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Strom-Spannungs-Kennlinien

Lehrpläne: GCSE (I–V characteristics), 2de, Sek I, A-level, IB B.5

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Ziel

Nehmen Sie die Strom-Spannungs-Kennlinien eines Widerstands, einer Glühlampe und einer Diode auf und vergleichen Sie ihre Form.

Aufbau

Eine Spannungsquelle mit 3 V speist über die Sammelschienen „+“ (links) und „−“ (rechts) drei Zweige; jeder Zweig hat ein Amperemeter und ein Voltmeter parallel zum Bauteil. Oben ist ein Widerstand von 100 Ω, in der Mitte eine Glühlampe 6 V / 3 W, unten eine Diode mit einem Schutzwiderstand von 100 Ω.

Durchführung

  1. Verändern Sie die Spannung der Quelle von 0 bis 6 V in Schritten von 1 V.
  2. Notieren Sie bei jedem Schritt die Wertepaare „Spannung – Stromstärke“ für alle drei Bauteile.
  3. Zeichnen Sie drei Graphen \(I(U)\).
  4. Schließen Sie die Diode andersherum an: Vertauschen Sie die Stecker der beiden Kabel an ihren Anschlüssen – Anode und Kathode – und wiederholen Sie die Messungen.
Erwartetes Ergebnis

Bei 3 V: Widerstand – etwa 2,78 V und 28 mA; Lampe – etwa 2,74 V und 314 mA; Diode – etwa 0,61 V und 22 mA (an einer echten Siliziumdiode liegt bei dieser Stromstärke etwas mehr an, etwa 0,7 V). Der Graph des Widerstands ist eine Gerade. Die Kennlinie der Lampe krümmt sich: Der Glühfaden erwärmt sich, und sein Widerstand steigt – etwa 12 Ω bei 6 V. Die Diode leitet unter 0,5 V kaum; darüber steigt die Stromstärke steil an, während die Spannung an ihr bei etwa 0,6–0,7 V bleibt. Bei umgekehrt angeschlossener Diode ist der Diodenstrom null.

Fragen

  1. Warum steigt der Widerstand der Lampe mit der Spannung?
  2. Warum ist ein Widerstand in Reihe mit der Diode geschaltet?
Antworten
  1. Der Strom erwärmt den Glühfaden, und der Widerstand von Wolfram wächst mit der Temperatur: Je höher die Spannung, desto heißer der Glühfaden. Bei 3 V hat die Lampe 2,74 V / 314 mA ≈ 8,7 Ω, bei 6 V etwa 12 Ω, und ein kalter Glühfaden hat nur etwa ein Fünfzehntel seines Widerstands bei voller Glut.
  2. Oberhalb von etwa 0,6 V steigt der Diodenstrom sehr steil an, und die Diode selbst begrenzt ihn kaum. Der Widerstand von 100 Ω übernimmt den Rest der Spannung und legt die Stromstärke fest, bei 3 V etwa 22 mA; ohne ihn würden nur der Innenwiderstand der Quelle von 0,5 Ω, das Amperemeter und die Kabel den Strom begrenzen, der dann Werte im Amperebereich erreichen und eine echte Diode zerstören würde.