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  • kit/etp-lehre/p2-praktikum/students
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......@@ -2,9 +2,9 @@
Für die verschiedenen Aufgaben des Versuchs **Elektrische Bauelemente** stehen Ihnen die folgenden Geräte zur Verfügung:
- Zwei Versuchsboxen, zur Widerstandsmessung mit Hife der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke) und zur Kennlinienaufnahme mit dem Oszilloskop.
- Zwei Schaltbretter, einmal zur Widerstandsmessung mit Hilfe der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke) und einmal zur Kennlinienaufnahme am Oszilloskop.
- Ein Tisch-Multimeter ([Keithley, Modell 2100, 6-1/2-Digit](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Keithley_2100_6p5_Manual.pdf)).
- Ein USB-Oszilloskop (PicoScope 2000) mit Computer.
- Ein Oszilloskop.
- Ein Ofen mit Leistungsregelung, bestückt mit einem eingebauten $\mathrm{NiCr}$-$\mathrm{Ni}$-Thermoelement mit passendem Messinstrument. Im Ofen fest verbaut sind:
- Eine Kupferspule;
- eine Konstantandrahtspule;
......@@ -12,9 +12,19 @@ Für die verschiedenen Aufgaben des Versuchs **Elektrische Bauelemente** stehen
- der zu vermessende PT100.
- Ein Frequenzgenerator ([GW-Instek SFG-2104](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Instek_SFG_2104_Manual.pdf)).
- Ein Trenntransformator zur Verwendung mit dem Frequenzgenerator.
- Verschiedene Bauelemente als Steckeinheiten: Widerstände $1,\,33,\,51,\,100\,(2\times),\,680,\,1200\,\Omega$, je 1% Toleranz, $\mathrm{Si}$-Diode, $\mathrm{Ge}$-Diode, Z-Diode, Varistor, Photodiode, Photowiderstand, Leuchtdioden LED in den Farben grün, gelb, orange und rot.
- Verschiedene Bauelemente als Steckeinheiten:
- Widerstände $1,\,33,\,51,\,100\,(2\times),\,680,\,1200\,\Omega$, je **1% Toleranz**;
- je eine Si- und Ge-Diode;
- eine Z-Diode;
- ein Varistor,
- eine Photodiode,
- ein Photowiderstand,
- verschiedene Leuchtdioden LED in den Farben grün, gelb, orange und rot.
- Eine Taschenlampe zur Beleuchtung.
- Eine Experimentierleuchte mit Photodioden-Aufsatz und Netzgerät (EA-PS-2016).
- Ein Piezoelement (mit der Resonanzfrequenz $2.9\ \mathrm{kHz}$) in einem Gehäuse, ein Piezolautsprecher.
- Ein Supraleiter in einem Gehäuse mit Absenkvorrichtung, ein Dewargefäß, eine Vierleitermessschaltung mit Konstantstromquelle ($I_{\mathrm{const}}=63\ \mathrm{mA}$) und Steckernetzgerät.
- Eine Experimentierleuchte mit Photodioden-Aufsatz und Netzgerät (mit Label EA-PS-2016).
- Ein Piezoelement (mit der Resonanzfrequenz $2.9\ \mathrm{kHz}$) in einem Gehäuse.
- Ein Lautsprecher.
- Ein Hochtemperatursupraleiter in einem Gehäuse mit Stativ und Absenkvorrichtung.
- Ein Dewargefäß.
- Eine Vierleitermessschaltung mit Konstantstromquelle ($I_{0}=63\ \mathrm{mA}$) und Steckernetzgerät.
- Flüssigstickstoff.
File deleted
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# Fakultät für Physik
## Physikalisches Praktikum P2 für Studierende der Physik
Versuch P2-181, 182, 183 (Stand: **März 2025**)
[Raum F1-17](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
# Elektrische Bauelemente
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Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
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&\\
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\end{equation*}
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
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\end{equation*}
Gruppennummer: _____
\begin{equation*}
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\end{equation*}
Betreuer: __________________
\begin{equation*}
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\end{split}
\end{equation*}
Versuch durchgeführt am: __________________
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---
**Beanstandungen zu Protokoll Version _____:**
\begin{equation*}
\begin{split}
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\end{split}
%\text{\vspace{10cm}}
\end{equation*}
<br>
Testiert am: __________________ Testat: __________________
%% Cell type:markdown id:3709bac5-f429-489c-b7fb-902d1bb166e7 tags:
# Durchführung
**Detaillierte Kommentare zur Durchführung der Aufgaben finden Sie in der Datei [Elektrische_Bauelemente_Hinweise.ipynb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/Elektrische_Bauelemente_Hinweise.ipynb)**
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## Aufgabe 1: Dioden und verwandte Widerstandstypen
%% Cell type:markdown id:2222db14-ed2e-4aa4-8e9e-575de0e14667 tags:
### Aufgabe 1.1: Einfache Dioden und Varistor
* Charakterisieren Sie die **Kennlinien** der folgenden Dioden- und Widerstandstypen:
* Si- **oder** Ge-Diode,
* Z-Diode,
* Varistor.
---
%% Cell type:markdown id:72df8c12-251d-413a-8448-6ff4e2f315e5 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:c7924511-66cd-4e0b-8fb8-bf5c0a239db1 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
---
%% Cell type:markdown id:f9265fd5-fcdd-43cc-875f-d030cd157417 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:baedd315-fb4a-4b95-a92f-ecc48ee80c9e tags:
### Aufgabe 1.2: Leuchtdiode
* Stellen Sie die **Kennlinie einer Leuchtdiode** dar. Hierzu stehen Ihnen Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe zur Verfügung.
* Sie können die Kennlinien mehrerer Leuchtdioden vermessen, für Ihre Auswertung genügt jedoch eine.
---
%% Cell type:markdown id:200592dc-df9b-48b1-abdb-33983e39a287 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
%% Cell type:markdown id:1e9d326f-9fc1-4b9e-bebb-3e0ead29f089 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:a0169214-3835-4903-87b7-c74eaa796d34 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:97508790-a296-4492-8d37-c74eccd99d23 tags:
### Aufgabe 1.3 Photodiode und Photowiderstand
* Bestimmen Sie die **Kennlinien einer Photodiode** bei verschiedenen Beleuchtungsstärken und bestimmen Sie den den Photostrom $I_{\mathrm{Ph}}$ als Funktion der Beleuchtungsstärke.
* Stellen Sie die **Kennlinien eines Photowiderstands** in beleuchtetem und abgedunkeltem Zustand dar und geben Sie den jeweiligen Widerstand an.
* Bestimmen Sie die **Kennlinien einer Photodiode** bei verschiedenen Beleuchtungsstärken $E_{\mathrm{V}}$ und bestimmen Sie den den Sperrstrom $I_{S}$ als Funktion von $E_{\mathrm{V}}$.
* Stellen Sie die **Kennlinien eines Photowiderstands** in beleuchtetem und abgedunkeltem Zustand dar und bestimmen Sie den jeweiligen Widerstand $R$.
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%% Cell type:markdown id:ad90d068-477e-447a-8216-7264374b08f5 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:3b2e0136-d835-4f56-bbc1-ffb93fd22eca tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:343976cd-3537-44bc-880f-2dfb01f7452f tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:ec49b22a-9588-41fc-aa65-e8f10a5412dd tags:
## Aufgabe 2: Eigenschaften von Leitern
%% Cell type:markdown id:dfaff622-6c36-4d9f-8c3e-e3193ae9ed01 tags:
### Aufgabe 2.1: Abhängigkeit vom Druck
* Führen Sie mit dem Oszilloskop qualitative Untersuchungen an verschiedenen **Piezoelementen** durch.
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%% Cell type:markdown id:b2ab011d-efd2-42c1-aeaf-337222878113 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:6bd33d2f-b28e-4a0e-8935-2088d1042053 tags:
### Aufgabe 2.2: Abhängigkeit von der Temperatur
* Untersuchen Sie mit Hilfe eines Ofens die Abhängigkeiten der Widerstände eines (NTC) **Heissleiters** und eines (PTC) **Kaltleiters** von der Temperatur zwischen $\vartheta=60$ und $200^{\circ}\mathrm{C}$.
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%% Cell type:markdown id:eedcaca7-0e36-4e10-89d2-b7d3162a0438 tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:b7e9369d-69e7-4bc3-b61d-5be3e5464a50 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:c1b6a547-605d-4df9-9e54-11e1465c80ca tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:bca86c56-3123-4cc8-9831-a4bedebea47d tags:
### Aufgabe 2.3: Hochtemperatursupraleitung
* Bestimmen Sie die **Sprungtemperatur eines Hochtemperatursupraleiters**.
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%% Cell type:markdown id:df22a185-7382-4704-8877-4e28d9a5dedc tags:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:2e278354-9c75-431c-a01b-ba9f46bf85b6 tags:
**L Ö S U N G**
*Fügen Sie numerische Berechnungen zur Lösung dieser Aufgabe hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument. Um Code-Fragmente und Skripte in [Python](https://www.python.org/), sowie ggf. bildliche Darstellungen direkt ins [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) einzubinden verwandeln Sie diese Zelle in eine Code-Zelle. Fügen Sie ggf. weitere Code-Zellen zu.*
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%% Cell type:markdown id:0eb33dc0-b000-451a-bdab-496796e34348 tags:
**D I S K U S S I O N**
*Fügen Sie eine abschließende Diskussion und Bewertung Ihrer Lösung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:fecaa953-e232-42ac-9b24-b5b2ad1c427f tags:
# Beurteilung
%% Cell type:markdown id:50d2f3e1-b615-4433-b382-52f7ec1c5400 tags:
* Beurteilen Sie diesen Versuch nach Abschluss der Auswertung.
* **Folgen Sie zur Beurteilung dieses Versuchs diesem [Link]()**.
* **Folgen Sie zur Beurteilung dieses Versuchs diesem [Link](https://www.empirio.de/s/X5JZJJaZXo)**.
* Beachten Sie, dass jede:r Studierende nur einmal pro Versuch eine Beurteilung abgeben kann.
......
%% Cell type:markdown id:0c47a697-9dc9-49b1-a327-1f8e2e0f3499 tags:
# Hinweise zum Versuch **Elektrische Bauelemente**
---
Allgemeine Hinweise zu **Leitern, Halbleitern und Isolatoren** finden Sie in der Datei [Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren.md).
---
%% Cell type:markdown id:66e76e8e-eab7-4f1c-80e2-70be8016f884 tags:
## Aufgabe 1: Dioden und verwandte Widerstandstypen
---
* Hinweise zur **Funktionsweise der im Versuch verwendeten Dioden, sowie zu deren Kennlinien** finden Sie in der Datei [Hinweise-Dioden](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Dioden.md).
* Hinweise zum **photoelektroschen Effekt** finden Sie in der Datei [Hinweise-PhotoelektrischerEffekt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-PhotoelektrischerEffekt.md).
---
%% Cell type:markdown id:3ce12aa4-c187-4acb-a9d1-c1dda76f8861 tags:
### Aufgabe 1.1: Einfache Dioden und Varistor
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**Hinweise zum Ablauf:**
* Überlegen Sie sich zur **Vorbereitung auf diesem Versuchsteil** Antworten zu den folgenden Fragen (mit Schaltskizzen):
* Wie realisiert man eine Spannungsstabilisierung mit Hilfe einer Z-Diode?
* Wie verwendet man einen Varistor zum Schutz gegen induzierte Spannungen an geschalteten Induktivitäten?
* Verwenden Sie für Ihre Messungen die Schaltung aus **Abbildung 5** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Dioden.md):
* Beziehen Sie die Spannung $U_{0}$ als sinusförmige Wechselspannung mit der Frequenz $\nu\lesssim100\,\mathrm{Hz}$ aus dem Frequenzgenerator.
* Schließen Sie den Frequenzgenerator über den bereitliegenden [**Trenntransformator**](https://de.wikipedia.org/wiki/Trenntransformator) an. Erklären Sie welchen Zweck ein Trenntransformator im Allgemeinen und in diesem Fall erfüllt.
* Wählen Sie als Referenzwiderstand für **CH1** $R_{\mathrm{ref}}=100\ \Omega$.
* Legen Sie die Spannung, die über dem zu vermessenden Bauteil abfällt auf **CH2**.
* Betreiben Sie sas Oszilloskop im **XY-Modus**.
* Lesen Sie die Daten über die USB-Schnittstelle aus.
* Überprüfen Sie an der Si-Diode qualitativ, was passiert, wenn Sie die Frequenz der anliegenden Wechselspannung auf bis zu $10\ \mathrm{kHz}$ erhöhen und interpretieren Sie Ihre Beobachtung.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Fügen Sie Ihrer Auswertung das Schaltbild aus **Abbildung 5** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Dioden.md) bei.
* Eine Erklärung, wie Sie externe Bilder in Ihr Protokoll einfügen können finden Sie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p1-praktikum/students/-/blob/main/tools/add_figures.ipynb).
* Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen während der Messung.
* Präparieren Sie für jedes der Bauelemente eine **Kennlinie, die alle erwarteten charakteristischen Eigenschaften aufweist** und fügen Sie Ihrer Auswertung ein entsprechendes Diagramm bei.
* Stellen Sie hierzu die Kennlinie mit Hilfe der Messpunkte $(I_{i}, U_{i})$ geeignet dar.
* Bestimmen Sie aus der Darstellung der Kennlinie für die Si- oder Ge-Diode **die Schwellenspannung $U_{\mathrm{S}}\pm\Delta U_{\mathrm{S}}$**.
* Bestimmen Sie aus der Darstellung der Kennlinie der Z-Diode **$U_{\mathrm{S}}\pm\Delta U_{\mathrm{S}}$ und $U_{Z0}\pm\Delta U_{Z0}$**.
* Bestimmen Sie aus der Darstellung der Kennlinie des Varistors **$U_{\mathrm{S}}\pm\Delta U_{\mathrm{S}}$** und überprüfen Sie die **Annahme der Punktsymmetrie**.
* Fügen Sie Ihrer Auswertung eine geeignete **Darstellung aller drei Bauelemente in einem Diagramm** bei.
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### Aufgabe 1.2: Leuchtdiode
%% Cell type:markdown id:74a59baa-daf1-4625-854a-96269c7b84c5 tags:
**Hinweise zum Ablauf:**
* Gehen Sie für diese Aufgabe vor, wie für **Aufgabe 1.1**
**Hinweise zur Auswertung:**
* Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen und Ihre Beobachtungen während der Messung.
* Präparieren Sie eine **Kennlinie, die alle erwarteten charakteristischen Eigenschaften der Photodiode aufweist** und fügen Sie Ihrer Auswertung ein entsprechendes Diagramm bei.
* Stellen Sie hierzu die Kennlinie mit Hilfe der Messpunkte $(I_{i}, U_{i})$ geeignet dar.
* Bestimmen Sie aus der Darstellung der Kennlinie **die Schwellenspannung $U_{\mathrm{S}}\pm\Delta U_{\mathrm{S}}$**.
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### Aufgabe 1.2: Photodiode und Photowiderstand
%% Cell type:markdown id:ee129452-cb9f-4678-9ed7-22730f3a5c74 tags:
**Hinweise zum Ablauf:**
* Gehen Sie für diese Aufgabe vor, wie für **Aufgabe 1.1**
* Es empfiehlt sich zuerst die Kennlinien der Photowiderstands zu vermessen, weil Sie hierzu exakt, wie in den **Aufgaben 1.1 und 1.2** vorgehen können.
* Stellen Sie die **Kennlnien einmal für den abgedecktem und einmal in nicht-abgedecktem Photowiderstand** dar.
* Verwenden Sie dann zur Darstellung der Kennlinien der Photodiode die **Experimentierleuchte mit Photodioden-Aufsatz und Netzgerät**. Diese besitzt neben den Anschlussklemmen an die eingebaute Photodiode auch zwei Anschlüsse für eine Spannungsversorgung der Experimentierlampe, die Sie mit dem entsprechenden Labornetzgerät LN verbinden können:
* Verringern Sie für diese Messungen die Frequenz der Wechselspannung auf $\nu\approx10\,\mathrm{Hz}$.
* Nehmen Sie **12 Messpunkte** für die Spannungen $U_{i}=1,\, 2,\, 3,\, 4,\, 5,\,6,\,7,\,8,\,9,\,10,\,11,\,12\,\mathrm{V}$ am LN auf.
* Stellen Sie für jede Spannung $U_{i}$ die **Kennlinie der Diode** geeignet am Oszilloskop dar.
* Lesen Sie die Daten über die USB-Schnittstelle aus.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen während der Messung.
* Fügen Sie Ihrer Auswertung eine Darstellung **beider Kennlinien des Photowiderstands im gleichen Diagramm** bei.
* Bestimmen Sie aus diesen Kennlinien jewels den Widerstand (ohmschen) $R$ des Widerstands.
* Fügen Sie Ihrer Auswertung die **Abbildung einer typischen Kennlinie** der Photodiode bei.
* Beschreiben Sie anhand dieser Kennlinie, wie Sie $I_{S}\pm\Delta I_{S}$ für alle weiteren Messpunkte bestimmen.
* Fügen Sie Ihrer Auswertung eine **Kalibrationskurve** zur Umrechnung der Spannungwerte $U_{i}$ in die [Beleuchtungsstärke $E_{\mathrm{V}}$](https://de.wikipedia.org/wiki/Beleuchtungsst%C3%A4rke) bei. Sie finden eine entsprechende Tabelle [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/params/Umrechnung_Lampenspannung.csv).
* Stellen Sie die Messpunkte $(E_{\mathrm{V},i},I_{S,i})$ mit entsprechenden Unsicherheiten geeignet dar.
%% Cell type:markdown id:f8b37f1f-5cfe-4c04-aff2-9191250e0489 tags:
## Aufgabe 2: Eigenschaften von Leitern
---
* Hinweise zum **Piezoeffekt** finden Sie in der Datei [Hinweise-Piezoeffekt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Piezoeffekt.md).
* Hinweise zur **Heiss- und Kaltleitung, sowie zur Supraleitung** finden Sie in der Datei [Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren.md).
---
%% Cell type:markdown id:94e3737a-db8c-4bc4-872f-79abd5bc7449 tags:
### Aufgabe 2.1: Abhängigkeit vom Druck
%% Cell type:markdown id:eb218408-0c9c-4f3b-b195-eed09ab0fc1f tags:
**Hinweise zum Ablauf:**
* Bei dieser Aufgabe handelt es sich um **drei qualitative Versuche**.
* Schließen Sie hierzu das Piezoelement mit Gehäuse zunächst direkt ans Oszilloskop an.
* **Versuch 1**: Tippen/Schlagen Sie kräftig mit dem Finger auf die kreisrunde Fläche und beobachten Sie den Spannungsverlauf am Oszilloskop.
* **Versuch 2**: Schließen Sie nun den Lautsprecher am Funktionsgenerator an und stellen dort sie eine sinusförmige Schwingung ein. Legen Sie das Piezoelement auf den Lautsprecher und beobachten Sie die den Verlauf der Spannung. Welche Frequenz ist unter Berücksichtigung der Angaben im [Datenblatt](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/Datenblatt.md) am besten geeignet?
* **Versuch 3**: Schließen Sie nun das Piezoelement an den Funktionsgenerator an betreiben Sie diesen bei variierenden Frequenzen. Geeignete Frequrenzden und Amplituden für den Betrieb des Frequenzgenerators sollten Sie aus **Versuch 2** ableiten können.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Beschreiben Sie Ihr Vorgehen und Ihre Beobachtungen während der Versuche.
* Fügen Sie Ihrer Auswertung jeweils eine geeignete Darstellung der Spannungsverläufe für die **Versuche 1 und 2** bei.
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### Aufgabe 2.2: Abhängigkeit von der Temperatur
%% Cell type:markdown id:568b63a3-1536-4f5f-a281-0addba36fe6d tags:
Für diese Aufgabe untersuchen Sie die Abhängigkeit zweier Materialien von der Temperatur zwischen $\vartheta=20$ und $100^{\circ}$. Bei diesen Materialien handelt es sich:
* zum einen um einen PTC-Widerstand vom Typ **PT100**. Dieser ist ein nach DIN normiertes, elektrisches Bauelement, das als Temperaturfühler verwendet wird. Es besteht aus Platin (Pt), hat einen nominellen Widerstand von $R=100\ \Omega$ bei $\vartheta=0^{\circ}$, eine lineare $UI$-Kennlinie zwischen $\vartheta=-200$ und $850^{\circ}$ und einen [Temperaturbeiwert](https://de.wikipedia.org/wiki/Temperaturkoeffizient#Beispiel:_Temperaturkoeffizient_des_elektrischen_Widerstands) von $3.851\times10^{-3}\,\mathrm{^{\circ}C^{-1}}$.
* Einen nicht näher spezifizierten Heissleiter aus einer Metall-Oxid-Keramik.
**Hinweise zum Ablauf:**
* Verwenden Sie für Ihre Messungen die Schaltung aus **Abbildung 5** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren.md)
* Verwenden Sie als **Spannung zur Widerstandsmessung** $U_{0}=2\,\mathrm{V}$.
* Nehmen Sie zunächst die Messkurve für den NTC auf:
* Erhitzen Sie dabei den Ofen von $\vartheta=20$ auf $200^{\circ}$.
* Nehmen Sie dabei **15--20 Messpunkte** auf.
* Nehmen Sie daraufhin, beim Abkühlen des Ofens die Messkurve für den PT100 auf.
* Nehmen Sie hierzu wieder 15--20 Messpunkte auf.
* Um die **zusätzliche Erwärmung des Widerstands durch den Messstrom** gering zu halten, sollten Sie diesen (durch Betätigung des Tasters in der Schaltung) jeweils nur kurzzeitig eingeschalten.
* Als Brückeninstrument dient das bereitliegende Multimeter (im $\mathrm{mA}$(DC)-Bereich).
* Wählen Sie den Referenzwiderstand in der gleichen Größenordnung, wie das zu messende Bauteil. (Überprüfen Sie den angegebenen Wert mit dem Multimeter.)
**Hinweise zur Auswertung:**
* Begründen Sie in Ihrer Auswertung, warum die Messung mit Hilfe der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke) in diesem Falle sinnvoll ist.
* Stellen Sie für jedes Material den **Widerstand $R$ als Funktion der Temperatur $\vartheta$** jeweils geeignet graphisch dar.
* Geben Sie die Messpunkte $(\vartheta_{i}, R_{i})$ mit entsprechenden Unsicherheiten an!
* Passen Sie an den Verlauf der Messpunkte für den Heissleiter ein **Modell zu Gleichung (3)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren.md) an.
* Passen Sie an den Verlauf der Messpunkte für den Kaltleiter ein **Modell zu Gleichung (2)** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren.md) an.
* Diskutieren Sie anhand des **$\chi^{2}$-Werts der jeweiligen Anpassung**, inwiefern das entsprechende Modell die Datenpunkte beschreiben kann.
* Bestimmen Sie aus der Anpassung des Modells für die $R(\vartheta)$-Kennlinie des PT100 die **Werte für $R_{0}$ und $\alpha$ mit entsprechenden Unsicherheiten** und vergleichen Sie diese mit den technishcen Angaben zu diesem Bauelement.
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### Aufgabe 3.2: Hochtemperatursupraleitung
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**Hinweise zum Ablauf:**
* Die Messung erfolg mit Hilfe einer bereits aufgebauten **Vierleiterschaltung, wie in Abbildung 8** [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/doc/Hinweise-Leiter-Halbleiter-Isolatoren.md) gezeigt.
* Für den Strom gilt $I_{0}=63\,\mathrm{mA}$.
* Messen Sie den Spannungsabfall $U_{R}$ über den Hochtemperatursupraleiter (HTSL) mit Hilfe des am Versuch ausliegenden Multimeters.
* Kühlen Sie die Probe von Raumtemperatur auf $T=77\,\mathrm{K}$ ab, indem Sie die Halterung mit dem HTSL vorsichtig immer weiter in das Dewargefäß absenken.
Sie nutzen dabei den Temperaturgradienten über dem Stickstoffbad im Dewargefäß
* Nehmen Sie eine **Reihe aus 20--25 Messpunkten $(U_{R,i},T_{i})$** in Schritten von $5-10\,\mathrm{K}$) auf.
* Sie können die Werte $T_{i}$ mit dem am Stativ montierten Thermometer bestimmen.
**Hinweise zur Auswertung:**
* Beschreiben Sie den Messaufbau, Ihr Vorgehen und Ihre Beobachtungen bei der Messung.
* Stellen die die Messpunkte $(R_{i},T_{i})$, mit einer abschätzung der Unsicherheiten geeignet dar.
* Beachten Sie dabei, dass die Anzeige des Thermometers bei tiefen Temperaturen entsprechend der im Datenblatt angegebenen Tabelle vom wahren Wert abweicht. Sie finden die Werte dieser Tabelle [hier](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/params/Temperatur_Korrektur.csv).
* Geben Sie eine **Abschätzung der Sprungtemperatur $T_{\mathrm{C}}\pm\Delta T_{\mathrm{C}}$** des vorliegenden HTSL an.
* Beachten Sie für die Beurteilung von $T_{\mathrm{C}}$, dass am Ort von Temperatursensor und Supraleiter ein hoher Temperaturgradient vorliegt. Überprüfen Sie also wo genau relativ zum HTSL sich der Temperatursensor befindet.
......@@ -55,7 +55,7 @@ Für die Untersuchung der verschiedenen Bauelemente verwenden Sie mehrere unabh
- Das Schaltbrett unten rechts dient zur Charakterisierung der Diodenkennlinien auf dem Oszilloskop, für die **Aufgaben 1.1 und 1.2** und des Photowiderstands für **Aufgabe 1.3**.
- Rechts im Bild ist der Kasten mit Experimentierlampe und Photodiode für **Aufgabe 1.3** zu sehen. Dieser wird über das schwarze Spannungsgerät (EA-PS-2016) betrieben, das im Bild darüber zu sehen ist.
- Oben links sind das Piezoelement mit Gehäuse und der Piezo-Lautsprecher gezeigt, die Sie in **Aufgabe 2.1** qualitativ untersuchen.
- Oben links sind das Piezoelement mit Gehäuse und der Lautsprecher gezeigt, die Sie für Ihre Untersuchungen aus **Aufgabe 2.1** verwenden.
- Links im Bild ist der Heizofen für die Messungen mit den Heiss- und Kaltwiderständen für **Aufgabe 2.2** gezeigt. Die zu vermessenden Widerstände sind fest im Ofen verbaut. Die Temperatur des kalibrierten Thermoelements zur Messung der Temperatur im Ofen kann auf der gelben Anzeige in den drei Bildern in der Mitte von **Abbildung 1** abgelesen werden.
- Das Schaltbrett mit dem Drehpotentiometer dient zur Widerstandsmessung mit Hilfe der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke).
- Das Dewargefäß und das Stativ in der Mitte von **Abbildung 1** gehören zur Messung der Sprungtemperatur des Hochtemperatursupraleiters für **Aufgabe 2.3**.
......
......@@ -118,7 +118,7 @@ Die Aufzeichnung von $UI$-Kennlinien mit dem Oszilloskop erfolgt z.B. mit einem
---
<img src="../figures/Messanordnung_Kennlinien.png" width="400" style="zoom:100%;"/>
<img src="../figures/Messanordnung_Kennlinien.png" width="600" style="zoom:100%;"/>
(**Abbildung 5**: Messanordnung zur Darstellung einer $UI$-Kennlinie für eine Diode am Oszilloskop)
......
......@@ -116,11 +116,11 @@ R(T) = R_{0}\left(1+\alpha\,T\right),
$$
wobei $T$ in $\mathrm{K}$ anzugeben ist. $\alpha$ bezeichnet man als [Temperaturbeiwert](https://de.wikipedia.org/wiki/Temperaturkoeffizient#Beispiel:_Temperaturkoeffizient_des_elektrischen_Widerstands).
Materialien die ein solches Verhalten aufweisen bezeichnet man als **Kaltleiter**, technische Widerstände, die ein solches Verhalten aufweisen als **Kaltleiter- oder PTC (*positive temperature coefficient*) Widerstände**. Das entsprechende Schaltsymbol ist in **Abbildung 4 (a)** gezeigt.
Materialien die ein solches Verhalten aufweisen bezeichnet man als **Kaltleiter**, technische Widerstände, die ein solches Verhalten aufweisen als **Kaltleiter- oder PTC (*positive temperature coefficient*) Widerstände**. Das entsprechende Schaltsymbol ist in **Abbildung 4 (a)** gezeigt:
---
<img src="../figures/Schaltsymbol_KaltHeissWiderstand.png" width="1000" style="zoom:100%;"/>
<img src="../figures/Schaltsymbol_KaltHeissWiderstand.png" width="600" style="zoom:100%;"/>
(**Abbildung 4**: Schaltsymbole für den (a) Kalt- und (b) Heissleiterwiderstand)
......@@ -138,6 +138,34 @@ erwarten, wobei $C$ und $C'$ zu bestimmende Konstanten sind.
Materialien die ein solches Verhalten aufweisen bezeichnet man als **Heissleiter**, technische Widerstände, die ein solches Verhalten aufweisen bezeichnet man als **Heissleiter- oder NTC (*negative temperature coefficient*) Widerstände**. Das entsprechende Schaltsymbol ist in **Abbildung 4 (b)** gezeigt.
### Stromlose Messung des Widerstands
Fließt ein Strom $I$ durch einen Widerstand $R$ gibt dieser die Leistung $P_{\mathrm{th}}=R\ I^{2}$ ab, die zur Erwärmung des Widerstands führt. Um den Widerstand im Experiment minimal durch die Messung zu beeinflussen erfolgt die Messung **stromfrei**, mit Hilfe eines Referenzwiderstands $R_{0}$ und der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke), wie in **Abbildung 5** gezeigt:
---
<img src="../figures/Messanordnung_Widerstand.png" width="600" style="zoom:100%;"/>
(**Abbildung 5**: Wheatstonesche Brückenschaltung zur stromlosen Messung von $R$)
---
Dabei entspricht $R_{V}$ einem Vorwiderstand und $R_{1,2}$ den Teilwiderständen eines Drehpotentiometers. Der zu bestimmende Widerstand $R$ befindet sich im Heizofen. Der Schalter im Bild unten rechts erlaubt es den Stromfluss während der Einstellung des Potentiometers zu unterbrechen, um den Einfluss der Messung auf die Temperatur von $R$ weiter zu minimieren.
Für den Fall, dass durch das Strommessgerät kein Strom $I_{A}$ fließt gilt:
$$
\begin{equation}
\begin{split}
&I_{A}=0; \quad R_{\mathrm{pot}}=R_{1}+R_{2}; \\
&\\
&I_{up}\,R_{0} = I_{down}\,R_{1}; \quad I_{up}\,R = I_{down}\,R_{2}; \\
&\\
&R = \frac{R_{0}}{R_{1}}R_{2} = \frac{R_{0}}{R_{1}}\left(R_{\mathrm{pot}}-R_{1}\right).
\end{split}
\end{equation}
$$
Dabei sind $R_{0}=1\ \mathrm{k\Omega}$ und der maximale Widerstand des Potentiometer $R_{\mathrm{pot}}=10\ \mathrm{k\Omega}$ fest vorgegeben und $R_{1}$ die Einstellung am Potentiometer.
## Spuraleitung
### Klassifikation und Phänomenologie
......@@ -166,13 +194,13 @@ $$
\Phi_{0} = \frac{h}{2\,e} = 2\times10^{-15}\,\mathrm{Vs}
\end{equation*}
$$
tragen. Die äußeren Magnetfeldlinien treten durch diese regelmäßig angeordneten Flussschläuche hindurch, wie in **Abbildung 2** gezeigt:
tragen. Die äußeren Magnetfeldlinien treten durch diese regelmäßig angeordneten Flussschläuche hindurch, wie in **Abbildung 6** gezeigt:
---
<img src="../figures/Supraleitung-Typ-2.png" width="1000" style="zoom:100%;"/>
<img src="../figures/Supraleitung-Typ-2.png" width="500" style="zoom:100%;"/>
(**Abbildung 2**: Schematische Darstellung eines Supraleiters vom Typ-2 in einem Magnetfeld der Stärke $B_{\mathrm{C2}}>|\vec{B}|>B_{\mathrm{C1}}$, in der sog. [Schubnikow](https://de.wikipedia.org/wiki/Lew_Wassiljewitsch_Schubnikow)-Phase)
(**Abbildung 6**: Schematische Darstellung eines Supraleiters vom Typ-2 in einem Magnetfeld der Stärke $B_{\mathrm{C2}}>|\vec{B}|>B_{\mathrm{C1}}$, in der sog. [Schubnikow](https://de.wikipedia.org/wiki/Lew_Wassiljewitsch_Schubnikow)-Phase)
---
......@@ -182,13 +210,13 @@ Die Supraleitung bleibt zumindest teilweise noch bis $B_{\mathrm{C2}}$ bestehen.
Die theoretische Beschreibung der Supraleitung erfolgte erstmals 1935, zunächst ohne auf die Träger des Stroms selbst einzugehen, durch die [London-Gleichungen](https://de.wikipedia.org/wiki/London-Gleichung). Im Jahr 1950 erfolgte eine feldtheoretische Beschreibung in Form der [Ginzburg-Landau-Theorie](https://de.wikipedia.org/wiki/Ginsburg-Landau-Theorie), die Formal Ähnlichkeiten zum [Higgs-Mechanismus](https://de.wikipedia.org/wiki/Higgs-Mechanismus) in der Teilchenphysik aufweist. Eine fundamentale, mikroskopische Beschreibung der konventionellen Supraleitung erfolgte 1957 durch die nach [John Bardeen](https://de.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen), [Leon Neil Cooper](https://de.wikipedia.org/wiki/Leon_Neil_Cooper) und [John Robert Schrieffer](https://de.wikipedia.org/wiki/John_Robert_Schrieffer) benannte [BCS-Theorie](https://de.wikipedia.org/wiki/BCS-Theorie):
Die Grundidee der BCS-Theorie beruht auf der Vorstellung, dass durch Schwingungen der positiv geladenen Atomrümpfe im Gitter über makroskopische Distanzen (von $\mathcal{O}(\mathrm{\mu m})$) hinweg Leitungselektronen aneinander gekoppelt werden und sogenannte [Cooper-Paare](https://de.wikipedia.org/wiki/Cooper-Paar) ausbilden, wie in **Abbildung 3** gezeigt:
Die Grundidee der BCS-Theorie beruht auf der Vorstellung, dass durch Schwingungen der positiv geladenen Atomrümpfe im Gitter über makroskopische Distanzen (von $\mathcal{O}(\mathrm{\mu m})$) hinweg Leitungselektronen aneinander gekoppelt werden und sogenannte [Cooper-Paare](https://de.wikipedia.org/wiki/Cooper-Paar) ausbilden, wie in **Abbildung 7** gezeigt:
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<img src="../figures/Supraleitung-CooperPaare.png" width="1000" style="zoom:100%;"/>
(**Abbildung 3**: Abbildung (a) zeigt die geometrische Vorstellung eines Cooper-Paars. In Abbildung (b) ist die gleiche Bindung durch Austausch eines virtuellen Phonons im Teilchenbild gezeigt)
(**Abbildung 7**: Abbildung (a) zeigt die geometrische Vorstellung eines Cooper-Paars. In Abbildung (b) ist die gleiche Bindung durch Austausch eines virtuellen Phonons im Teilchenbild gezeigt)
---
......@@ -204,6 +232,30 @@ Der Spin, sowie der Impuls der gebundenen Elektronen ist entgegengesetzt. Der qu
mit Hilfe der BCS-Theorie lassen sich alle Eigenschaften konventioneller Supraleiter beschreiben. Das zustandekommen von HTSL ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.
## Widerstandmessung mit der Vierleiterschaltung
Um die Messung des Widerstands des Supraleiters nicht durch die Widerstände in den nicht-supraleitenden Zuleitungen zu verfälschen erfolgt die Widerstandmessung für **Aufgabe 2.3** mit Hilfe der [**Vierleitungsschaltung**](https://de.wikipedia.org/wiki/Vierleitermessung), wie in **Abbildung 8 (b)** gezeigt:
---
<img src="../figures/Messanordnung_Vierleiterschaltung.png" width="1000" style="zoom:100%;"/>
(**Abbildung 8**: Erklärung der Vierleitungsschaltung zur Widerstandsmessung. In Abbildung (a) ist eine normale Zweileitungsschaltung gezeigt. Abbildung (b) zeigt die Erweiterung zur Vierleitungsschaltung)
---
Das Messprinzip geht von einer einfachen Messung der über $R$ abfallenden Spannung $U_{R}$ bei bekanntem Strom $I_{0}$ aus. Der Widerstand wird dann aus dem ohmschen Gesetz bestimmt:
$$
\begin{equation}
R = \frac{U_{R}}{I_{0}}.
\end{equation}
$$
Links im den Abbildungen ist jeweils eine bekannte [Konstantstromquelle](https://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle) gezeigt, die als quasi [ideale Stromquelle](https://de.wikipedia.org/wiki/Stromquelle#Ideale_Stromquelle), selbst unter Last, immer den bekannten Strom $I_{0}$ abgibt. Das Problem der Zweileiterschaltung besteht darin, dass das Spannungsmessgerät V die Summe aus $R$ und den Leitungswiderständen $R_{\mathrm{Leit.},i}$ misst. Für $R\to0$ führt dies zu einem offensichtlichen Fehler.
Mit der Vierleiterschaltung wird dieser Fehler vermieden. Die Konstantstromquelle regelt die Betriebsspannung kontinuierlich nach, so dass $I_{0}$ immer gewährleistet ist. Dadurch sind die Widerstände von $R_{\mathrm{Leit.},1}$ und $R_{\mathrm{Leit.},2}$ für die Messung von $R$ irrelevant. Der Einfluss der Widerstände $R_{\mathrm{Leit.},3}$ und $R_{\mathrm{Leit.},4}$ kann durch eine (im Vergleich zu $R$) möglichst hochohmige Messung durch das Spannungsmessgerät minimiert werden. Die Kontakte des Spannungsmessgeräts befinden sich so nah wie möglich an den Enden von $R$. Aus diese Weise lässt sich der Einfluss der Leitungen beliebig minimieren.
Gerade bei physisch kleinen temperaturabhängigen Widerständen in Widerstandsthermometern mit nicht allzu großen thermischen Kontakten zur Außenwelt gilt es zudem die Erwärmung des Widerstands durch den fließenden Messstrom zu minimieren. Dieser sollte daher möglichst klein sein. Üblich sind Ströme im Bereich von einigen $0.1-10\ \mathrm{mA}$.
## Essentials
Was Sie ab jetzt wissen sollten:
......
......@@ -16,7 +16,7 @@ Die Bandlücke in Si beträgt $E_{g}=1.1\ \mathrm{eV}$ und liegt damit im Energi
- Ohne weitere äußere Anschlüsse, wie in **Abbildung 1 (a)** gezeigt, baut sich eine materialspezifische charakteristische Spannung an den Klemmen der Diode auf.
- Schließt man die Diode kurz fließt ein Strom $I_{\mathrm{Ph}}$ proportional zur einfallenden Lichtintensität. In dieser Form würde man die Photodiode als **Solarzelle** betreiben.
- Wird die Diode in Sperrrichuntg betrieben, wie in **Abbildung 1 (b)** gezeigt, verändert sich der sich einstellende Sperrstrom $I_{R}$ proportional zur einfallenden Lichtintensität.
- Wird die Diode in Sperrrichuntg betrieben, wie in **Abbildung 1 (b)** gezeigt, verändert sich der sich einstellende Sperrstrom $I_{S}$ proportional zur einfallenden Lichtintensität.
Eine Photodiode, als elektronisches Bauelement, ist in **Abbildung 2 (a)** gezeigt. Das Schaltsymbol einer Photodiode ist in **Abbildung 2 (b)** gezeigt.
......
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