Effektivwert
Lehrpläne: A-level, GCSE (ac and dc), Sek I/II
Ziel¶
Vergleichen Sie die Wirkung von Wechsel- und Gleichstrom und verstehen Sie die Bedeutung des Effektivwerts.
Aufbau¶
Oben – eine 7,07-V-Gleichspannungsquelle und eine Glühlampe 12 V / 5 W. Unten – eine Wechselspannungsquelle (Sinus) mit einer Amplitude von 10 V, 50 Hz, und eine gleiche Lampe, darüber ein Voltmeter im AC-Modus. Rechts – ein Oszilloskop, das an die Wechselspannungsquelle angeschlossen ist (CH1, 5 V/div, 5 ms/div).
Durchführung¶
- Vergleichen Sie die Helligkeit der Lampen.
- Notieren Sie die Anzeige des Voltmeters und die automatischen Messwerte des Oszilloskops (Vpp, Vrms).
- Schalten Sie das Voltmeter in den DC-Modus um.
- Wählen Sie an der Wechselspannungsquelle die Signalform Rechteck und vergleichen Sie die Helligkeit erneut.
Erwartetes Ergebnis
Die Lampen leuchten gleich hell: Eine Sinusspannung mit einer Amplitude von 10 V erwärmt den Glühfaden genauso wie 7,07 V Gleichspannung. Das Voltmeter im AC-Modus zeigt etwa 6,9 V: Ein Teil der Spannung fällt am Innenwiderstand der Quelle von 0,5 Ω ab. Der Spitze-Spitze-Wert am Oszilloskop beträgt etwa 19,5 V. Im DC-Modus zeigt das Voltmeter etwa 0. Bei einer Rechteckspannung mit einer Amplitude von 10 V beträgt der Effektivwert 10 V, und die untere Lampe leuchtet heller.
Fragen¶
- Warum ist der Effektivwert einer Sinusspannung um den Faktor \(\sqrt{2}\) kleiner als ihre Amplitude?
- Welche Gleichspannung ist nötig, damit die Lampen nach dem Umschalten auf Rechteck gleich hell leuchten?
Antworten
- Die Heizleistung in einem Widerstand ist \(u^2 / R\). Für eine Sinusspannung gilt \(u^2 = U_m^2 \cdot \sin^2(\omega t)\), und \(\sin^2\) hat über eine Periode den Mittelwert 1/2, daher erfüllt die Gleichspannung, die genauso stark erwärmt, \(U^2 = U_m^2 / 2\), also \(U = U_m / \sqrt{2}\): In diesem Aufbau sind das 10 V / √2 ≈ 7,07 V.
- 10 V. Eine Rechteckspannung mit einer Amplitude von 10 V beträgt zu jedem Zeitpunkt +10 V oder −10 V, und der Glühfaden erwärmt sich bei beiden Polaritäten gleich, daher ist der Effektivwert der Rechteckspannung gleich ihrer Amplitude.