Anschluss von Amperemeter und Voltmeter

Lehrpläne: KS3, cycle 4, Sek I

Ziel¶

Lernen Sie, ein Amperemeter in Reihe und ein Voltmeter parallel zu einem Abschnitt des Stromkreises anzuschließen.

Theorie¶

Ein Amperemeter misst den Strom, der durch das Gerät selbst fließt, deshalb muss der gesamte Strom des Stromkreises durch das Messgerät gehen: Unterbrechen Sie den Stromkreis und setzen Sie das Amperemeter in die Lücke, in Reihe. In einem Reihenstromkreis ist die Stromstärke überall gleich, und das Amperemeter zeigt vor dem Widerstand dasselbe wie hinter ihm. Ein ideales Amperemeter hat keinen Widerstand. Ein reales erhöht den Widerstand des Stromkreises ein wenig, und je weniger es ihn erhöht, desto weniger verändert es die Stromstärke, die es misst.

Ein Voltmeter misst die Spannung zwischen den zwei Punkten, die seine Buchsen berühren. Schließen Sie die Buchsen an die Enden des Abschnitts an, parallel zu ihm, und der Stromkreis bleibt geschlossen. Ein ideales Voltmeter nimmt keinen Strom auf. Ein reales leitet ein wenig Strom an dem Abschnitt vorbei, und je größer sein Widerstand ist, desto weniger verändert es die Spannung, die es misst.

Die Buchse „+“ eines Messgeräts kommt auf die Seite des „+“ der Quelle. Sind die Kabel vertauscht, zeigt ein digitales Messgerät ein Minuszeichen, und der Zeiger eines Zeigermessgeräts schlägt in die falsche Richtung aus, unter null.

Vertauscht man die beiden Messgeräte, ergeben sich zwei typische Fehler:

ein Amperemeter parallel zu einem Abschnitt schließt ihn kurz: Nur der Innenwiderstand der Quelle und das Amperemeter selbst begrenzen die Stromstärke, und bei einem realen Messgerät brennt die Sicherung durch;
ein Voltmeter in Reihe unterbricht den Strom fast vollständig: Es richtet keinen Schaden an, zeigt aber fast die gesamte Spannung der Quelle statt der Spannung am Abschnitt.

Ein Messgerät mit mehr als einem Anschluss hat an jedem seinen eigenen Messbereich. Schließen Sie das Kabel zuerst an den größten Messbereich an und wechseln Sie erst dann zu einem kleineren, wenn der Messwert hineinpasst: So bleibt das Messgerät unbeschädigt, und der Zeiger nutzt einen größeren Teil der Skala. Die Messgeräte unseres Aufbaus haben je zwei Buchsen und keinen Messbereich zur Auswahl.

Aufbau¶

Eine Spannungsquelle mit 6 V, ein Amperemeter, ein Widerstand von 100 Ω; ein Voltmeter ist parallel zum Widerstand geschaltet. Die Messgeräte sind im DC-Modus.

Durchführung¶

Notieren Sie die Messwerte von Amperemeter und Voltmeter.
Schließen Sie ein zweites Amperemeter mit Kabeln parallel zum Widerstand an.
Entfernen Sie das zusätzliche Amperemeter und schalten Sie die Quelle mit dem Netzschalter ein.
Schalten Sie das Voltmeter in Reihe in den Stromkreis: Entfernen Sie das Kabel zwischen Amperemeter und Widerstand und stecken Sie die Kabel des Voltmeters um – das Kabel von „+“ an den Ausgang des Amperemeters, das Kabel von „−“ an die linke Buchse des Widerstands. Notieren Sie die Messwerte beider Messgeräte.

Erwartetes Ergebnis

Das Amperemeter zeigt etwa 59,6 mA, das Voltmeter etwa 5,96 V. Das zweite Amperemeter legt seine 0,1 Ω parallel zum Widerstand von 100 Ω, und fast der gesamte Strom nimmt den Weg durch das Messgerät. Im Stromkreis bleiben nur etwa 0,8 Ω: der Innenwiderstand der Quelle, die beiden Amperemeter und die Kabel. Für 6 V an 0,8 Ω ergibt das ohmsche Gesetz mehr als 7 A, weit mehr, als die Quelle zulässt: Der Überlastschutz schaltet sie ab, und die Kontrollleuchte blinkt rot. Nachdem das zusätzliche Amperemeter entfernt und die Quelle eingeschaltet ist, sind die Messwerte wie zuvor.

Das in Reihe geschaltete Voltmeter zeigt etwa 6,00 V, und das Amperemeter praktisch null (weniger als ein Mikroampere). In Reihe teilen sich das Voltmeter und der übrige Stromkreis die Spannung der Quelle im Verhältnis ihrer Widerstände: \(U_V = U \cdot R_V / (R_V + R)\). Bei 10 MΩ gegenüber etwa 100 Ω erhält das Voltmeter die 6 V bis auf ein Hunderttausendstel, die Stromstärke beträgt nur etwa 0,6 µA, und am Widerstand liegen etwa 60 µV.

Fragen¶

Um wie viel verringert das Amperemeter die Stromstärke im Stromkreis, und welchen Anteil des Stroms durch den Widerstand nimmt das Voltmeter auf?
Warum zeigt ein in Reihe geschaltetes Voltmeter fast die Spannung der Quelle, während der Strom im Stromkreis verschwindet?

Antworten

Ohne Amperemeter enthält der Stromkreis den Widerstand von 100 Ω, die 0,5 Ω der Quelle und die Kabel, und \(I = U / R\) ergibt etwa 59,7 mA. Das Amperemeter fügt seine 0,1 Ω hinzu und senkt die Stromstärke auf die 59,6 mA seiner Anzeige, also um etwa 0,1 %. Das Voltmeter, parallel zum Widerstand, nimmt etwa 5,96 V / 10 MΩ ≈ 0,6 µA auf, ein Hunderttausendstel der 59,6 mA durch den Widerstand.
In Reihe kommen die 10 MΩ des Voltmeters zu den rund 100 Ω des übrigen Stromkreises hinzu, daher beträgt die Stromstärke nur \(I = U / R\) ≈ 6 V / 10 MΩ = 0,6 µA. Bei dieser Stromstärke liegen am Widerstand nur etwa 60 µV, am Amperemeter und an der Quelle noch weniger, und fast die gesamten 6 V bleiben am Voltmeter: Die Spannungen teilen sich im Verhältnis der Widerstände auf.