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Commit 0eb61246 authored by Roger Wolf's avatar Roger Wolf
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...@@ -42,7 +42,7 @@ $$ ...@@ -42,7 +42,7 @@ $$
E_{\mathrm{kin}}= h\nu - W_{K} E_{\mathrm{kin}}= h\nu - W_{K}
\end{equation*} \end{equation*}
$$ $$
aus K aus. Auf ihrem Weg durch die Photozelle treffen einige dieser Elektronen auf A. A wird auf diese Weise statisch aufgeladen und erzeugt damit (zusätzlich zu $U_{K}$) eine nichtverschwindende Spannung $U$ zwischen A und K, die der Bewegung der Elektronen entgegengerichtet ist. Die freigesetzten Elektronen laufen im folgenden mit $E_{\mathrm{kin}}$ gegen U an. Dieser Prozess läuft so lange ab, bis schließlich bei einer maximalen Spannung $U_{\mathrm{Ph}}$ der Photozelle aus kinematischen Gründen kein Elektron mehr A erreicht und der Ladungsfluss zum Erliegen kommt. Für $U_{\mathrm{Ph}}$ gilt: aus K aus. Auf ihrem Weg durch die Photozelle treffen einige dieser Elektronen auf A. A wird auf diese Weise statisch aufgeladen und erzeugt damit (zusätzlich zu $U_{K}$) eine nichtverschwindende Spannung $U$ zwischen A und K, die der Bewegung der Elektronen entgegen gerichtet ist. Die freigesetzten Elektronen laufen im folgenden mit $E_{\mathrm{kin}}$ gegen U an. Dieser Prozess läuft so lange ab, bis schließlich bei einer maximalen Spannung $U_{\mathrm{Ph}}$ der Photozelle aus kinematischen Gründen kein Elektron mehr A erreicht und der Ladungsfluss zum Erliegen kommt. Für $U_{\mathrm{Ph}}$ gilt:
$$ $$
\begin{equation*} \begin{equation*}
\begin{split} \begin{split}
...@@ -58,7 +58,7 @@ Trägt man $U_{\mathrm{Ph}}$ für verschiedene Werte von $\nu$ auf stellt sich e ...@@ -58,7 +58,7 @@ Trägt man $U_{\mathrm{Ph}}$ für verschiedene Werte von $\nu$ auf stellt sich e
### Spannungsmessung mit dem Messverstärker ### Spannungsmessung mit dem Messverstärker
Spannungen an der Photozelle oder über den Arbeitswiderstand werden in diesem Versuch über den Meßverstärker gemessen. Der Meßverstärker hat gegenüber dem Multimeter den Vorteil eines extrem hohen Eingangswiderstands. Da die Photozelle nur einen sehr geringen Strom erzeugen kann würde sie bei direkter Messung mit dem Multimeter direkt über dessen Innenwiderstand entladen werden. Deswegen entkoppelt der Meßverstärker die Photozelle und das Multimeter, sodass die messung möglichst wenig beeinflusst wird. Die Spannung am Ausgang des Meßverstärkers kann dann wieder mit dem Multimeter gemessen werden. Da die Photozelle nur sehr geringe Ströme erzeugt würde sie bei direkter Messung mit einem einfachen Multimeter direkt über dessen Innenwiderstand entladen werden. Spannungen an der Photozelle oder über den Arbeitswiderstand $R$ werden in diesem Versuch daher über einen Messverstärker (M) gemessen, der im Vergleich zu einem Multimeter einen deutlich höheren Innenwiderstand aufweist. Am Ausgang von M kann dann die Spannung dann wieder mit dem Multimeter abgenommen werden. Durch M wird effektiv die Photozelle vom Multimeter entkoppelt, so dass der Einfluss der Messung auf die Photozelle so gering wie möglich ist.
### Effektive Austrittsarbeit ### Effektive Austrittsarbeit
...@@ -66,11 +66,11 @@ Beim Betrieb der Photozelle kommt es mit der Zeit zu Einlagerungen des Kathodenm ...@@ -66,11 +66,11 @@ Beim Betrieb der Photozelle kommt es mit der Zeit zu Einlagerungen des Kathodenm
### Bestimmung von $h$ aus einer anliegenden externen Spannung $U_{o}$ ### Bestimmung von $h$ aus einer anliegenden externen Spannung $U_{o}$
In **Abbildung 2** unten ist eine Schaltung gezeigt, mit der Sie mit dem Meßverstärker den Strom der Photozelle $I_{\mathrm{Ph}}$ als Funktion einer anliegenden externen Spannung $U_{o}$ aufnehmen können. Damit Sie die Spannung variieren können, wird die Anode über eine variable Spannungsquelle (Batterie) $U_o$ angeschlossen. In **Abbildung 2** unten ist eine Schaltung gezeigt, mit der Sie mit M den Strom der Photozelle $I_{\mathrm{Ph}}$ als Funktion einer anliegenden externen Spannung $U_{o}$ aufnehmen können. Damit Sie die Spannung variieren können, wird die Anode über eine variable Spannungsquelle (Batterie) $U_o$ angeschlossen.
$I_{\mathrm{Ph}}$ wird mit Hilfe des Meßverstärkers als Spannung $U_{\mathrm{Ph}}=I_{\mathrm{Ph}}\cdot R$ gemessen, die über einen bekannten Arbeitswiderstand $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ abfällt, der in Reihe mit $U_o$ die Kathode und Anode verbindet. Je nach Polung agiert $U_{o}$ als Beschleunigungs- oder als Gegenspannung. $I_{\mathrm{Ph}}$ wird mit Hilfe von M als Spannung $U_{\mathrm{Ph}}=I_{\mathrm{Ph}}R$ gemessen, die über einen bekannten Arbeitswiderstand $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ abfällt, der in Reihe mit $U_o$ die Kathode und Anode verbindet. Je nach Polung agiert $U_{o}$ als Beschleunigungs- oder Gegenspannung.
Die Spannung $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ ist zu $U_{\mathrm{Ph}}$ aus den obigen Betrachtungen äquivalent, wobei diese Messung nicht durch den Innenwiderstand (ohnehin sehr großen) $R_{i}$ des Meßverstärkers ist. Die Spannung $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ ist zu $U_{\mathrm{Ph}}$ aus den obigen Betrachtungen äquivalent, wobei diese Messung nicht durch den (ohnehin sehr großen) Innenwiderstand $R_{i}$ von M beeinflusst wird.
# Navigation # Navigation
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...@@ -4,7 +4,7 @@ ...@@ -4,7 +4,7 @@
### Aufgabe 2.1 Spannung $U_{\mathrm{Ph}}$ der Photozelle bei variierender Lichtfrequenz ### Aufgabe 2.1 Spannung $U_{\mathrm{Ph}}$ der Photozelle bei variierender Lichtfrequenz
Die Photozelle hat zwei Kabel, einen 4-mm-Stecker, der mit der Kathode verbunden ist und ein BNC-Kabel, dessen Innenleiter mit der Anode verbunden ist (Der Außenleiter ist unverbunden). Verbinden Sie das BNC-Kabel mit dem Messverstärker und den 4-mm-Stecker mit dem Erdungs-Eingang am Messverstärker. Die Photozelle hat zwei Kabel, einen 4-mm-Stecker, der mit der Kathode verbunden ist und ein BNC-Kabel, dessen Innenleiter mit der Anode verbunden ist (Der Außenleiter ist unverbunden). Verbinden Sie das BNC-Kabel mit M und den 4-mm-Stecker mit dem Erdungs-Eingang an M.
Gehen Sie zur Bestimmung von $h$ wie folgt vor: Gehen Sie zur Bestimmung von $h$ wie folgt vor:
...@@ -12,9 +12,9 @@ Gehen Sie zur Bestimmung von $h$ wie folgt vor: ...@@ -12,9 +12,9 @@ Gehen Sie zur Bestimmung von $h$ wie folgt vor:
- Schalten Sie dann Schritt für Schritt einen Filter nach dem anderen vor den Lichtschutzkollimator der Photozelle. Die Filter sind aufsteigend in $\lambda_{\mathrm{CWL}}^{(i)}$ montiert. - Schalten Sie dann Schritt für Schritt einen Filter nach dem anderen vor den Lichtschutzkollimator der Photozelle. Die Filter sind aufsteigend in $\lambda_{\mathrm{CWL}}^{(i)}$ montiert.
- Warten Sie, eine stabile Anzeige von $U_{\mathrm{Ph}}$ am Elektrometer ab. Eine Messung von $U_{\mathrm{Ph}}$ ohne weitere Verstärkung (d.h. mit $V=1$) sollte ohne weiteres möglich sein. Protokollieren Sie den verwendeten Wert von $V$. - Warten Sie, eine stabile Anzeige von $U_{\mathrm{Ph}}$ an M ab. Eine Messung von $U_{\mathrm{Ph}}$ ohne weitere Verstärkung (d.h. mit $V=1$) sollte ohne weiteres möglich sein. Protokollieren Sie den verwendeten Wert von $V$.
- Nehmen Sie **mindestend drei Messreihen** auf, bestimmen Sie den Messwert $U_{\mathrm{Ph}}^{(i)}$ durch Stichprobenmittelung, und die Unsicherheit $\Delta U_{\mathrm{Ph}}^{(i)}$ aus der Stichprobenvarianz. - Nehmen Sie **mindestend drei bis fünf Messreihen** auf, bestimmen Sie den Messwert $U_{\mathrm{Ph}}^{(i)}$ durch Stichprobenmittelung, und die Unsicherheit $\Delta U_{\mathrm{Ph}}^{(i)}$ aus der Stichprobenvarianz.
- Stellen Sie die Messpunkte $`(U^{(i)}_{\mathrm{Ph}},\ \lambda^{(i)}_{\mathrm{CWR}})`$ einschließlich der abgeschätzten Unsicherheiten $`(\Delta U^{(i)}_{\mathrm{Ph}},\ \Delta \lambda^{(i)}_{\mathrm{CWR}})`$ geeignet dar und passen Sie ein Modell der folgenden Form daran an: - Stellen Sie die Messpunkte $`(U^{(i)}_{\mathrm{Ph}},\ \lambda^{(i)}_{\mathrm{CWR}})`$ einschließlich der abgeschätzten Unsicherheiten $`(\Delta U^{(i)}_{\mathrm{Ph}},\ \Delta \lambda^{(i)}_{\mathrm{CWR}})`$ geeignet dar und passen Sie ein Modell der folgenden Form daran an:
...@@ -26,11 +26,11 @@ Gehen Sie zur Bestimmung von $h$ wie folgt vor: ...@@ -26,11 +26,11 @@ Gehen Sie zur Bestimmung von $h$ wie folgt vor:
- Geben Sie Ihr Messergebnis für $h$ und $W_{\mathrm{eff}}$ einschließlich Unsicherheiten an und diskutieren Sie es. Beziehen Sie in diese Diskussion auch den $\chi^{2}$-Wert der Anpassung mit ein. - Geben Sie Ihr Messergebnis für $h$ und $W_{\mathrm{eff}}$ einschließlich Unsicherheiten an und diskutieren Sie es. Beziehen Sie in diese Diskussion auch den $\chi^{2}$-Wert der Anpassung mit ein.
- Sowohl [$e=1.602176634\times10^{-19}\ \mathrm{C}$](https://de.wikipedia.org/wiki/Elementarladung) als auch [$c=2.99792458\times10^{8}\ \mathrm{m/s}$](https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit) sind SI-Einheiten definierende Naturkonstanten die **ohne Unsicherheiten definiert** sind. Sie können diesen Umstand in Ihrer Anpassung an die Daten berücksichtigen, um $h$ direkt zu bestimmen. - Sowohl [$e=1.602176634\times10^{-19}\ \mathrm{C}$](https://de.wikipedia.org/wiki/Elementarladung) als auch [$c=2.99792458\times10^{8}\ \mathrm{m/s}$](https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit) sind SI-Einheiten definierende **Naturkonstanten, die ohne Unsicherheiten definiert sind**. Sie können diesen Umstand in Ihrer Anpassung an die Daten berücksichtigen, um $h$ direkt zu bestimmen.
### Aufgabe 2.2: Photostrom $I_{\mathrm{Ph}}$ als Funktion einer angelegten externen Spannung $U_{o}$ bei variierender Lichtintensität ### Aufgabe 2.2: Photostrom $I_{\mathrm{Ph}}$ als Funktion einer angelegten externen Spannung $U_{o}$ bei variierender Lichtintensität
Schließen Sie hierzu den Widerstand mit $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ parallel zum Messeingang des Messverstärker. Nutzen Sie hierfür das BNC-T-Stück sowie den in eine BNC-Buchse integrierten Widerstand. Fügen Sie zusätzlich zwischen Messverstärker und Kathode noch die Batterie-Spannungsquelle ein (achten Sie auf die korrekte Polung). Die Schaltung funktioniert, wie in **Abbildung 2** unten [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/doc/Hinweise-Photoeffekt.md) gezeigt. Schließen Sie hierzu den Widerstand mit $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ parallel zum Messeingang von M. Nutzen Sie hierfür das BNC-T-Stück sowie den in eine BNC-Buchse integrierten Widerstand. Fügen Sie zusätzlich zwischen M und Kathode noch die Batterie-Spannungsquelle ein (achten Sie auf die korrekte Polung). Die Schaltung funktioniert, wie in **Abbildung 2** unten [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/doc/Hinweise-Photoeffekt.md) gezeigt.
- Der Strom berechnet sich dann aus - Der Strom berechnet sich dann aus
```math ```math
...@@ -45,22 +45,22 @@ Schließen Sie hierzu den Widerstand mit $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ parallel zum ...@@ -45,22 +45,22 @@ Schließen Sie hierzu den Widerstand mit $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ parallel zum
- Von $-0.5\ \mathrm{V}$ bis $3.0\ \mathrm{V}$ in Schritten von $\Delta U_{o}=0.5\ \mathrm{V}$. - Von $-0.5\ \mathrm{V}$ bis $3.0\ \mathrm{V}$ in Schritten von $\Delta U_{o}=0.5\ \mathrm{V}$.
- Von $3.0\ \mathrm{V}$ bis $9.0\ \mathrm{V}$ in Schritten von $\Delta U_{o}=1.0\ \mathrm{V}$. - Von $3.0\ \mathrm{V}$ bis $9.0\ \mathrm{V}$ in Schritten von $\Delta U_{o}=1.0\ \mathrm{V}$.
- Stellen Sie die Datenpunkte für die **Messung mit und ohne Graufilter** im gleichen Diagramm geeignet dar und passen Sie in einem geeigneten Bereich der Datenpunkte ein Modell an, aus dem Sie $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ bestimmen können. Ein solches Modell könnte z.B. so aussehen: - Stellen Sie die Datenpunkte für die **Messung mit und ohne Graufilter** im gleichen Diagramm dar und passen Sie in einem geeigneten Bereich der Datenpunkte ein Modell an, aus dem Sie $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ bestimmen können. Ein solches Modell könnte z.B. so aussehen:
```math ```math
\begin{equation*} \begin{equation*}
I_{\mathrm{Ph}}= a\,(U_{o} + U_E) + I_{0}, I_{\mathrm{Ph}}= a\,(U_{o} + U_{E}) + I_{0},
\end{equation*} \end{equation*}
``` ```
wobei es sich bei $a$ und $I_{0}$ um freie Parameter handelt. wobei es sich bei $a$ und $I_{0}$ um freie Parameter handelt.
- Bestimmen Sie die Reduktion der Lichtitensität durch den Graufilter, indem Sie z.B. dem obigen Diagramm ein Panel zufügen, in dem Sie das Verhältnis der gemessenen Werte mit und ohne Graufilter abtragen. Da $I_{\mathrm{Ph}}$ zu Lichtintensität proportional ist ist zu erwarten, dass das Verhältnis $I_{\mathrm{Ph}}^{\mathrm{Filter}}/I_{\mathrm{Ph}}$ nicht von $U_{o}$ abhängt. - Bestimmen Sie die Reduktion der Lichtintensität durch den Graufilter, indem Sie z.B. dem obigen Diagramm ein Panel zufügen, in dem Sie das Verhältnis der gemessenen Werte mit und ohne Graufilter abtragen. Da $I_{\mathrm{Ph}}$ nur proportional zur Lichtintensität ist ist zu erwarten, dass das Verhältnis $I_{\mathrm{Ph}}^{\mathrm{Filter}}/I_{\mathrm{Ph}}$ nicht von $U_{o}$ abhängt.
- Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse einschließlich der $\chi^{2}$-Werte der gewählten Anpassungen und der erhaltenen Unsicherheiten sowohl für die Abschwächung des Graufilters, als auch für den Wert von $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$. - Diskutieren Sie Ihre Ergebnisse einschließlich der $\chi^{2}$-Werte der gewählten Anpassungen und der erhaltenen Unsicherheiten sowohl für die Abschwächung des Graufilters, als auch für den Wert von $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$.
### Aufgabe 2.3: Spannung $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ bei variierender Lichtfrequenz ### Aufgabe 2.3: Spannung $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ bei variierender Lichtfrequenz
Nutzen Sie zur Bestimmung von $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ den gleichen Aufbau wie in Aufgabe **Aufgabe 2.2**. Stellen Sie für jede Lichtfrequenz die Spannung $U_0$ so ein, dass kein Photonenstrom mehr fließt ($U_E=0$). Nutzen Sie zur Bestimmung von $U_{o}(I_{\mathrm{Ph}}=0)$ den gleichen Aufbau wie in Aufgabe **Aufgabe 2.2**. Stellen Sie für jede Lichtfrequenz die Spannung $U_0$ so ein, dass kein Photostrom mehr fließt ($I_{\mathrm{Ph}}=0$).
Passen Sie an die erhaltenen Werte von $U_{o}^{(i)}(I_{\mathrm{Ph}}=0, \lambda_{\mathrm{CWL}}^{(i)})$ ein geeignetes Modell zur Bestimmung von $h$ an und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Ergebnis von Aufgabe **Aufgabe 2.1**. Passen Sie an die erhaltenen Werte von $U_{o}^{(i)}(I_{\mathrm{Ph}}=0, \lambda_{\mathrm{CWL}}^{(i)})$ ein geeignetes Modell zur Bestimmung von $h$ an und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Ergebnis von Aufgabe **Aufgabe 2.1**.
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...@@ -40,7 +40,7 @@ Erst ab einer charakteristischen Frequenz $\nu_{0}$ treten Elektronen aus K aus. ...@@ -40,7 +40,7 @@ Erst ab einer charakteristischen Frequenz $\nu_{0}$ treten Elektronen aus K aus.
### Aufgabe 1.1: Qualitative Beobachtung des äußeren photoelektrischen Effekts ### Aufgabe 1.1: Qualitative Beobachtung des äußeren photoelektrischen Effekts
- Eine sich mit der Zeit bildende Oxyschicht kann die Photoemission stark beeinträchtigen. Polieren Sie Zn daher vor Versuchsbeginn sorgfältig. Laden Sie Zn daraufhin mit einer Spannung von ${\approx}\pm2\ \mathrm{kV}$ auf. (Nutzen sie hierfür die grobe Skala auf der Hochspannungsquelle, da das Multimeter nur bis 1KV messen kann.) - Eine sich mit der Zeit bildende Oxyschicht kann die Photoemission stark beeinträchtigen. Polieren Sie Zn daher vor Versuchsbeginn sorgfältig. Laden Sie Zn daraufhin mit einer Spannung von ${\approx}\pm2\ \mathrm{kV}$ auf. (Sie können hierfür die grobe Skala auf der Hochspannungsquelle nutzen)
- Zur Demonstration verwenden Sie ein statisches Elektrometer (E). Der Ausschlag von E ist vom Vorzeichen der Ladung unabhängig; er ändert sich nur sehr langsam. - Zur Demonstration verwenden Sie ein statisches Elektrometer (E). Der Ausschlag von E ist vom Vorzeichen der Ladung unabhängig; er ändert sich nur sehr langsam.
...@@ -55,29 +55,29 @@ Erst ab einer charakteristischen Frequenz $\nu_{0}$ treten Elektronen aus K aus. ...@@ -55,29 +55,29 @@ Erst ab einer charakteristischen Frequenz $\nu_{0}$ treten Elektronen aus K aus.
### Aufgabe 1.2: Charakterisierung des für die folgenden Aufgaben zu verwendeden Elektrometers ### Aufgabe 1.2: Charakterisierung des für die folgenden Aufgaben zu verwendeden Elektrometers
Die Ladungesbewegungen, die Sie bei diesem Versuch untersuchen sind i.a. sehr gering (im Bereich von $1-100\ \mathrm{nA}$). Die Ströme, die Sie bei diesem Versuch untersuchen liegen i.a. im Bereich von $1-100\ \mathrm{nA}$.
Spannungemessungen erfolgen direkt (siehe **Abbildung 1** oben [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/doc/Hinweise-Photoeffekt.md)). Strommessungen erfolgen als Messung einer Spannung $U_{\mathrm{Ph}}$, die über einen bekannten Arbeitswiderstand $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ abfällt (siehe **Abbildung 2** unten [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/doc/Hinweise-Photoeffekt.md)). Hierzu verwenden Sie einen Messverstärker mit sehr hohem Innenwiderstand $R_{i}$ (Dafür muss sich der Messverstärker im **Elektrometer-Modus** befinden). Eine Abbildung der Frontfläche der Kontrollbox zur Steuerung des Elektrometers finden Sie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/figures/IMG_1600.jpg)). Verstärkt wird die Spannung, die am BNC-Eingang anliegt. (Der Außenleiter ist intern mit der 4-mm-Erdungs-Buchse verbunden, der gelbe eingang wird nicht verwendet.) Spannungsmessungen erfolgen direkt (siehe **Abbildung 2** oben [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/doc/Hinweise-Photoeffekt.md)). Strommessungen erfolgen als Messung einer über einen bekannten Arbeitswiderstand $R=100\ \mathrm{M\Omega}$ abfallenden Spannung $U_{\mathrm{Ph}}$ (siehe **Abbildung 2** unten [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/doc/Hinweise-Photoeffekt.md)). Für die Messungen verwenden Sie einen Messverstärker (M) mit sehr hohem Innenwiderstand $R_{i}$ (Dafür muss sich M für die Messung im Modus **Electrometer** befinden; eine Abbildung der Frontfläche der Kontrollbox zur Steuerung des Elektrometers finden Sie [hier](https://gitlab.kit.edu/kit/etp-lehre/p2-praktikum/students/-/blob/main/Photoeffekt/figures/IMG_1600.jpg)). Verstärkt wird die Spannung, die am BNC-Eingang anliegt. Der Außenleiter ist intern mit der 4-mm-Erdungs-Buchse verbunden, der gelbe Eingang wird nicht verwendet.
Im Folgenden sollen Sie sich mit dem für alle weiteren Versuche zu verwendenden Messverstärker vertraut machen in dem Sie die folgenden Schritte ausführen: Machen Sie sich mit vertraut, indem Sie die folgenden Schritte ausführen. Sie werden M für alle weiteren Versuche verwenden.
#### Nullabgleich #### Nullabgleich
Der Ausgang des Messverstärkers kann eine Offsetspannung im Vergleich zur angelegten Spannung haben. Mit den Nullabgleich können Sie sicherstellen, dass Sie keinen Offset in ihrer Messung haben. Der Ausgang des Messverstärkers kann eine Offset-Spannung im Vergleich zur angelegten Spannung aufweisen. Mit den Nullabgleich stellen Sie sicher, dass dieser Offset für alle weiteren Messung Null ist.
Schließen Sie dazu den Eingang des Messverstärkers kurz, sodass $0\ \mathrm{V}$ am Eingang anliegen und messen Sie die Ausgangsspannung mit dem Multimeter. Nun können Sie die ausgegebene Spannung mit den Potentiometerschrauben zur Grob- und Feinjustierung variieren, bis auch das Multimeter $0\ \mathrm{V}$ anzeigt. Nehmen Sie die Justierung für die Verstärkung $V=100$ vor, damit können Sie den resultierenden Nullabgleich auch für geringere Verstärkungen verwenden. Schließen Sie hierzu den Eingang des Messverstärkers kurz, so dass $0\ \mathrm{V}$ am Eingang anliegen und messen Sie die Ausgangsspannung mit dem Multimeter. Sie können die ausgegebene Spannung mit den Potentiometerschrauben zur Grob- und Feinjustierung variieren, bis auch das Multimeter $0\ \mathrm{V}$ anzeigt. Nehmen Sie die Justierung für die Verstärkung $V=100$ vor, damit können Sie den resultierenden Nullabgleich auch für geringere Verstärkungen verwenden.
#### Bestimmung des Innenwiderstands $R_{i} des Messverstärker$ #### Bestimmung des Innenwiderstands $R_{i}$ des Messverstärkers
Das Ersatzschaltbild hierzu ist in **Abbildung 4** gezeigt: Das Ersatzschaltbild für diese Aufgabe ist in **Abbildung 4** gezeigt:
<img src="../figures/Innenwiderstand.png" width="1000" style="zoom:100%;"/> <img src="../figures/Innenwiderstand.png" width="1000" style="zoom:100%;"/>
**Abbildung 4**: (Ersatzschaltbild zur Bestimmung von $R_{i}$ des für die weiteren Aufgaben zu verwendenden Elektrometers) **Abbildung 4**: (Ersatzschaltbild zur Bestimmung von $R_{i}$ des für die weiteren Aufgaben zu verwendenden Messverstärkers M)
--- ---
Bauen Sie mit dem Innenwiderstand des Messverstärkers und dem Arbeitswiderstand einen Spannungsteiler. Legen Sie dann an den Spannungsteiler eine Spannung $U_{o} = 5\ \mathrm{V}$ mit der Batterie-Spannungsquelle an. Das Elektrometer ist durch die Schaltung innerhalb des gestrichelten Kastens dargestellt. Am Ausgang des Messverstärkers können Sie bei einer Verstärkung von $V=1$ die über den Innenwiderstand abfallende Spannung $U_E$ messen. Nach den [Kirchhoffschen Regeln](https://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln) gilt: Schalten Sie mit dem Innenwiderstand $R_{i}$ von M und dem Arbeitswiderstand $R_{V}$ einen Spannungsteiler. Legen Sie an diesen Spannungsteiler, mit Hilfe der Batterie-Spannungsquelle, eine äußere Spannung von $U_{o} = 5\ \mathrm{V}$ an. M ist durch die Schaltung innerhalb des gestrichelten Kastens dargestellt. Am Ausgang von M können Sie bei einer Verstärkung von $V=1$ die über $R_{i}$ abfallende Spannung $U_E$ messen. Nach den [Kirchhoffschen Regeln](https://de.wikipedia.org/wiki/Kirchhoffsche_Regeln) gilt:
$$ $$
\begin{equation} \begin{equation}
\begin{split} \begin{split}
...@@ -89,10 +89,10 @@ $$ ...@@ -89,10 +89,10 @@ $$
\end{split} \end{split}
\end{equation} \end{equation}
$$ $$
Zur Bestimmung von $R_{i}$ können Sie z.B. wie folgt vorgehen: Gehen Sie zur Bestimmung von $R_{i}$ wie folgt vor:
- Bestimmen Sie für eine Verstärkung von $V=1$ die gemessene Spannung $U_{E}$ für die zu Verfügung stehenden Vorwiderstände von $R_{V}=0.01,\ 0.1,\ 1,\ 10\ \mathrm{G\Omega}$ und tragen Sie die Messpunkte in einem Diagramm geeignet auf. - Bestimmen Sie für eine Verstärkung von $V=1$ die gemessene Spannung $U_{E}$ für die zu Verfügung stehenden Vorwiderstände von $R_{V}=0.01,\ 0.1,\ 1,\ 10\ \mathrm{G\Omega}$ und tragen Sie die Messpunkte in einem Diagramm geeignet auf.
- Nehmen Sie $\Delta R_{V}/R_{V}=\pm 10\%$ und $\Delta U_{o}=\pm0.01\ \mathrm{V}$ an. - Sie können $\Delta R_{V}/R_{V}=\pm 10\%$ und $\Delta U_{o}=\pm0.01\ \mathrm{V}$ annehmen.
- Passen Sie an den Verlauf das Modell aus Gleichung **(1)** an. - Passen Sie an den Verlauf das Modell aus Gleichung **(1)** an.
**Beachten Sie, dass die maximal ausgegebene Spannung des Verstärkers $\pm10\ \mathrm{V}$ nicht übersteigt. Die $4\ \mathrm{mm}$-Massebuche links unten an der Frontfläche der Kontrollbox liegt auf dem gleichen Potential, wie der BNC-Außenleiter.** **Beachten Sie, dass die maximal ausgegebene Spannung des Verstärkers $\pm10\ \mathrm{V}$ nicht übersteigt. Die $4\ \mathrm{mm}$-Massebuche links unten an der Frontfläche der Kontrollbox liegt auf dem gleichen Potential, wie der BNC-Außenleiter.**
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