand mit steigendem Strom. Die Kurve ist sehr deformiert, da einige Messfehler aufeinandertreffen. Auch die Glimmlampe hat bei steigendem Strom einen kleinen Widerstand. Die Kurve ist hyperbelförmig ausgedehnt.

Fehler können auftreten durch falsches Ablesen des Beobachters, ein sogenannter Blickrichtungsfehler. Der Regeltrenntrafo liefert keine konstante Spannung, es sind zwar nur 0,1 - 0,2 V, trotzdem hat dies sofort eine Stromänderung zufolge. Bei der Strommessung ist der Innenwiderstand des Meßgerätes zu berücksichtigen, dadurch tritt ein Fehler von ca. 1,5 % vom Mittelwert auf.

1 Regeltrenntrafo (0 - 250 V) MPA Nr.: 6967
1 Amperemeter MA 4D MPA Nr.: 6541
1 Voltmeter Phywe MPA Nr.: 6
1 Ohmmeter MA 4D MPA Nr.: 6541
Stativmaterial Phywe
1 Metallfadenlampe Südlicht 220/235 V, 60 W
1 Kohlefadenlampe E27 220/235 V, 60 W, 16 cd
1 Glimmlampe 220/235 V
Kabel