###### tags: `Lernfeld 1` `2020_01` --- # Präsentation: Lernsituation KA1.3 :::info **Untersuchende:** Lucas Lege, Wolf Luttermann **Datum:** 23.01.2020 **Ort:** R217 Georg-Sonnin-Schule Lüneburg ::: <span style="color:red"></span> --- #### Hauptfrage Warum nimmt die <span style="color:red">Leistung der LED ab</span>, obwohl die Klemmspannung des Batterien-Netzwerkes fast gleich bleibt, wenn man von den vier 1,5 V-Batterien zwei in Reihe geschaltete Batterien durch <span style="color:red">ältere Batterien</span> ersetzt? --- #### Teilfragen 1. Ändert sich die <span style="color:red">Spannung</span> über der <span style="color:red">LED</span> und somit der <span style="color:red">Strom</span> durch diese? ---- 2. Ist die Größe des <span style="color:red">Innenwiderstandes</span> bei einer <span style="color:red">älteren Batterie</span> anders, als bei einer neuen? ---- 3. Wie wirkt sich das <span style="color:red">Parallelschalten</span> von alten und neuen Batterien auf den <span style="color:red">Innenwiderstand des Batterien-Netzwerkes</span> aus? --- ## 1. Untersuchungsprotokoll ---- #### Hypothesen 1. Damit die <span style="color:red">Leistung der LED</span> absinkt, muss die <span style="color:red">Spannung</span> über dem Widerstand und der LED <span style="color:red">niedriger</span> geworden sein, da nur so die <span style="color:red">Stromstärke abnehmen</span> kann. ---- 2. Da das Batterien-Netzwerk mit alten Batterien eine fast <span style="color:red">genauso große Klemmspannung</span> hat, wie mit neuen, kann der Spannungsabfall über der LED nur mit einem <span style="color:red">erhöhten Innenwiederstand</span> des Netzwerkes erklärt werden. ---- 3. <span style="color:red">Ältere Batterien</span> haben einen <span style="color:red">höheren Innenwiederstand</span>, als neue. --- ### Materialien 1. eine neue 9V-Batterie 2. eine alte 9V-Batterie 3. einen 10 Ω Widerstand 4. einen 100 Ω Widerstand 5. ein Multimeter 6. einen Taster 7. mehrere Leitungen 8. ein Steckbrett --- ### Schaltplan  --- ### Durchführung - Schaltung aufbauen - Schalter S1 schließen - fünf Sekunden warten und Spannung ablesen - Schalter sofort wieder öffnen - Spannung zwei Sekunden später erneut ablesen --- ### Messungen Messung|1|2|3|4 ---|---|---|---|---|--- Bat1|neu|neu|alt|alt Widerstand $\frac{R_L}{Ω}$|10|100|10|100 --- ### Messergebnisse #### Alte Batterie Lastwiderstand$\frac{R_L}{Ω}$|Lastspannung$\frac{U_{AL}}{V}$|Klemmspannung $\frac{U_{A0}}{V}$ ---|---|---|---|---|--- $10$|$3,00$|$8,35$ $100$|$6,88$|$8,35$ ---- #### Neue Batterie Lastwiderstand$\frac{R_L}{Ω}$|Lastspannung$\frac{U_{NL}}{V}$|Klemmspannung$\frac{U_{N0}}{V}$ ---|---|---|---|---|--- $10$|$7,00$|$8,55$ $100$|$8,72$|$8,90$ --- ### Auswertung #### Berechnung des Innenwiderstandes: $$ R_i=R_L\cdot\frac{U_0-U_L}{U_L} $$ ---- Lastwiderstand$\frac{R_L}{Ω}$|Innenwiderstand alte Batterie$\frac{R_{iA}}{Ω}$|Innenwiderstand neue Batterie$\frac{R_{iN}}{Ω}$ ---|---|---|---|---|--- $10$|$17,8$|$2,21$ $100$|$21,4$|$2,06$ Durchschnittswerte|$19,6$|$2,14$ ---- Die der Untersuchung hervorgegangene <span style="color:red">Hypothese</span> hat sich als <span style="color:red">wahr</span> erwiesen. Die hier benutzte alte Batterie hat einen nahezu <span style="color:red">zehnmal</span> so großen Innenwiderstand, wie die verwendete neue Batterie. --- ## 2. Untrersuchungsprotokoll ---- ### Hypothesen 1. Durch den erhöhten Innenwiederstand der alten Batterie <span style="color:red">steigt</span> der <span style="color:red">Gesamtvorwiderstand</span> der LED, welcher sich aus den parallel geschalteten Innenwiderständen der neuen und alten Batterie, sowie dem 15 Ω-Widerstand ergibt. ---- 2. Es fällt eine <span style="color:red">größere Spannung</span> über dem <span style="color:red">Geamtvorwiderstand</span> ab, weshalb die <span style="color:red">Spannung über der LED geringer</span> wird und der Strom durch sie abnimmt. --- ### Materialien 1. eine regelbare Spannungsquelle 2. einen 100 Ω Widerstand 3. zwei Multimeter 4. ein Steckbrett 5. eine 1N4007-Diode --- ### Schaltplan  --- ### Durchführung - Schaltung mit $R_V=100\;Ω$ und 1N4007-Diode aufbauen - Quellenspannung $U_0$ von Null beginnend in Schritten erhöhen - jeweils die Quellenspannung $U_0$, die Spannung über der LED $U_D$ und der Strom $I$ notieren --- ### Messungen <table> <th>^U₀/_V</th><th>^U_D/_V</th><th>^I/_mA</th> <tr><td>0,00</td><td>0,000</td><td>0,00</td></tr> <tr><td>0,10</td><td>0,100</td><td>0,00</td></tr> <tr><td>0,20</td><td>0,200</td><td>0,00</td></tr> <tr><td>0,30</td><td>0,300</td><td>0,00</td></tr> <tr><td>0,40</td><td>0,400</td> <td>0,00</td></tr> <tr><td>0,50</td><td>0,500</td><td>0,00</td></tr> <tr><td>0,60</td><td>0,569</td><td>0,40</td></tr> <table> ---- <table> <tr><td>0,70</td><td>0,599</td><td>0,90</td></tr> <tr><td>0,80</td><td>0,625</td><td>1,90</td></tr> <tr><td>0,90</td><td>0,639</td><td>2,70</td></tr> <tr><td>1,00</td><td>0,650</td><td>3,60</td></tr> <tr><td>1,10</td><td>0,657</td><td>4,30</td></tr> <tr><td>1,20</td><td>0,663</td><td>5,00</td></tr> <tr><td>1,30</td><td>0,670</td><td>5,90</td></tr> <tr><td>1,40</td><td>0,676</td><td>6,90</td></tr> <tr><td>1,50</td><td>0,682</td><td>7,90</td></tr> <table> ---- <table> <tr><td>1,60</td><td>0,686</td><td>8,80</td></tr> <tr><td>1,70</td><td>0,691</td><td>10,00</td></tr> <tr><td>1,80</td><td>0,695</td><td>11,10</td></tr> <tr><td>1,90</td><td>0,698</td><td>11,90</td></tr> <tr><td>2,00</td><td>0,701</td><td>12,90</td></tr> <tr><td>2,50</td><td>0,714</td><td>17,60</td></tr> <tr><td>3,00</td><td>0,724</td><td>22,90</td></tr> <tr><td>3,50</td><td>0,732</td><td>27,70</td></tr> <tr><td>4,00</td><td>0,739</td><td>32,50</td></tr> <table> ---- <table> <tr><td>4,50</td><td>0,745</td><td>37,90</td></tr> <tr><td>5,00</td><td>0,750</td><td>43,10</td></tr> <tr><td>6,00</td><td>0,759</td><td>53,10</td></tr> <tr><td>7,00</td><td>0,766</td><td>62,50</td></tr> <tr><td>8,00</td><td>0,772</td><td>73,10</td></tr> <tr><td>9,00</td><td>0,777</td><td>82,80</td></tr> <tr><td>10,00</td><td>0,782</td><td>92,80</td></tr> <tr><td>12,00</td><td>0,790</td><td>114,00</td></tr> <tr><td>14,00</td><td>0,797</td><td>134,00</td></tr> <table> ---- <table> <tr><td>16,00</td><td>0,802</td><td>155,00</td></tr> <tr><td>18,00</td><td>0,808</td><td>176,00</td></tr> <tr><td>20,00</td><td>0,812</td><td>197,00</td></tr> </table> --- ### Messergebnisse  --- ### Auswertung Damit durch eine Diode oder LED überhaupt ein <span style="color:red">Strom fließt</span> muss ein bestimmter <span style="color:red">Spannungswert überschritten</span> werden, der bei der 1N4007-Diode bei circa <span style="color:red">$0,7\;V$</span> liegt. Danach steigt schon bei kleinem Anstieg der Diodenspannung $U_D$ der Strom $I$ sehr stark an. Es lässt sich ein <span style="color:red">exponentieller Zusammenhang</span> vermuten. Die <span style="color:red">Hypothesen</span> haben sich also als <span style="color:red">wahr</span> erwiesen. --- ## 3. Untersuchungsprotokoll ---- ### Hypothesen 1. Die in der Taschenlampe verwendete <span style="color:red">LED</span> hat eine <span style="color:red">ähnliche Kennlinie</span> (I-U-Diagramm), wie die 1N4007-Diode. ---- 2. Der durch den <span style="color:red">erhöhten Vorwiderstand verringerte Strom</span> durch die LED sorgt für eine <span style="color:red">geringere Leutstärke</span>. --- ### Untersuchung anhand des Datenblattes  --- ### Auswertung Die Kennline der weißen LED verläuft <span style="color:red">ebenfalls exponentiell</span>, fängt jedoch erst bei circa $2,5\; V$ an anzusteigen. Die Relative <span style="color:red">Intensität</span> der LED ist <span style="color:red">abhängig</span> von der <span style="color:red">Stromstärke</span>, und nahezu <span style="color:red">linear</span>. Beachtet man diese beiden Zusammenhänge, wird ersichtlich, dass bereits bei einer <span style="color:red">kleinen Verringerung der Spannung</span> über der LED die <span style="color:red">Lichtintensität abfällt</span>. --- ## Gesamtergebnis <center> <img src="https://i.imgur.com/MPdnnl0.png" width="600"/></center> ---- <center> <img src="https://i.imgur.com/cys4xTi.png" width="600"/></center> - nur ein Innenwiderstand wurde verändert ---- <center> <img src="https://i.imgur.com/rh2y5b1.png" width="600"/></center> - Gesamtinnenwiderstand kann nur nahezu auf Wert einer einzelnen neue Batterie ansteigen - also nur nahezu verdoppeln ---- <center> <img src="https://i.imgur.com/3wnSQp6.png" width="600"/></center> - wegen Vorwiderstand nur kleine Auswirkung auf Gesamtvowiderstand ---- <center> <img src="https://i.imgur.com/FdEbpRR.png" width="600"/></center> - Arbeitspunkt der LED verschiebt sich nur minimal ---- <center> <img src="https://i.imgur.com/xOjSOvQ.png" width="600"/></center> - Stromstärke nimmt nur etwas ab ---- <center> <img src="https://i.imgur.com/DnI6JZH.png" width="600"/></center> - nur leicht geringere Lichtintensität --- ## Lernerfolge - <span style="color:red">HTML</span> in <span style="color:red">HackMD</span> verwenden - <span style="color:red">zu zweit</span> in einem <span style="color:red">HackMD-Beitrag</span> arbeiten - wissenschaftliches <span style="color:red">Experimentieren</span> und quantitatives <span style="color:red">Auswerten</span> - <span style="color:red">Arbeit aufteilen</span> und Stärken ausnutzen - <span style="color:red">dokumentieren</span> von Experimenten und Erkenntnisvorgängen - Probleme lösen durch <span style="color:red">Informationssuche im Internet</span> --- <font size="10"><span style="color:green">**Vielen Dank fürs Zuhören**</span> :fire: :+1: </font> <font size="5"> Lucas Lege und Wolf Luttermann </font>