Elektrizitätslehre

LD
Handblätter
Physik
Elektrizitätslehre
Gleich- und Wechselstromkreise
Elektrische Arbeit und Leistung
P3.6.6.2
Messung der elektrischen
Arbeit eines Tauchsieders mit
einem Wechselstromzähler
Versuchsziele
Messung der elektrischen Arbeit Wel eines Tauchsieders mit einem Wechselstromzähler
Bestimmung der elektrischen Arbeit Wel durch Messen der Spannung U, des Stroms I und der Zeit t
Bestimmung der Änderung der thermischen Energie Eth
Grundlagen
Elektrische Arbeit ist die Arbeit, die durch ein elektrisches
Feld an einem geladenen Teilchen verrichtet wird. In vorliegenden Experiment wird die elektrische Arbeit benutzt, um
die thermische Energie von Wasser zu erhöhen. Die in der
Heizwendel eines Tauchsieders verrichtete elektrische Arbeit
Wel wird in thermische Energie Eth umgewandelt. Dies führt
zu einem Temperaturanstieg des umgebenden Wassers.
Die verrichtete elektrische Arbeit ist gegeben durch:
Wel = U · I · t
(1)
U: Spannung
I: Strom
t: Zeit
Nach Gleichung (1) kann die elektrische Arbeit Wel bestimmt
werden, indem die Spannung U, der Strom I und die Zeit t
gemessen werden. Zusätzlich kann die elektrische Arbeit
direkt mit einem Wechselstromzähler gemessen werden.
Die Änderung der thermischen Energie Eth ist gegeben durch
Eth = cW · m · (ϑ2 −ϑ1)
(2)
ϑ1: Temperatur am Anfang
ϑ2: Temperatur am Ende
cW: spezifische Wärmekapazität des Wassers
m: Masse des Wassers
Nach Gleichung (2) erhält man durch Messung der Temperaturen ϑ1 am Anfang und ϑ2 am Ende des Versuchs die Änderung der thermischen Energie Eth.
Die verrichtete elektrische Arbeit und die Änderung der thermischen Energie können quantitativ in Einheiten von Wattsekunden (Ws) und Joule (J) gemessen werden, so dass ihre
zahlenmäßige Übereinstimmung experimentell gezeigt werden kann: Wel = Eth.
CS-1006
Im Versuch wird der Betrag der elektrischen Arbeit Wel bestimmt, der aufgewendet werden muss, um einen Liter Wasser von Raumtemperatur zum Kochen zu bringen. Drei verschiedene Messmethoden werden angewendet:
a) Ablesen des Zählerstands M1 eines Wechselstromzählers
vor dem Versuch und des Zählerstands M2, wenn das
Wasser kocht.
b) Zählen der Umdrehungen der Zählerscheibe des Wechselstromzählers während des Heizvorgangs
Fig. 1: Versuchsaufbau zu Messmethode c
c) Messung der Spannung U, des Stroms I und der Zeit t
während des Heizvorgangs.
Die Änderung der thermischen Energie Eth wird jeweils aus
der Temperaturänderung zwischen Anfang und Ende des
Heizvorgangs bestimmt. Die Ergebnisse werden verglichen.
Geräte
1 Wechselstromzähler .......................................... 560 331
1 Paar Standfüße ................................................. 301 339
1 Sicherheits-Tauchsieder .................................... 303 25
1 Kunststoffbecher, 1000 ml ................................. 590 06
1 Thermometer, -10 to +110 °C............................ 382 34
1 Vielfach-Messgerät LDanalog 20....................... 531 120
1 Vielfach-Messgerät LDanalog 30....................... 531 130
1 Handstoppuhr I .................................................. 313 07
4 Sicherheitskabel, 50 cm, schwarz ..................... 500 624
LD Didactic GmbH . Leyboldstraße 1 . D-50354 Hürth . Telefon: (02233) 604-0 . Fax: (02233) 604-222 . e-mail: [email protected]
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Technische Änderungen vorbehalten
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Sicherheitshinweise
Vorsicht beim Experimentieren mit berührungsgefährlicher
Spannung:
• Gerät nur bei gezogenem Netzstecker beschalten.
• Anschluss an das Wechselspannungsnetz ausschließlich
über das Netzanschlusskabel vornehmen!
• Messgeräte zur Spannungs- und Strommessung nur über
Sicherheits-Experimentierkabel (500 420 ff) an die Sicherheitsbuchsen anschließen.
• Buchsenpaare nur mit dem zum Lieferumfang gehörenden
Sicherheits-Verbindungsstecker kurzschließen, wenn kein
Strommesser angeschlossen wird!
• Die Sicherheitshinweise in den Gebrauchsanweisungen
zum Wechselstromzähler (560 331) und zum SicherheitsTauchsieder (303 25) beachten.
Aufbau
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LD Handblätter Physik
-2-
Wechselstromzähler auf das Paar Standfüße stellen.
Buchsenpaar auf der rechten Seite (über der Schukosteckdose für den Verbraucher) mit einem SicherheitsVerbindungsstecker kurzschließen.
Wechselstromzähler an das Wechselspannungsnetz (230
V / 50 Hz) anschließen.
1,0 Liter Wasser in den Kunststoffbecher füllen.
Sicherheits-Tauchsieder in den Kunststoffbecher stellen.
Hinweis:
Der Sicherheits-Tauchsieder ist mit einem Überhitzungsschutz ausgestattet. Den Sicherheits-Tauchsieder nie bei
einem Wasserstand betreiben, der unterhalb des in der Bedingungsanleitung angegebenen Füllstands liegt. Andernfalls
fällt der Tauchsieder dauerhaft aus.
Durchführung
Methode a)
Temperatur ϑ1 des Wassers messen.
- Zählerstand M1 von der Zählerstand-Anzeige ablesen.
- Den Sicherheits-Tauchsieder an die Schukosteckdose des
Wechselstromzählers anschließen. Der Sicherheitstauchsieder beginnt, das Wasser zu heizen.
- Wasser zum Kochen bringen; dann den Netzstecker des
Sicherheits-Tauchsieders ziehen.
-
Temperatur ϑ2 des Wassers messen.
Zählerstand M2 ablesen
Methode b)
-
Temperatur ϑ1 des Wassers messen.
Den Sicherheits-Tauchsieder an die Schukosteckdose des
Wechselstromzählers anschließen. Der Sicherheitstauchsieder beginnt das Wasser zu heizen.
- Anzahl n der Umdrehungen der Zählerscheibe während
des Heizvorgangs zählen.
- Wasser zum Kochen bringen; dann den Netzstecker des
Sicherheits-Tauchsieders ziehen.
-
Sicherheits-Verbindungsstecker auf der rechten Seite
entfernen und das Vielfach-Messgerät LDanalog30 als
Amperemeter anschließen.
- Wechselstromzähler wieder an das Wechselspannungsnetz anschließen.
-
Temperatur ϑ1 des Wassers messen.
Den Sicherheits-Tauchsieder an die Schukosteckdose für
den Verbraucher des Wechselstromzählers anschließen.
Gleichzeitig Stoppuhr starten.
- Angelegte Spannung U und Strom I ablesen.
- Wasser zum Kochen bringen.
- Netzstecker ziehen und gleichzeitig Stoppuhr anhalten.
-
-
Temperatur ϑ2 des Wassers messen.
Messbeispiel und Auswertung
Methode a)
Zählerstand M1: 12.70 kWh
Zählerstand M2: 12.78 kWh
- Temperatur ϑ1: 32 °C
- Temperatur ϑ1: 100 °C
-
-
Spezifische Wärmekapazität von Wasser: cW = 4.18
-
Masse von 1,0 l Wasser: 1,0 kg
Die elektrische Arbeit Wel wird berechnet aus:
Wel = M2 – M1 = 0.08 kWh = 288 kWs
Die Änderung der thermischen Energie ist nach Gleichung 2:
Eth = cW · m · (ϑ2 −ϑ1) = 284 kJ
Methode b)
Anzahl der Umdrehungen der Zählerscheibe n: 47
Umdrehungen
- Zählerkonstante k: 600
kWh
- Temperatur ϑ1: 32 °C
- Temperatur ϑ1: 100 °C
Die elektrische Arbeit Wel ergibt sich damit zu
n
Wel =
= 0.078 kWh = 282 kWs
k
Die Änderung der thermischen Energie ist nach Gleichung 2:
Eth = cW · m · (ϑ2 −ϑ1) = 284 kJ
Methode c)
-
Spannung U: 220 V
Strom I: 4.1 A
Zeit t: 5 min 24 s = 0,09 h
- Temperatur ϑ1: 32 °C
- Temperatur ϑ1: 100 °C
Die elektrische Arbeit Wel ist nach Gleichung 1:
Wel = U · I · t = 0.081 kWh = 292 kWs
Die Änderung der thermischen Energie ist nach Gleichung 2:
Eth = cW · m · (ϑ2 −ϑ1) = 284 kJ
-
Vergleich der Ergebnisse
Temperatur ϑ2 des Wassers messen.
Methode c)
Elektrische Arbeit Wel:
Netzstecker des Wechselstromzählers ziehen.
- Das Vielfach-Messgerät LDanalog20 als Voltmeter an das
Buchsenpaar auf der linken Seite des Wechselstromzählers anschließen
Methode 2: Wel = 282 kWs
-
-
kJ
kg ⋅K
Methode 1: Wel = 288 kWs
Methode 3: Wel = 292 kWs
Änderung der thermischen Energie Eth:
Eth’= 284 kJ
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