Lernsituation KA13 Analyse einer LED Taschenlampe

###### tags: `Lernfeld 1` # Lernsituation KA13 Analyse einer LED Taschenlampe ::: success **Untersuchende:** Johannes Laukart, Ole Gerlof **Ort:** Georg-Sonnin-Schule Lüneburg **Datum:** 16.01.2020 - 30.01.2020 :::   --- ##### Versuchsfragen: Wieso leuchtet die LED bei der Verwendung von zwei alten Batterien nicht so hell, wie bei der Verwendung von zwei neuen Batterien? <center> <img src="https://i.imgur.com/KtAgfze.png" width="300"></center>  ---- ## Verschaltungen von Batterien 1. Wie verhalten sich zwei in Reihe geschaltete Batterien? 2. Wie verhalten sich zwei parallel geschaltete Batterien? 4. Inwiefern unterscheiden sich neue und alte Batterien?  ---- ## LED und Vorwiderstand 4. Wie verhält sich die Spannung am Vorwiderstand der LED? 5. Welche Größen beeinflussen die Lichtintensität der LED?  --- ### 1. Wie verhalten sich zwei in Reihe geschaltete Batterien? #### Hypothese: Die Spannung der beiden Batterien wird addiert. #### Versuchsaufbau: <center> <img src="https://i.imgur.com/Y5cyyC6.png" width="400"></center>  ---- #### Materialliste: - Zwei Batterien, Drei Voltmeter #### Versuchsdurchführung: - Die jeweilige Spannung der Batterien (U1 & U2) wird gemessen - Man misst die Gesamtspannung (Uges) der Batterien  ---- #### Versuchsergebnisse: $U_1 = 8,36 V$ $U_2 = 8,22V$ $U_{ges} = 16,58 V$ ---- #### Versuchsdeutung: <center> Da </center> $$8,36V + 8,22V = 16,58 V $$ <center> gilt, folgt:</center> :::info $$U_{ges} = U_1+ U_2$$ :::  --- ### 2. Wie verhalten sich zwei parallel geschaltete Batterien? #### Hypothese: Der Strom der Batterien wird addiert. #### Versuchsaufbau: <center> <img src="https://i.imgur.com/PxnX0RF.png" width="400" height="250" /> </center>  ---- #### Materialliste: - Zwei Batterien, Drei Amperemeter, Voltmeter, 100 Ω Widerstand #### Versuchsdurchführung: - Die Gesamtspannung wird aufgezeichnet - Der Strom (I~ges~) wird ebenfalls am Widerstand gemessen  ---- ###### Versuchsergebnisse: $U_{ges} = 8,26 V$ $I_{1} = 40,6 mA$ $I_{2} = 41,4 mA$ $I_{ges} = 82,0 mA$  ---- #### Versuchsdeutung: <center> Da </center> $$40,6 mA + 41,4 mA = 82,0 mA $$ <center> gilt, folgt: </center> :::info $$I_{ges} = I_1+ I_2$$ <center> Die Spannung Uges befindet sich zwischen den Potenzialen der beiden Batterien. </center> :::  --- ### 3. Vergleich einer neuen und alten Batterien #### Hypothese: Der Innenwiderstand einer alten Batterie ist größer, als der einer neuen Batterie. #### Versuchsaufbau: <center> <img src="https://i.imgur.com/bDqg1gV.png"> </center>  ---- #### Materialliste: - alte Batterie, neue Batterie, Voltmeter, 100 Ω Widerstand, Kabel #### Versuchsdurchführung: - Messen der Leerlaufspannung U~0~ einer alten und einer neuen Batterie - Messen der Lastspannung U~L~ beider Batterien an einem 100Ω Widerstand  ---- #### Versuchsergebnisse: Berechnung des Innenwiderstands: $$ R_i = \frac{U_0-U_L}{U_L} \cdot R_L$$ Alte Batterie: $R_L = 100 Ω$ $U_0 = 9,3 V$ $U_L = 2,7V$ $$ R_i = \frac{9,3V-2,7V}{2,7V} \cdot 100Ω$$ $$ R_i ≈ 244,4Ω$$  ---- Neue Batterie: $R_L = 100Ω$ $U_0 = 8,26V$ $U_L = 8V$ $$ R_i = \frac{8,26V-8V}{8V} \cdot 100Ω$$ $$ R_i ≈ 3,25Ω$$  ---- #### Versuchsdeutung: :::info <center> Je länger eine Batterie genutzt wird, desto größer wird der Innenwiderstand. <center>3,25Ω << 244,4Ω</center> ältere Batterie -> geringere Leistung (gleicher Vorwiderstand) </center> :::  --- ### 4. Spannung am Vorwiderstand #### Hypothese: Die Spannung, die an der LED abfällt bleibt konstant. Damit stiegt die Spannung, die am Vorwiderstand abfällt, genau so an, wie die Quellenspannung. Versuchsaufbau: <center> <img src="https://i.imgur.com/ovG6pjI.png" height=300/> </center>  ---- #### Materialliste: - Eine Konstantspannungsquelle, ein Voltmeter, ein Amperemeter, eine LED, ein Widerstand Versuchsdurchführung: - Messen des Gesamtstroms und der LED Spannung - Die Quellenspannung wird so erhöht, dass die LED-Spannung in 0,1 V Schritten steigt  ---- ###### Versuchsergebnisse: <center> <img src="https://i.imgur.com/9VPXHIP.png" width="400" height="250" /> </center> <center> <img src="https://i.imgur.com/Mu3eUn1.png" width="400" height="250" /> </center>  Note: Ab einer bestimmten Spannung an der LED steigt der Strom exponentiell an. Die Spannung an der LED zeigt ein begrenztes Wachstum, wobei es anfangs stark linear ist. Die Spannung am Vorwiderstand bleibt Null, bis die Quellenspannung 1,6 V erreicht. Anschließend steigt der Graph linear.  ---- Versuchsdeutung: :::info - Die Spannung an der LED steigt linear an - Dann flacht sie ab und bleibt anschließend konstant. - Ab diesem Punkt steigt die Vorwiderstandspannung linear an, also proportional zur Quellenspannung. :::  --- ### 5. Helligkeit der LED #### Hypothese: Mit steigender Spannung wird die LED heller, da bei einer höheren Spannung und gleichem Widerstand mehr Strom fließen kann. #### Materialliste: <a href="https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Everlight%20PDFs/334-15_X1C3-1TVA.PDF">Datenblatt</a> der LAMP 334-15/X1C3-1TVA <center><img src="https://i.imgur.com/2jM3pde.jpg"width="500"/></center>  ---- #### Versuchsdurchführung: - Angaben auf dem Datenblatt durchlesen und verstehen. #### Versuchsergebnisse: - Die Lichtintensität ist (rechtes Diagramm) nur abhängig von der Stromstärke. ---- #### Versuchsdeutung: :::info - Helligkeit der LED ist vom Strom abhängig - Strom ist vom Vorwiderstand abhängig :::  --- ### Deutung der Ergebnisse in Bezug auf die Taschenlampe - Innenwiderstand steigt -> Klemmenspannung unter Last sinkt - Konstante Leerlaufspannung Note: Leerlaufspannung nicht durch Verhältnis Last- und Innenwiderstand beeinflusst   ---- - 2 Batterien mit unterschiedlichen Potentialen parallel - Geringere Spannung liegt an LED und Widerstand an -> Geringerer Strom -> geringere Helligkeit  <center><img src="https://i.imgur.com/2jM3pde.jpg"/></center> --- <center> <img src="https://i.imgur.com/1kcaDK9.gif" width="400" height="250" /> </center>  :::info <center>Von <a href="https://hackmd.io/@OGee">OGee</a> und <a href="https://hackmd.io/@jochen">Jochen</a></center> :::