PhysProf - Messbrücke - Spannungsteiler - Strom - Spannung - Messen

Fachthemen: Messbrücke - Spannungsteiler - Strommessung - Spannungsmessung

PhysProf - Elektrotechnik - Eine Applikation zur Visualisierung physikalischer Sachverhalte mittels Simulationen und 2D-Animationen für die Realschule, das Berufskolleg, das Gymnasium sowie das Studium.

Zur Benutzung dessen in Begleitung zum Lehrmaterial der Physik wird ein bereits erlangtes Grundwissen zum entsprechenden Themengebiet vorausgesetzt.

Online-Hilfe für das Modul
zur Ausführung von Untersuchungen mit Messschaltungen, die als Wheatstonesche Messbrücken bekannt sind.

Dieses Unterprogramm ermöglicht die Durchführung der Steuerung entsprechender Abläufe zur Echtzeit. Es bietet die Möglichkeit, die Einflüsse relevanter Größen interaktiv zu untersuchen und eignet sich zudem als Begleitung zu Versuchen im Physikunterricht.

Auch unterstützt es dabei, ein tiefergehendes Verständnis zu diesem Themengebiet zu erlangen und kann zum Lösen vieler diesbezüglich relevanter Aufgaben eingesetzt werden.

     

Themen und Stichworte zu diesem Modul: Wheatstone-Brücke - Wheatstonesche Brücke - Messbrücke - Wheatstonesche Brückenschaltung - Widerstandsmessbrücke - Brückenschaltung - Widerstandsmessung - Messbrücke berechnen - Brückenschaltung berechnen - Widerstand messen - Definition - Regelwiderstand - Potentiometer - Potentiometerschaltung - Abgleichen - Abgeglichene Brückenschaltung - Abgeglichene Messbrücke - Abgeglichen - Belastete Messbrücke - Belastete Brückenschaltung - Unbelastete Brückenschaltung - Brückenspannung - Messschaltung - Messwiderstand - Abgleichbedingung - Strom - Spannung - Simulation - Unabgeglichene Brückenschaltung - Messen - Belastungswiderstand - Messbrücken - Berechnung - Wheatstone - Spannungsteiler - Schaltung - Spannungsteilerverhältnis - Verhältnis - Spannungsabfall - Widerstand - Begriff - Begriffe - Teilwiderstand - Lastwiderstand - Unbelasteter Spannungsteiler - Belasteter Spannungsteiler - Spannungsteilerschaltung - Stromfehlerschaltung - Spannungsfehlerschaltung - Bedingung - Funktion - Gleichstrom - Aufgaben - Arten - Belastet - Unbelastet - Nicht abgeglichene Brückenschaltung - Teilspannung - Teilspannungen - Belastet - Unbelastet - R1 - R2 - Rx - Rges - Verändern - Veränderung - Veränderbar - Veränderlich - Veränderbarer Widerstand - Veränderlicher Widerstand - Ändern - Änderung - Berechnen - Schaltung - Schaltplan - Strommessung - Strommesser - Spannungsmessung - Spannungsmesser - Strom messen - Spannung messen - Stromstärke messen - Stromstärkemessung - Gleichstrom messen - Gleichspannung messen - Grundlagen - Hauptschluss - Nebenschluss - Messgerät - Messgeräte - Messbereich - Parallelwiderstand - Nebenwiderstand - Herleitung - Beweis - Amperemeter - Voltmeter - Vorwiderstand - Kompensationsmethode - Kompensationsverfahren - Rechner - Einführung - Formel - Beispiel - Was - Wie - Weshalb - Was ist - Warum - Bedeutung - Was bedeutet - Erklärung - Einfach erklärt - Beschreibung - Arbeitsblatt - Arbeitsblätter - Unterrichtsmaterial - Unterrichtsmaterialien - Lernen - Erlernen - Aufgaben - Lösungen - Abituraufgaben - Abiturvorbereitung - Abitur - Abi - Leistungskurs - LK - Klassenarbeit - Klassenarbeiten - Anwendungsaufgaben - Versuch - Unterricht - Stromquelle - Bild - Grafik - Berechnung - Darstellen - Grafische Darstellung

    

Modul Messbrücke

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Das Programmmodul [Elektrotechnik] - [Messbrücke] ermöglicht die Simulation einer Messschaltung, welche unter der Bezeichnung Wheatstonesche Messbrücke bekannt ist.

Brücke abgleichen
 

Brücke abgeglichen

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Brückenschaltungen finden Einsatz bei der Bestimmung von Widerständen (Widerstandsmessung) und werden in der Mess- und Regelungstechnik verwendet. Zwei Spannungsteiler, bestehend aus vier Widerständen, sind parallel geschaltet und über eine Diagonalleitung, die über einen Spannungsmesser verfügt, miteinander verbunden. Sind drei dieser Widerstände bekannt, so kann hiermit ein vierter Widerstand bestimmt werden.

Wird eine Brückenspannung angelegt, so ist die Brücke abgeglichen (abgeglichene Brückenschaltung bzw. abgeglichene Messbrücke), andernfalls ist sie nicht abgeglichen (unabgeglichene Brückenschaltung). Brückenschaltungen dieser Art tragen die Bezeichnung Wheatstonesche Brücke, Widerstandsmessbrücke oder Wheatstonesche Messbrücke bzw. Wheatstone-Brücke oder Wheatstonesche Brückenschaltung.


Wheatstonesche Messbrücke - Schaltbild 1

Mit Hilfe einer Brückenschaltung (Potentiometerschaltung) kann der Wert eines Widerstands mit relativ geringem Fehler ermittelt werden. Der unbestimmte Messwiderstand R_x wird mit dem bekannten Normalwiderstand R₁, welcher dekadisch einstellbar und geeicht ist, sowie mit den beiden bekannten Widerständen R₂ und R₃ verglichen.
 
Ein Messwiderstand ist ein ohmscher Widerstand, der in der Messtechnik zum Einsatz kommt und besonderen Anforderungen genügen muss. Wird der Stromkreis geschlossen, so entsteht eine durch den Widerstand R₁ einstellbare Stromverteilung in den einzelnen Stromzweigen. Durch das Verstellen des Werts des Regelwiderstands R₁ kann der Strom I₀ im Brückenzweig auf null reduziert werden. Für die abgeglichene Brücke gilt dann die nachfolgend gezeigte Abgleichbedingung:


R_x: Unbestimmter Widerstand [Ω]
R_2,R₃: Bekannte Widerstände [Ω]
R₁: Nomalwiderstand [Ω]
 

Wheatstonesche Messbrücke - Schaltbild 2
 

Programmbedienung

 
Derartige Untersuchungen können Sie in diesem Unterprogramm durchführen. Beachten Sie aber, dass die dargestellte Messbrücke etwas verändert wurde.
 

1. Brücke abgleichen:

Wird der Kontrollschalter Brücke abgleichen aktiviert, so werden ein einzelner Regelwiderstand (Potentiometer) R₁ und zwei Festwiderstände R₂ und R₃ verwendet. Der unbekannte Widerstand wird schraffiert dargestellt. Durch die Auswahl vorgegebener Werte für die Widerstände R₂ und R₃ aus den zur Verfügung stehenden Auswahlboxen Messwiderstand R2 und Messwiderstand R3 können die Werte für die Festwiderstände festgelegt werden. Somit stehen viele variante Möglichkeiten zur Verfügung den Abgleich durchzuführen.

Zudem kann der Wert des unbekannten Widerstands variabel geändert werden. Es gilt jedoch zu beachten, dass diese Tatsache nicht praxisnah ist, da normalerweise stets ein Abgleich für nur einen Widerstand durchgeführt wird. Dieses Prinzip wurde lediglich deshalb umgesetzt, um möglichst viele Versuche dieser Art ermöglichen zu können. Wird die Größe des Regelwiderstands R₁ am dafür zur Verfügung stehenden Rollbalken verändert, so ändert sich der Brückenstrom. Wird hierfür der Wert 0 mA erreicht, so ist die Brücke abgeglichen und der Messwert entspricht der wahren Größe des Widerstands.
 

2. Brücke abgeglichen:

Aktivieren Sie den Kontrollschalter Brücke abgeglichen. Hierauf wird der Zustand simuliert, dass die Brücke sich im abgeglichenen Zustand befindet, d.h. im Brückenzweig wird die Stromstärke I₀ = 0.

Durch die Positionierung des Rollbalkens für Regelwiderstand R₁ und durch die Auswahl entsprechender Werte aus den Auswahlboxen Messwiderstand R2 sowie Messwiderstand R3 können Sie untersuchen, welche Verhältnismäßigkeit zwischen Regelwiderstand und unbekanntem Widerstand bestehen muss, um die Messbrücke abzugleichen. Die Einstellung der vorherrschenden Spannung hat hierauf keinen Einfluss.
    

Spannungsteiler - Spannungsteilerschaltung - Potentiometerschaltung

 
Eine Spannungsteilerschaltung (Potentiometerschaltung) wird eingesetzt, um die an einem Verbraucher anliegende Spannung einstellbar zu machen.
 


Spannungsteiler werden dazu verwendet, um Spannungsverhältnisse an aktiven Bauelementen variierbar zu halten. Ein Spannungsteiler ist eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen, durch welche eine elektrische Spannung in zwei Teilspannungen aufgeteilt wird. Ein einstellbarer Spannungsteiler wird als Potentiometer oder veränderbarer Widerstand (veränderlicher Widerstand) bezeichnet. Fällt an einem derartigen Widerstand eine Spannung U an, so wird eine dieser an ihm abgegriffen. Es gilt:


U₁: Spannungsabfall am abgegriffenen Teilwiderstand R₁ [V]
U: Spannung am Gesamtwiderstand [V]
R₁: abgegriffener Teilwiderstand [Ω]
R: Gesamtwiderstand [Ω]

Es wird unterschieden zwischen dem unbelasteten Spannungsteiler und dem belasteten Spannungsteiler. Als Spannungsabfall wird die elektrische Spannung bezeichnet, die in einem Stromkreis aufgrund des elektrischen Stroms entsteht, der durch ein elektrisches Bauelement fließt.

 
1. Unbelasteter Spannungsteiler:


Ein unbelasteter Spannungsteiler entspricht der Reihenschaltung zweier Widerstände R₁ und R₂. Der Stromfluss sowie die an den beiden Widerständen anliegende Spannung kann gemäß den bei der Reihenschaltung geltenden Gesetzmäßigkeiten berechnet werden.

 
2. Belasteter Spannungsteiler:

Ein belasteter Spannungsteiler besitzt drei Widerstände. Zwei Widerstände R₁ und R₂ sind in Reihe geschaltet. Ein zusätzlicher Widerstand (Lastwiderstand) R_L wird einem dieser beiden als Verbraucher parallel geschaltet. Als Lastwiderstand (Belastungswiderstand) wird dieser elektrische Widerstand bezeichnet, da mit ihm eine elektrische Energiequelle belastet wird. Durch diese Anordnung entwickelt sich eine gemischte Schaltung, deren Gesamtwiderstand sich verringert. Die Berechnung des Ersatzwiderstands R_E einer derartigen Schaltung kann wie folgt durchgeführt werden:



Für die beiden Teilspannungen U₁ und U₂ gilt:




U₁: Teilspannung 1 [V]
U₂: Teilspannung 2 [V]
U_Ges: Gesamtspannung [V]
R₁: Widerstand 1 [Ω]
R₂: Widerstand 2 [Ω]
R_L: Lastwiderstand [Ω]
R_E: Ersatzwiderstand [Ω]
 

Strommessung - Spannungsmessung

 
1. Strommessung:

Strom messen bzw. Stromstärke messen oder Gleichstrom messen: Um die Stromstärke in einem geschlossenen Stromkreis zu messen (eine Strommessung durchzuführen), wird ein Strommesser (Messgerät zur Strommessung) in Reihe geschaltet. Dieser muss einen möglichst vernachlässigbar geringen Innenwiderstand besitzen, um einen möglichst geringen Spannungsabfall am Messgerät zu bewirken. Eine Schaltung dieser Art wird als Hauptschluss bezeichnet.



Um Stromstärken zu messen, die über den Messbereich des zugeschalteten Geräts hinausgehen ist ein Parallelwiderstand (Nebenwiderstand) zuzuschalten, welcher einen Teil des fließenden Stroms am Messgerät vorbeileitet. Ein diesen Strom messendes Gerät trägt die Bezeichnung Strommesser oder Amperemeter.


Dieser erforderliche Nebenwiderstand (Parallelwiderstand) R_P kann wie folgt berechnet werden:



bzw:



R_p: Benötigter Parallelwiderstand [Ω]
R_i: Innenwiderstand des Strommessgeräts [Ω]
I₁: Ursprünglicher Messbereich des Strommessgeräts [A]
I₂: Neuer notwendiger (erwünschter) Messbereich des Strommessgeräts [A]

Bei einer Stromfehlerschaltung liegt eine Parallelschaltung aus einem Spannungsmesser sowie einem zu messenden Widerstand vor. Der hierbei durch den Spannungsmesser fließende Strom verfälscht in diesem Fall die Anzeige des zu messenden Stroms, welcher durch den zu messenden Widerstand fließt.


2. Spannungsmessung:

Spannung messen bzw. Gleichspannung messen: Um die Spannung an einem Bauteil eines Stromkreises zu messen (eine Spannungsmessung durchzuführen), wird diesem ein Spannungsmesser parallel geschaltet. Spannungsmesser müssen über einen möglichst großen Innenwiderstand verfügen. Eine derartige Schaltung trägt die Bezeichnung Nebenschluss.



Um Spannungen zu messen, die über den Messbereich des zugeschalteten Geräts hinausgehen ist ein Vorwiderstand zuzuschalten, welcher einen entsprechenden Spannungabfall erzeugt. Ein diese Spannung messendes Gerät trägt die Bezeichnung Voltmeter.



Dieser erforderliche Vorwiderstand kann wie folgt berechnet werden:



bzw:



R_v: Benötigter Vorwiderstand [Ω]
R_i: Innenwiderstand des Spannungsmessgeräts [Ω]
U₁: Ursprünglicher Messbereich des Spannungsmessgeräts [V]
U₂: Neuer notwendiger (erwünschter) Messbereich des Spannungsmessgeräts [V]


Als Messbereich wird derjenige Bereich eines Messinstruments bezeichnet, innerhalb dessen der ausgegebene Messwert den vorgegebenen Fehlergrenzenbereich nicht überschreitet. Er ist der Bereich mit der im Messinstrument festgelegten Messgenauigkeit.

Bei der Spannungsfehlerschaltung bildet sich ein Spannungsteiler, welcher sich aus dem zu messenden Widerstand sowie dem Innenwiderstand des Strommessgeräts zusammensetzt. Der durch den Spannungsmesser fließende Strom verfälscht hierbei die Anzeige des zu messenden Stroms, der durch den zu messenden Widerstand fließt.
 

Kompensationsmethode

 
 

Die Kompensationsmethode (das Kompensationsverfahren) ist eine von zahlreichen einsetzbaren Messmethoden. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirkung der zu bestimmenden Messgröße durch eine bewusst erzeugte Gegengröße kompensiert bzw. wirkungslos gemacht wird. Dies geschieht dadurch, dass der zu messenden Grösse eine ebenso grosse Hilfsgrösse entgegengesetzt wird und die Gleichheit der beiden Größen durch ein sehr empfindliches Messgerät ermittelt und ausgegeben wird.

Diese Methode wird u.a. benutzt, um die Spannung von Spannungsquellen mit sehr hohem Widerstand zu messen, oder die Spannung von Quellen zu ermitteln, die nicht belastet werden dürfen. Die Messgröße wird durch die Messung nach diesem Verfahren nur in sehr geringem Maße beeinflusst.
 

Brücke abgleichen


Brücke abgeglichen
 

 
 
Mit Hilfe dieses Programms lassen sich unter anderem Grafiken für Arbeitsblätter zur nichtkommerziellen Nutzung für Unterrichtszwecke erstellen. Beachten Sie hierbei jedoch, dass jede Art gewerblicher Nutzung dieser Grafiken und Texte untersagt ist und dass Sie zur Verfielfältigung hiermit erstellter Arbeitsblätter und Unterrichtsmaterialien eine schriftliche Genehmigung des Autors (unseres Unternehmens) benötigen.

Diese kann von einem registrierten Kunden, der im Besitz einer gültigen Softwarelizenz für das entsprechende Programm ist, bei Bedarf unter der ausdrücklichen Schilderung des beabsichtigten Verfielfältigungszwecks sowie der Angabe der Anzahl zu verfielfältigender Exemplare für das entsprechende Arbeitsblatt unter der auf der Impressum-Seite dieses Angebots angegebenen Email-Adresse eingeholt werden. Es gelten unsere AGB.
 

  
Dieses Programm eignet sich neben seinem Einsatz als Berechnungs- bzw. Animationsprogramm zudem zum Lernen, zur Aneignung entsprechenden Fachwissens, zum Verstehen sowie zum Lösen verschiedener Aufgaben zum behandelten Fachthema. Durch seine einfache interaktive Handhabbarkeit bietet es die auch Möglichkeit der Durchführung unterschiedlicher Untersuchungen hierzu.

Es kann sowohl zur Einführung in das entsprechende Fachthemengebiet, wie auch zur Erweiterung des bereits hierzu erlangten Fachwissens sowie als Unterstützung bei der Bearbeitung von Anwendungsaufgaben genutzt werden. Des Weiteren eignet es sich auch als Begleiter bei der Bearbeitung von Abituraufgaben sowie zur Vorbereitung auf Klassenarbeiten, zur Unterstützung bei der Abiturvorbereitung und zur Intensivierung des erforderlichen Wissens beim Abitur (Abi) im entsprechenden Leistungskurs (LK).

Mittels der anschaulichen Gestaltung und einfachen Bedienbarbarkeit einzelner Module dieser Software können Fragen zum entsprechenden Themengebiet, die mit den Worten Was ist?, Was sind?, Wie?, Wieviel?, Was bedeutet?, Weshalb?, Warum? beginnen beantwortet werden.

Eine Herleitung dient dazu, zu erklären, weshalb es zu einer Aussage kommt. Derartige Folgerungen sind unter anderem dazu nützlich, um zu verstehen, weshalb eine Formel bzw. Funktion Verwendung finden kann. Dieses Modul kann auch in diesem Fall hilfreich sein und ermöglicht es durch dessen Nutzung oftmals, einer entsprechenden Herleitung bzw. einem Beweis zu folgen, oder einen Begriff zum entsprechenden Fachthema zu erklären.

Bei Fragen deren Wörter Welche?, Welcher?, Welches?, Wodurch? bzw. Wie rechnet man? oder Wie berechnet man? sind, können zugrunde liegende Sachverhalte oftmals einfach erklärt und nachvollzogen werden. Auch liefert diese Applikation zu vielen fachthemenbezogenen Problemen eine Antwort und stellt eine diesbezüglich verständliche Beschreibung bzw. Erklärung bereit. 
  

Eine kleine Übersicht in Form von Bildern und kurzen Beschreibungen über einige zu den einzelnen Fachthemengebieten dieses Programms implementierte Unterprogramme finden Sie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Mechanik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Elektrotechnik - Kurzbeschreibungen von Modulen zum Themengebiet Optik - Kurzinfos zum Themengebiet Thermodynamik sowie unter Kurzbeschreibungen von Modulen zu sonstigen Themengebieten.

 

 

Hilfreiche Informationen zu diesem Fachthema sind unter Wikipedia - Messbrücke zu finden.
  

 

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Lissajousche Figuren - Reihen- und Parallelschaltung - Widerstände im Wechselstromkreis - Widerstandsgesetz - Kondensator Ladung - Entladung - Kondensator - Kapazitäten - Plattenkondensator - Transformator - Schwingungsüberlagerung - RC-Kreis - RL-Kreis - RLC-Kreis - Resonanz - Wechselstromkreis
 

 

Unterprogramm Messbrücke
 

 

PhysProf 1.1 - Unterprogramm RLC-Kreis
 

MathProf 5.0 - Unterprogramm Kurven in Parameterform
 

SimPlot 1.0 - Grafik-  und Animationsprogramm für unterschiedlichste Anwendungszwecke

 

 

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