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Dreheisenmessinstrument

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Dreheisenmessinstrument
DEM schraeg.jpg

Messgerät, Marke Eigenbau

Kurzbeschreibung
Aufbau und Wirkungsweise von Dreheisenmessinstrumenten
Kategorien
Elektrizitätslehre
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Sek I
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Lehrerdemoexperiment, Schülerexperiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 1
Anspruch des Aufbaus mittel
Informationen
Name: Danny Gonnermann
Kontakt: \text{denvertgnn}@\text{yahoo.de}
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Steffen Wagner
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In diesem Versuch wird ein eigenes vereinfachtes Dreheisenmessinstrument nachgebaut. Man kann damit einen Einblick in die häufig in Schulen benutzte Technik gewinnen und den Schülern eine sinnvolle Anwendung für Spulen als Magnete darbieten.


Didaktischer Teil

Strommessung

Die Stromstärke ist definiert als Ladung, die pro Zeit durch den Querschnitt eines Leiters fließt. Da sich die Anzahl der Ladungsträger schlecht zählen lässt, wird, wie oft in der Elektrizitätslehre, auch die Stromstärke indirekt gemessen. Digitale Geräte arbeiten hierbei mit dem Spannungsabfall über einen bekannten Widerstand und berechnen nach dem Ohmschen Gesetz die Stromstärke. Von daher sind solche Geräte oft sowohl mit einer Spannungsmessung verbunden und so lassen sich mehrere Messgeräte in einem verbinden. Jedoch gibt es auch zuverlässige analoge Messtechnik, welche weniger störanfällig oder für größere Ströme besser geeignet ist. Hierzu gehören u.a. das Drehspul-, Dreheisenmessinstrument, der Hitzedrahtmesser, und der Zangenstrommesser. Während der Hitzedrahtmesser mit der Joul'schen Wärme arbeitet, nutzen die anderen Instrumente das wenig störanfällige Magnetfeld, welches vom Stromfluss erzeugt wird. Der Zangenstrommesser wird im Gegensatz zu den Drehmessinstrument nicht in den Stromkreis eingebaut und kann daher gut für diagnostische Zwecke verwendet werden. Da die Drehmessinstrumente direkt in den Stromkreis eingebaut werden, sind diese besser für den Dauerbetrieb und technische Überwachungszwecke geeignet.

Warum also das Dreheisenmessinstrument?

Dreheisenmessinstrumente sind durch ihre mechanische Trägheit gut geeignet, um sowohl Gleichstrom als auch Wechselstrom zu messen, wobei beim Wechselstrom wird der Effektivwert gemessen wird. Durch den geringen Spannungsabfall bei der Messung, billigen Bau und Vielfältigkeit im Messbereich durch Veränderung des Aufbaus sind sie noch heute weit verbreitet. Da mit ihnen auch große Ströme (>5A) leicht messbar sind, sind sie gerade in Fabriken und Kraftwerken, noch heute zu sehen. In moderneren Schulen oder in der Forschung, wo mit kleineren Stromstärken gearbeitet wird, sind Dreheisenmessinstrumente weitestgehend ersetzt worden, jedoch sind noch viele Dreheisenmessinstrumente als Nachlass aus alten Zeiten in vielen Schulen vorhanden und werden dort auch noch oft benutzt. Das Experiment soll einen ersten Einblick in die Technik vermitteln und besticht durch die simplen Materialien, welche zum Aufbau benötigt werden.

Was haben meine Schüler davon?

Wie bereits im Einleitungstext erklärt, birgt dieser Versuch eine sinnvolle und lebensnahe Anwendung von Spulen als Magneten. Dreheisenmessinstrumente sind dem Schüler im Allgemeinen bekannt, vor allem da mit ihnen höchstwahrscheinlich schon experimentiert wurde. Da sich dieses Experiment auf die Wirkungsweise des Geräts bezieht, sollte es erst nach der Einführung von Spulen als Magneten erfolgen, da die Kenntnisse von Magnetfeldern um stromdurchflossene Leiter wesentliche Grundlage zum Verständnis sind. Des weiteren zeigt das Experiment, wie physikalische Gerätschaften aus einfachen Alltagsgegenständen entstehen können und regt so die Kreativität der Schüler an. Lässt man die Schüler selbst ihre Dreheisenmessinstrumente basteln, kann man damit sogar einen Projekt- oder Thementag füllen.


Vorbereitung

Materialliste

Gegenstand Kommentar
Strohhalm starr und leicht, dient als Grundgerüst
Zahnstocher starr und leicht, dient als Zeiger
Klebemasse kann Teile unabhängig von ihrer Oberfläche oder Ausrichtung verbinden
dünner spitzer Messingstift starr und leicht, nicht magnetisierbar, dient als Halterung
2 gleiche kleine Eisenquader magnetisierbar, bewirken den Ausschlag des Zeigers, ca. 1 cm x 3 cm Oberfläche
Klebestreifen Befestigt 1 Eisenstück möglichst nah an die Spuleninnenwand, erlaubt so viel Messraum
Pappe oder dickes Papier als Skala
Spule 500 Windungen, Belastbarkeit von ca. 2A
Amperemeter am besten ein Dreheisenmessinstrument, als Vergleich
Stromquelle regelbare Stromstärke, am besten mit Drehregler, sollte mehr als 2A ausgeben können
Kabel
Stativmaterial Standfüße, Stäbe und Aufhängungen für den Zeiger (siehe Bilder), ggf. eigene Aufhängung für Skala


Konstruktion der einzelnen Teile

Für den Bau des Dreheisenmessinstrumentes sind wenige handelsübliche Gegenstände nötig. Bei dieser Anleitung wird mit den Bauteilen aus o.g. Materialliste gearbeitet. Diese können auch durch andere ersetzt werden, welche aber die wesentlichen Eigenschaften teilen.

Zeiger

Ein selbstgebauter Zeiger

Zuerst wird der Strohhalm mit dem Messingstift senkrecht durchstoßen. Der Messingstift dient als Halterung des Strohhalms. An beide Enden des Strohhalms wird Klebemasse befestigt. Ein Ende wird mit einem Zahnstocher als Zeiger, das andere mit einem möglichst großflächigen, Eisenstück bestückt, sodass eine Kante parallel zum Messingstift verläuft. Dadurch wird das vom Eisenstück ausgeübte Drehmoment auf den Strohhalm am besten umgesetzt. Es ist darauf zu achten, dass die Eisenstücke möglichst leicht sind und keine Löcher aufweisen. Das Quader hat sich als optimale Form für das Experiment erwiesen. Wichtig: Das Gewicht des Zeigers hat starken Einfluss auf den Verlauf des Experiments. Ein zu leichter Zeiger schwingt stark, während ein zu schwerer Zeiger nicht weit genug auslenken kann. Dies sollte bei der Auswahl alternativer Materialien für den Zeiger beachtet werden. Auch auf eine Biegung im Strohhalm ist zu achten, da dies ein Offset des Zeigers zur Folge hat.

Spule

Das Experiment funktioniert am besten mit einr Spule mit 500 Windungen und einer Belastbarkeit von 2 bis 3 A. Ist eine solche Spule nicht vorhanden, müssen die vorhandenen durchprobiert werden. Erfahrungsgemäß ist von Windungszahlen <100 und >1000 abzuraten. Die Belastbarkeit der Spule hängt oft von der Windungszahl ab und sollte die von der Stromquelle erzeugte Stromstärke weitesgehend decken.

In die Spule wird das andere Eisenstück an die Innenwand mittels Klebestreifen geklebt, sodass auch hier die Kanten parallel zu den Kanten des Innenraumes verlaufen. Dieses Stück dient später als Permanentmagnet und stößt das Eisenstück am Zeiger ab. Mittels des Stativmaterials wird nun eine Halterung für den Zeiger konstruiert. Der Messingstift wird dabei auf die Aufhängungen gelegt. Durch Verschieben der Aufhängungen kann nun die Höhe des Zeigers, bzw. die relative Lage der beiden Metallstücke angepasst werden, sodass sie sich möglichst flächendeckend gegenüberstehen. Die Metallstücke sollten sich dabei jedoch nicht berühren.

Skala

Hierbei ist Kreativität gefragt. Die Skala sollte sich nach der Messmethode richten (Auge oder Schattenwurf) und sollte erst nach einem Probelauf eingerichtet werden.

Hier wurde eine Pappe vom Rücken eines A4-Blockes verwendet. Diese Pappe wurde ebenfalls vom Messingstift durchstoßen und per Kugelschreiber und Geodreieck eine Skala eingetragen, wobei ein Strich 1° entspricht. Der Durchstoßpunkt des Messingstiftes wurde hierbei als Nullpunkt festgelegt. Zum Schluss wurde die Pappe wieder auf den Messingstift aufgehangen. Alternativ kann z.B. ein weißes Papier hinter den Zeiger gehangen werden. Hierbei sollte die Skala ähnlich wie bei der Pappe entstehen, nach der Erstellung der Skala wird hierbei jedoch der untere Teil so abgeschnitten, sodass das Blatt frei hinter dem Zeiger aufgehangen werden kann. Dabei muss sich jedoch die relative Höhe der Skala zum Zeiger gemerkt werden und das Papier ist auf entsprechender Höhe aufzuhängen.


Bilder eines fertigen Geräts


Experimentablauf

Aufbau

Der Aufbau des Experimentes lässt sich dem unten stehenden Schaltplan entnehmen. In den Stromkreis wird ein Amperemeter, natürlich in Reihe, als Vergleich eingeschaltet. Des weiteren lässt sich an diesem Amperemeter auch Eingangsstrom und Strom im Stromkreis sowie die Parallelität der beiden Messgeräte überprüfen. Beim Messen sollte die Stromstärkenmessung stets vom gleichen Gerät erfolgen.

Der Schaltplan

Durchführung

Nachdem das Dreheisenmessinstrument aufgebaut und der Stromkreis überprüft ist wird vor dem Anschalten der Stromquelle die Stromstärke möglichst gering eingestellt. Schaltet man nun die Stromquelle ein, kann möglicherweise ein Springen des Zeigers beobachtet werden. Man lässt den Zeiger sich beruhigen und fängt dann an, die Stromstärke langsam zu erhöhen. Mit stetig steigender Stromstärke kann nun ein stetig steigender Ausschlag des Zeigers beobachtet werden. Je vorsichtiger die Stromstärke erhöht wird, desto geringer fallen störende Schwingungen des Zeigers aus. Bei beliebigen Stromstärken kann nun in ein Stromstärken-Ausschlag-Diagramm der entsprechende Ausschlag notiert werden.

Dabei zu beachten ist, dass das Eisenstück ab einer gewissen Stromstärke das Ende des Spuleninnenraums erreicht oder anderweitigen Störeinflüssen ausgesetzt ist. Damit existiert eine gewisse maximale Stromstärke, bis zu welcher das Experiment funktioniert. Daher ist immer Acht auf die Bewegung des Eisenstücks zu geben. Bei zu großer Annäherung der Eisenstücke kann es passieren, dass sich beide anziehen. In diesem Fall ist das Gerät auszuschalten, die Eisenstücke zu trennen und das Experiment von vorne zu beginnen.

Am Ende des Experiments sollte erst die Stromstärke vorsichtig wieder verringert werden, bevor das Gerät ausgeschaltet wird. Durch Induktion in der Spule beim Ausschalten des Stromes ist wieder ein Sprung des Metallstückes zu beobachten. Bei hohen Stromstärken vor dem Ausschalten fällt dieser entsprechend stark aus und kann den Zeiger im schlimmsten Fall beschädigen.

Ergebnisse

Im besten Fall ergeben die Punkte im Stromstärken-Ausschlag-Diagramm eine Gerade. Verläuft die Gerade nicht durch den Koordinatenursprung, ist dies auf eine Biegung im Strohhalm zurückzuführen. Von daher ist es ratsam, sich die Grundposition des Zeigers ohne Stromfluss anzuschauen. Ist der Stohhalm nicht ganz gerade, kann der Zeiger hier einen Ausschlag von einigen Grad anzeigen. Dies ist bei der Auswertung zu berücksichtigen.

Auswertung

Liegt eine Gerade im Stromstärken-Ausschlag-Diagramm vor, wäre der Bau eines funktionierenden Dreheisenmessinstrumentes geglückt. Mithilfe des, von Strom in der Spule, induzierten Magnetfeldes kann man nun indirekt durch die Magnetfeldwirkung die Stromstärke messen. Und das ganze mit einem Großteil von günstigen, handelsüblichen Materialien. Durch eine Überschlagsrechnung kann der Klasse der geringe Produktionsaufwand des Gerätes vorgerechnet werden. Im Anschluss kann das selbstgebaute Gerät, falls vorhanden, mit einem transparenten professionellen Gerät verglichen werden und Ideen zur Verbesserung des eigenen Gerätes gesammelt und ggf. umgesetzt werden. Es kann auch auf die Ähnlichkeit der beiden Messgeräte im Experiment hinsichtlich der Ausschlagsänderungen bei doppelter/dreifacher Stromstärke hingewiesen werden. Damit sollte den Schülern die Wirkungsweise der ihnen bekannten Messgeräte nun klar und damit der Weg zum Verständnis von Genauigkeit des Gerätes, mögliche Fehlerquellen und Möglichkeiten und Grenzen des Dreheisenmessinstrumentes geebent sein.

Sicherheitshinweise

Um Geräteschäden zu vermeiden ist der Aufbau vor Einschalten der Stromquelle stets zu überprüfen und die Ausgangsstromstärke auf 0 A zu setzen. Während des Experiments ist auf das Amperemeter zu achten und ggf. der Messbereich anzupassen.

Literatur

Götz, R./Dahnke, H./Langensiepen, F. (Hrsg.) (1992): Handbuch des Physikunterrichts, Sekundarbereich I - Band 5: Elektrizitätslehre I; Aulis Verlag, Deubner & Co KG