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  • kit/etp-lehre/p2-praktikum/students
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# Technische Daten und Inventar für den Versuch **Elektrische Bauelemente**
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.
- 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 Ofen mit Leistungsregelung, bestückt mit einem eingebauten $\mathrm{NiCr}$-$\mathrm{Ni}$-Thermoelement mit passendem Messinstrument. Im Ofen fest verbaut sind:
- Eine Kupferspule;
- eine Konstantandrahtspule;
- der zu vermessende NTC; und
- 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.
- 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.
- Flüssigstickstoff.
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<img src="./figures/Logo_KIT.svg" width="250" height="250" style="zoom:15%;float:right;" />
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# Fakultät für Physik
## Physikalisches Praktikum P2 für Studierende der Physik
Versuch P2-50, 51, 52 (Stand: April 2023)
Versuch P2-181, 182, 183 (Stand: **März 2025**)
[Raum F1-17](https://labs.physik.kit.edu/img/Klassische-Praktika/Lageplan_P1P2.png)
[Raum F1-17](http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~simonis/praktikum/layoutobjekte/Lageplan_P1.png)
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# Elektrische Bauelemente
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Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
\end{split}
\end{equation*}
Name: __________________ Vorname: __________________ E-Mail: __________________
\begin{equation*}
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&\\
\end{split}
\end{equation*}
Gruppennummer: _____
\begin{equation*}
\begin{split}
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\end{equation*}
Betreuer: __________________
\begin{equation*}
\begin{split}
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&\\
\end{split}
\end{equation*}
Versuch durchgeführt am: __________________
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%% Cell type:markdown id:d1314954-4b0b-4273-9888-d524e6793896 tags:
---
**Beanstandungen:**
**Beanstandungen zu Protokoll Version _____:**
\begin{equation*}
\begin{split}
&\\
&\\
&\\
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&\\
&\\
\end{split}
%\text{\vspace{10cm}}
\end{equation*}
<br>
Testiert am: __________________ Vermerk: __________________
Testiert am: __________________ Testat: __________________
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%% Cell type:markdown id:3709bac5-f429-489c-b7fb-902d1bb166e7 tags:
# Elektrische Bauelemente
# Durchführung
## Motivation
**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)**
Die Eigenschaften eines elektrischen Bauelements hängen von vielen physikalischen Größen ab. Häufig wirkt sich dies besonders auf dessen Widerstand aus. Die vorherrschende Abhängigkeit gibt dem Bauteil seinen charakteristischen Namen: [NTC-](https://de.wikipedia.org/wiki/Hei%C3%9Fleiter) bzw. [PTC-Widerstände](https://de.wikipedia.org/wiki/Kaltleiter) weisen eine Temperaturabhängigkeit (Negative/Positive Temperature Coefficient) auf. [Der VDR-Widerstand](https://de.wikipedia.org/wiki/Varistor) (Varistor, Voltage Dependent Resistance) reagiert auf Spannungsänderungen. Optoelektrische Bauteile wie [Fotowiderstand](https://de.wikipedia.org/wiki/Fotowiderstand) (LDR, Light Dependent Resistance), [Fotodiode](https://de.wikipedia.org/wiki/Photodiode) und [Fototransistor](https://de.wikipedia.org/wiki/Fototransistor) sind lichtempfindlich oder senden wie die [Leuchtdiode](https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode) (LED, Light Emitting Diode) Licht aus. Druckabhängige Bauelemente sind unter dem Namen [Piezoelemente](https://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelement) bekannt, da ihre Eigenschaften auf dem [piezoelektrischen Effekt](https://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelektrizit%C3%A4t) beruhen. Supraleiter verlieren ihren elektrischen Widerstand unter bestimmten äußeren Bedingungen sogar *gänzlich*. Interessant ist die Klassifizierung in Leiter, Halbleiter und Nichtleiter (Isolatoren) und die Untersuchung der besonderen Eigenschaften. Hier spielen Halbleiterbauelemente auf Grund ihrer Vielfalt die größte Rolle.
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## Lernziele
## Aufgabe 1: Dioden und verwandte Widerstandstypen
- Sie lernendie Eigenschaften verschiedener elektrischer Bauelemente kennen.
- Sie lernen die Messmethoden zur Untersuchung der jeweiligen Eigenschaften kennen.
- Machen Sie sich zudem mit den beobachteten Effekten und deren praktischen Anwendungsgebieten vertraut und diskutieren Sie diese in Ihrer Versuchsauswertung.
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### Aufgabe 1.1: Einfache Dioden und Varistor
## Versuchsaufbau
* Charakterisieren Sie die **Kennlinien** der folgenden Dioden- und Widerstandstypen:
* Si- **oder** Ge-Diode,
* Z-Diode,
* Varistor.
Einen Aufbau mit dem Sie diesen Versuch durchführen könnten sehen Sie im Folgenden abgebildet: ([Link](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/raw/main/Elektrische_Bauelemente/figures/Versuchsaufbau.jpg))
---
<img src="./figures/Versuchsaufbau.jpg" width="500" height="500" style="zoom:20%;" />
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Die wichtigsten Elemente des Versuchsaufbaus sind:
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
- Zwei Versuchsboxen, zur Widerstandsmessung mit Hife der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke) und zur Kennlinienaufnahme.
- Ein Tisch-Multimeter (Keithley, Modell 2100, 7-1/2-Digit).
- Ein USB-Oszilloskop (PicoScope 2000) mit Computer.
- Ein Ofen mit Leistungsregelung, bestückt mit Kupferspule, Konstantandrahtspule, NTC und PT100 und einem eingebauten $\mathrm{NiCr}$-$\mathrm{Ni}$-Thermoelement mit passendem Messinstrument.
- Ein Frequenzgenerator (GW-Instek SFG-2104).
- Ein Trenntransformator.
- Verschiedene Bauelemente als Steckeinheiten: Widerstände $1,\,33,\,51,\,100\,(2\times),\,680,\,1200\,\Omega$, je 1% Toleranz, $\mathrm{Si}$-Diode, $\mathrm{Ge}$-Diode, Zener-Diode, Varistor, Fotodiode, Fotowiderstand, Lumineszenzdioden LED (grün, gelb, orange, rot).
- Eine Taschenlampe zur Beleuchtung.
- Eine Experimentierleuchte mit Fotodioden-Aufsatz und Netzgerät (EA-PS-2016).
- Ein Piezoelement (Resonanzfrequenz $2,9\,\mathrm{kHz}$) in Gehäuse, Lautsprecher.
- Ein Supraleiter in Gehäuse mit Absenkvorrichtung, ein Dewargefäß, eine Vierleitermessschaltung mit Konstantstromquelle ($I_{\mathrm{const}}=63\,\mathrm{mA}$) und Steckernetzgerät.
- Flüssigstickstoff.
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
## Wichtige Hinweise
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- Sie benötigen einen USB-Stick zur Datensicherung.
- Das Gehäuse des Ofens für Aufgabe 1 erhitzt sich stark! Vermeiden Sie daher jeglichen Kontakt mit der Oberfläche.
- [Flüssigstickstoff](https://de.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%BCssigstickstoff), wie Sie ihn für Aufgabe 5 verwenden, kann schwere Kälteverbrennungen verursachen! Tragen Sie daher stets Handschuhe und Schutzbrille tragen, wenn Sie damit umgehen.
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**L Ö S U N G**
## Durchführung
*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.*
### Aufgabe 1: Wheatstonesche Brückenschaltung
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Messen Sie mit Hilfe der [Wheatstoneschen Brückenschaltung](https://de.wikipedia.org/wiki/Wheatstonesche_Messbr%C3%BCcke) die Temperaturabhängigkeit des Widerstands ($R(T)$) verschiedener Bauteile im Bereich von Zimmertemperatur bis $\approx 150^{\circ}\mathrm{C}$. Eine Schaltskizze der Wheatstoneschen Brücke finden Sie im Folgenden abgebildet: ([Link](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/raw/main/Elektrische_Bauelemente/figures/Wheatstonesche_Brueckenschaltung.png))
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<img src="./figures/Wheatstonesche_Brueckenschaltung.png" width="500" height="500" style="zoom:40%" />
**D I S K U S S I O N**
- Messen Sie dazu mit Hilfe der Versuchsbox nacheinander den Widerstand von NTC und PT100 in Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur. Als Spannungsquelle dient Ihnen hierzu das Netzgerät, das eine Gleichspannung von $U=2\,\mathrm{V}$ liefert. Um die Erwärmung des Widerstands durch den Messstrom selbst gering zu halten, sollten Sie diesen (durch Betätigung des Tasters) jeweils nur kurzzeitig eingeschalten. Als Brückeninstrument dient das 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.) Nehmen Sie beim Erwärmen des Ofens die Messreihe am NTC und beim Abkühlen die Messreihe am PT100 auf.
- Begründen Sie, warum die Messung mit Hilfe der Wheatstoneschen Brückenschaltung in diesem Falle sinnvoll ist.
- Stellen Sie die $R(T)$-Abhängigkeiten jeweils graphisch dar und schließen Sie daraus auf die Eigenschaften des Bauteils.
- Wählen Sie zur Auswertung für den NTC-Widerstand eine geeignete Auftragung, um die Koeffizienten $a$ und $b$ aus der Gleichung <br>$$R(T) = a \cdot e^{b/T}$$ <br>zu bestimmen. Diskutieren Sie in Ihrer Versuchsauswertung, wie man NTC-Widerstände zur Temperaturmessung, Füllstandsanzeige und Strombegrenzung verwenden kann.
- Für den PT100 gilt der funktionale Zusammenhang: <br>$$R(T) = R_{0} + c \cdot T.$$<br> Bestimmen Sie die Konstante $c$ und überprüfen Sie den Widerstand $R_{0}$ bei $0^{\circ}\mathrm{C}$. Diskutieren Sie auch hier mögliche Einsatzgebiete.
*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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**Lösung:**
### Aufgabe 1.2: Leuchtdiode
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
* Stellen Sie die **Kennlinie einer Leuchtdiode** dar. Hierzu stehen Ihnen Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe zur Verfügung.
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### Aufgabe 2: Kennlinien
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
Überlegen Sie sich zur Vorbereitung auf diesem Versuch Antworten zu den folgenden Fragen und fertigen Sie entsprechende Schaltskizzen an:
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
- Wie können Sie eine Spannungsstabilisierung mit Hilfe einer Zenerdiode realisieren?
- Wie können Sie den Varistor als Schutz gegen induzierte Spannungen an geschalteten Induktivitäten verwenden?
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#### Aufgabe 2.1
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Nehmen Sie die Kennlinien folgender Bauteile am USB-Oszilloskop auf:
**L Ö S U N G**
- $\mathrm{Si}$-Diode (SID)
- $\mathrm{Ge}$-Diode (GED)
- Zener-Diode (ZED)
- Varistor (VDR)
- Fotodiode
- Fotowiderstand
- LED (in vier verschiedenen Farben).
*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.*
Verwenden Sie dafür die Versuchsbox mit der folgenden Schaltskizze, an die Sie das Eingangssignal über den Trenntransformator in Form einer sinusförmigen Wechselspannung (mit der Frequenz $\nu=100\,\mathrm{Hz}$) angelegen: ([Link](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/raw/main/Elektrische_Bauelemente/figures/Kennlinienaufnahme.jpg))
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%% Cell type:markdown id:a0169214-3835-4903-87b7-c74eaa796d34 tags:
**D I S K U S S I O N**
<img src="./figures/Kennlinienaufnahme.jpg" width="500" height="500" style="zoom:80%;" />
*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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Gemäß der Schaltung werden über einem Widerstand (mit $R=100\,\Omega$) an Kanal A (CH A) und über dem jeweiligen Bauteil an Kanal B (CH B) Spannungen abgenommen. Mit Hilfe der XY-Darstellung der „PicoScope 6-Software“ kann dann die jeweilige Kennlinie aufgenommen werden. Untersuchen Sie hierbei insbesondere die folgenden Eigenschaften:
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- Die SID, GED und ZED auf ihre jeweilige Schwellenspannung und ggf. auch Zenerspannung.
- Das Verhalten der Fotodiode bei verschiedenen Beleuchtungen (z.B. durch die Smartphone-Lampe).
- Das Verhalten des Fotowiderstands bei verschiedenen Beleuchtungen.
- Die Verschiedenfarbigen LEDs auf ihre jeweilige Schwellenspannung und den Zusammenhang mit der Frequenz des emittierten Lichts.
### 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.
Interpretieren Sie die Kennlinien ausführlich und geben Sie charakteristische Punkte an. Berechnen Sie beim Fotowiderstand aus der Steigung der Kennlinien den jeweiligen Widerstandswert. Schließen Sie auf typische Eigenschaften der Bauteile und leiten Sie daraus mögliche Anwendungen ab.
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%% Cell type:markdown id:ad90d068-477e-447a-8216-7264374b08f5 tags:
**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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%% Cell type:markdown id:b425be2e-7a95-4868-9fb6-242d4de23481 tags:
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#### Aufgabe 2.2
**L Ö S U N G**
Untersuchen Sie qualitativ die Frequenzabhängigkeit einiger Bauelemente bei Frequenzen von $\nu=0,1\,\mathrm{kHz}$ bis $10\,\mathrm{kHz}$).
*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:3df54377-f490-4fad-bf3e-8c5b490cb521 tags:
%% Cell type:markdown id:343976cd-3537-44bc-880f-2dfb01f7452f tags:
**Lösung:**
**D I S K U S S I O N**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*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:c1abecd6-3220-4eb0-be3c-592db15ad713 tags:
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## Aufgabe 2: Eigenschaften von Leitern
### Aufgabe 3
%% Cell type:markdown id:dfaff622-6c36-4d9f-8c3e-e3193ae9ed01 tags:
Nehmen Sie die Kennlinie einer Fotodiode bei verschiedenen Beleuchtungsstärken auf und entnehmen Sie dieser jeweils den Sperrstrom. Verwenden Sie hierzu die Schaltung aus Aufgabe 2 aus bei $\nu=10\,\mathrm{Hz}$, sowie die regulierbare Experimentierleuchte mit Fotodioden-Aufsatz. Beginnen Sie bei einer Lampenspannung von $U=2\,\mathrm{V}$ als niedrigste Stufe der Beleuchtung und beobachten Sie die Veränderung der Kennlinie bei zunehmender Spannung (in Schritten von $1\,\mathrm{V}$) und Beleuchtungsstärke. Stellen Sie in der Auswertung den Zusammenhang zwischen Sperrstrom und Beleuchtungsstärke graphisch dar.
### Aufgabe 2.1: Abhängigkeit vom Druck
Hinweis: Die Umrechnungstabelle zwischen Lampenspannung und Beleuchtungsstärke finden Sie unter [`params/Umrechnung_Lampenspannung.csv`.](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/params/Umrechnung_Lampenspannung.csv)
* Führen Sie mit dem Oszilloskop qualitative Untersuchungen an verschiedenen **Piezoelementen** durch.
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**Lösung:**
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
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### Aufgabe 4: Piezoelektrischer Effekt
### Aufgabe 2.2: Abhängigkeit von der Temperatur
Untersuchen Sie den piezoelektrischen Effekt am Piezoelement. Gehen Sie dabei wie folgt vor:
* 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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- Beobachten Sie den direkten piezoelektrischen Effekt am USB-Oszilloskop, indem Sie manuell verschiedene Drücke auf das Piezoelement ausüben. Machen Sie ein Frequenzsignal sichtbar, indem Sie mit dem Frequenzgenerator verschiedene Signale auf den Lautsprecher geben und diese auf das Piezoelement übertragen.
- Überprüfen Sie die Funktion des Piezoelements als Lautsprecher. Schließen Sie es hierzu direkt an den Frequenzgenerator an.
- Beschreiben Sie Ihre Beobachtungen und diskutieren Sie Anwendungen des piezoelektrischen Effekts.
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**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: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:97ce286a-059d-4d23-960f-6317567962e9 tags:
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**Lösung:**
### Aufgabe 2.3: Hochtemperatursupraleitung
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
* Bestimmen Sie die **Sprungtemperatur eines Hochtemperatursupraleiters**.
---
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### Aufgabe 5: Hochtemperatursupraleiter
**V E R S U C H S B E S C H R E I B U N G**
Bestimmen Sie die Sprungtemperatur eines Hochtemperatursupraleiters. Gehen Sie dabei wie folgt vor:
*Fügen Sie Ihre Versuchsbeschreibung hier ein. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
---
Messen Sie den Spannungsabfall am Hochtemperatursupraleiter mit Hilfe der fertig aufgebauten Vierleiterschaltung ($I_\mathrm{const}=63\,\mathrm{mA}$) und des Multimeters. Kühlen Sie die Probe von Raumtemperatur auf $T=77\,\mathrm{K}$ ab. Nutzen Sie hierfür den Temperaturgradienten über dem Stickstoff-Bad. Nehmen Sie eine Messreihe aus $U_{\mathrm{gem}}$ und zugehöriger Temperatur $T$ (in Schritten von $5\,\mathrm{K}$) auf. Beschreiben Sie das Verhalten des Hochtemperatursupraleiters.
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- Tragen Sie zur Auswertung den Widerstand $R=U_{\mathrm{gem}}/I$ über der Temperatur $T$ auf und geben Sie die Sprungtemperatur an.
- Erklären Sie, warum zur Messung eine Vierleiterschaltung verwendet wird.
**L Ö S U N G**
Beachten Sie, dass die Anzeige des Thermometers bei tiefen Temperaturen entsprechend der im Datenblatt angegebenen Tabelle [`params/Temperatur_Korrektur.csv`](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/params/Temperatur_Korrektur.csv) vom wahren Wert abweicht. Für die Beurteilung der Sprungtemperatur beachten Sie, dass am Ort von Temperatursensor und Supraleiter ein hoher Temperaturgradient vorliegt.
*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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**Lösung:**
**D I S K U S S I O N**
*Sie können Ihr Protokoll direkt in dieses Dokument einfügen. Wenn Sie dieses Dokument als Grundlage für ein [Jupyter notebook](https://jupyter.org/) verwenden wollen können Sie die Auswertung, Skripte und ggf. bildliche Darstellungen mit Hilfe von [python](https://www.python.org/) ebenfalls hier einfügen. Löschen Sie hierzu diesen kursiv gestellten Text aus dem Dokument.*
*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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# Beurteilung
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* Beurteilen Sie diesen Versuch nach Abschluss der Auswertung.
* **Folgen Sie zur Beurteilung dieses Versuchs diesem [Link]()**.
* Beachten Sie, dass jede:r Studierende nur einmal pro Versuch eine Beurteilung abgeben kann.
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# Hinweise für den Versuch "Elektrische Bauelemente"
Die Grundlagen für diesen Versuch sind in der [Vorbereitungshilfe](https://git.scc.kit.edu/etp-lehre/p2-for-students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/ElektrischeBauelemente-Vorbereitungshilfe.pdf) zu finden.
<img src="/home/rwolf/Data/Vorlesungen/2025/P2/students/figures/Logo_KIT.svg" width="200" style="float:right;" />
# 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
## Motivation
Im Rahmen dieses Versuchs untersuchen Sie eine Reihe passiver elektrischer Bauelemente jenseits des einfachen ohmschen Widerstands, der Spule oder des Kondensators. Viele dieser Bauelemente besitzen für technische Anwendungen maßgeschneiderte Eigenschaften:
- [Dioden](https://de.wikipedia.org/wiki/Diode) besitzen eine bestimmte Durchlassrichtung mit niedrigem elektrischem Widerstand. In der Gegenrichtung, der sog. Sperrrichtung haben einen sehr hohen Widerstand und leiten einen nur sehr geringen Sperrstrom.
- Bei [Photodioden](https://de.wikipedia.org/wiki/Photodiode) verändert sich dieser Sperrstrom abhängig von der Lichtintensität, der sie ausgesetzt werden.
- [Leuchtdioden](https://de.wikipedia.org/wiki/Leuchtdiode) senden Licht aus, wenn sie in Durchlassrichtung betreiben werden.
- Andere Werkstoffe aus der Halbleiterindustrie ändern ihre Widerstände als Funktion der Temperatur, der anliegenden Spannung, des Drucks oder der Intensität des auf sie einfallenden Lichts.
All diesen Bauelementen ist **gemeinsam, dass man ihre Eigenschaften im Rahmen der [Festkörperphysik](https://de.wikipedia.org/wiki/Festk%C3%B6rperphysik) verstehen muss**. Im Gegenzug erwächst aus dem grundlegenden Verständnis die technische Anwendung. Im Speziellen gibt im Rahmen dieses Versuchs das **Bändermodell** eine Erklärung für die Existenz von Isolatoren, Halbleitern und Leitern. Aus diesem Verständnis erwächst die technische Anwendung der Dotierung von Halbleitern, sowie verschiedener Dioden- und Widerstandstypen.
- Die Anwendung des [Piezoeffekts](https://de.wikipedia.org/wiki/Piezoelektrizit%C3%A4t) begleitet den Alltag vieler beim Blick auf die Quarzuhr. Er kommt aber auch in Druckfeuerzeugen zur Anwendung.
- Das Verständnis von Heiss- und Kaltleitung findet seine Fortsetzung in der experimentellen Untersuchung und der theoretischen Erklärung der [Supraleitung](https://de.wikipedia.org/wiki/Supraleiter).
## Lehrziele
Wir listen im Folgenden die wichtigsten **Lehrziele** auf, die wir Ihnen mit dem Versuch **Elektrische Bauelemente** vermitteln möchten:
- Sie nehmen die $UI$-Kennlinien verschiedener Dioden und verwandter Widerstände mit dem Oszilloskop auf und lernen dabei die Eigenschaften dieser Bauelemente im Experiment kennen.
- Sie vertiefen Ihre Kenntnisse im Umgang mit den Oszilloskop.
- Sie untersuchen verschiedene Widerstände als Funktion äußerer Zustandsgrößen, wie Druck und Temperatur.
- Sie bestimmen im Experiment die Sprungtemperatur eines Hochtemperatursupraleiters (HTSL).
- Mit Hilfe der Vorbereitungshilfe ordnen Sie alle untersuchten Effekte, im Rahmen theoretischer Modelle rund um das Bändermodell qualitativ ein.
## Versuchsaufbau
Ein typischer Arbeitsplatz für den Versuch **Elektrische Bauelemente** ist in **Abbildung 1** gezeigt:
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<img src="./figures/Elektrische_Bauelemente.png" width="1000" style="zoom:100%;" />
**Abbildung 1**: (Ein typischer Arbeitsplatz für den Versuch **Elektrische Bauelemente**)
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Für die Untersuchung der verschiedenen Bauelemente verwenden Sie mehrere unabhängige Aufbauten, von denen einige im **Abbildung 1** hervorgehoben sind:
- 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.
- 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**.
## Was macht diesen Versuch aus?
Mit diesem Versuch untersuchen Sie die Eigenschaften einer Reihe außergewöhnlicher, elektrischer Bauelemente. Der erste Aufgabenteil beschäftigt sich überwiegend mit der Charakterisierung verschiedener Dioden- und verwandter spezieller Widerstandstypen. Im zweiten Aufgabenteil untersuchen Sie die Abhängigkeit besonderer Materialien von äußeren Zustandsgrößen, wie Druck und Temperatur. Ein gutes qualitatives Verständnis des Verhaltens all dieser Bauteile erlangt man mit Hilfe des [Bändermodells](https://de.wikipedia.org/wiki/B%C3%A4ndermodell) der Festkörperphysik: Es liefert eine Erklärung für die Koexistenz von Leitern und Isolatoren, für die Funktionsweise aller untersuchten Dioden und Widerstände, sowie für das zunächst undurchsichtig erscheinende Phänomen der Kalt- und Heissleitung. Auch für ein grundlegendes Verständnis der Supraleitung sind eine klare Vorstellung der Gitterstruktur von Festkörpern, sowie der Bewegung von Leitungselektronen im Bändermodell eine wichtige Voraussetzung. **Auf diese Weise zieht sich mit dem Bändermodell ein einfaches Modell der Festkörperphysik als roter Faden durch diesen Versuch**, mit dessen Hilfe sich verschiedenste, wie im Fall der Kalt- und Heissleitung sogar entgegengesetzte, elektrische Effekte und Eigenschaften in einem gemeinsamen Bild erklären lassen. Die HTSL gibt einen Ausblick in ein stark vom Experiment getriebenes Gebiet der Physik, in dem zahlreiche Phänomene bisher noch nicht vollständig verstanden sind.
## Wichtige Hinweise
- Sie benötigen einen USB-Stick zur Datensicherung.
- Das Gehäuse des Ofens für **Aufgabe 2.2** erhitzt sich auch äußerlich stark! Vermeiden Sie daher jeglichen Kontakt mit der Oberfläche.
- [Flüssigstickstoff](https://de.wikipedia.org/wiki/Fl%C3%BCssigstickstoff), wie Sie ihn für **Aufgabe 2.3** verwenden, kann schwere Kälteverbrennungen verursachen! Tragen Sie daher stets Handschuhe und Schutzbrille, wenn Sie damit umgehen.
# Navigation
- [Elektrische_Bauelemente.iypnb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/Elektrische_Bauelemente.ipynb): Aufgabenstellung und Vorlage fürs Protokoll.
- [Elektrische_Bauelemente_Hinweise.ipynb](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/Elektrische_Bauelemente_Hinweise.ipynb): Kommentare zu den Aufgaben.
- [Datenblatt.md](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Elektrische_Bauelemente/Datenblatt.md): Technische Details zu den Versuchsaufbauten.
- [doc](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/tree/main/Elektrische_Bauelemente/doc): Dokumente zur Vorbereitung auf den Versuch.
- [figures](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/tree/main/Elektrische_Bauelemente/figures): Bilder, die für die Dokumentation des Versuchs verwendet wurden.