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					Dipl.-Ing. W. Ruschewski                                                                   25.09.1997


                   FACHHOCHSCHULE STRALSUND
                   Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
                   Praktikum im Fach Grundlagen der Elektrotechnik                 Versuch Nr.: 8


                               Elektrisches Strömungsfeld
1. Zielstellung

Kennenlernen der Grundbegriffe und -gesetze der räumlichen elektrischen Strömung.
Experimentelle Untersuchungen von (inhomogenen) ebenen Potential-feldern mit dem
elektrolytischen Trog.

2. Theoretische Grundlagen

Elektrische Leitungen und Widerstände bestehen aus räumlichen leitfähigen Medien, an die die
Stromzuführungen oft quasipunktförmig angeschlossen sind. Ausgehend von der
Kontaktierungsstelle der Quelle (Einströmung) breitet sich der Strom über das gesamte Medium aus,
um zur Senke (Ausströmung) zu gelangen. Verbunden mit dieser Eigenschaft des elektrischen
Stromes sind die Ausbildung eines Stromdichte-, Potential- und Feldstärkefeldes. Die Feldform hängt
von der Art und Weise der Kontaktierung, den Begrenzungen des Mediums, von eingebrachten
(leitenden bzw. isolierenden) Störungen und evtl. vom Medium (Anisotropie) ab. Der elektrolytische
Trog erlaubt es, ebene Potentialfelder auszumessen. Die Meßanordnung besteht im Prinzip aus einer
Wheatstoneschen Brückenschaltung:




Mit einem Potentiometer wird das Potential der auszumessenden Potentiallinie eingestellt und
mit der Sonde der Punkt im Feld des Troges gesucht, der dem eingestellten Potential entspricht.
Dabei wird das Signal auf dem Indikator der Brücke (z.B. Meßinstrument, Oszillograf, Kopf-
hörer) ein Minimum. Für diesen Fall ist die Brücke abgeglichen: Das Potential des mit der Sonde
markierten Punktes ist dann gleich dem am Potentiometer eingestellten. Der Abgleich wird für
mehrere ausgewählte Potentiale wiederholt. Die Verbindungen aller Punkte gleichen




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Dipl.-Ing. W. Ruschewski                                                                    25.09.1997




Potentials ergeben ausgewählte Äquipotentialebenen (bzw. -linien). Durch die Konstruktion
"quadratähnlicher Figuren" kann auf das (ausgewählte) Feldstärke- und Stromdichtefeld
geschlossen werden.

Folgende versuchsspezifische Hinweise sind bei der Arbeit an diesem Versuchsplatz zu
beachten:
     - Die Wasseroberfläche muß (bei allen Versuchsaufgaben!) an allen vier Seiten mit der
       jeweiligen Trogkante parallel verlaufen.
     - Die Einstellungen am Frequenzgenerator sind:
       # Kurvenform der Wechselspannung  sinus
       # Frequenz  1 kHz
       # Amplitude  5V (abzulesen am Voltmeter bei Anschlagstellung des Potentiometer-
         schleifkontaktes)
     - Oszilloskop:Kanal 1 (CH I)  0,1V ; Justierung:wenn an der Sonde (Tastkopf) keine Spannung
       anliegt  mit "Y-POS.I" auf mittlere waagerechte Linie einstellen.
     - Alle Elektroden müssen jeweils bis zum Grund eintauchen.
     - Gebiete geringer Leitfähigkeit (Grenze 1/2 ) werden modellmäßig durch geringere
       Wasserstandshöhe (eingetauchte Isolierplatten) nachgebildet.
     - Bei der Aufnahme der Meßpunkte für die Äquipotentiallinien muß der Meßstift der Sonde genau
       senkrecht bis zum Grund eingetaucht und zur Vermeidung von Parallaxefehlern müssen die Koor-
       dinaten genau senkrecht von oben abgelesen werden.
     - Befindet sich die Meßsonde bereits im Bereich der gesuchten Potentiallinie, so kann zur Ver-
        größerung der Empfindlichkeit am Tastkopf auf "x1" umgeschaltet werden.
     - Als Potentialdifferenz sind für die ausgewählten Äquipotentiallinien  = 0,5V zu wählen.
     - Unter Ausnutzung der Symmetrieeigenschaften der Feldbilder kann für einige Aufgaben nur ein
       virtel- bzw. nur die Hälfte des Gesamtfeldes exakt ausgemessen werden. Die Existenz der
Symmetrie
       muß aber durch einige ausgewählte Meßpunkte nachgewiesen werden !

3.       Aufgaben zur Versuchsvorbereitung

3.1.     Fertigen Sie auf Millimeterpapier im Maßstab 1:1 die angegebenen Meßblätter an !
3.2.     Lösen Sie die bei 5. gestellten Aufgaben !


4.       Versuchsdurchführung und Versuchsauswertung

4.1.    Machen Sie sich mit der Versuchsschaltung vertraut !
        Bestimmen Sie den Verlauf ausgewählter Äquipotentiallinien für folgende
Elektrodenanordnungen:

4.1.1.   Zwei dünne Zylinderelektroden im Abstand von 30cm auf der Trogmittellinie.

4.1.2.   Eine ebene Elektrode im Abstand 30cm von einer dünnen Zylinderelektrode auf der Trogmittellinie.

4.1.3.   Eine dünne Zylinderelektrode im Mittelpunkt einer Halbkreiselektrode
         mit einem nichtleitenden Körper im Strömungsfeld.

4.1.4.   Eine dünne Zylinderelektrode im Mittelpunkt einer Halbkreiselektrode
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         mit einem leitenden Körper im Strömungsfeld.



4.1.5.   Zwei ebene Elektroden im parallelen Abstand von 30cm. Im Strömungsfeld befindet
sich
         eine Platte, die unterschiedliche Leitwerte realisiert.

4.2.     Konstruieren Sie nach dem Prinzip der quadratähnlichen Figuren in den bei 4.1.1. bis
         4.1.5. aufgenommenen Äquipotentialfeldern jeweils die Stromdichte- und Feldstärkeverläufe !

4.3.     Tragen Sie bei der Aufgabe 4.1.5. an einer ausgewählten Stromdichtelinie die Winkel
1       und 2 (Winkel zwischen Feldlinie und Einfallslot an der Grenzlinie) an.
         Bestimmen Sie das Verhältnis 1/2 !
                                                tan1 1
         Überprüfen Sie das Brechungsgesetz:           = !
                                                tan2 2



5.       Hinweise für das Kolloquium

5.1.     Was versteht man unter den Begriffen Potential, Potentialgefälle,       Stromdichte, elektrische
Feldstärke ?

5.2.     Definieren Sie den Begriff "Feld"! Was versteht man unter einem         "ebenen" Feld?

5.3.     Welche Feldformen hinsichtlich des physikalischen Cahrakters und der Geometrie kennen Sie?

5.4.     Erläutern Sie die Modellvorstellung "Spannungsgebirge". Welchen geodätischen Linien
         entsprechen die Potential- und Feldstärkelinien?

5.5.     Welche Möglichkeiten der bildlichen Darstellung eines Feldes gibt es? Was ist ein
         ausgewähltes Feldbild?

5.6.     Welchen Einfluß haben leitende bzw. nichtleitende "Störungen" auf den
         Feldverlauf eines ursprünglich homogenen Feldes?

5.7.     Welche Grenzbedigungen stellen sich an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien
         unterschiedlicher Leitfähigkeit ein? (1 > 0; 2 < oo)

5.8.     Wie lautet das Brechungsgesetz für den Durchtritt elektrischer Feld- und
         Strömungslinien an einer Grenzfläche?

5.9.     Welche Winkel ergeben sich für den Übergang der Feldlinie an der Grenze Metall-Wasser bzw.
         Wasser-Isolator?

5.10.    Welche physikalischen und mathematischen Zusammenhänge bestehen zwischen Potential,
         elektrischer Feldstärke und Stromdichte?

5.11.    Erläutern Sie die Funktionsweise der Wheatstone-Brücke!
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         Wie lautet die Abgleichbedingung?

5.12.    Warum muß als Spannungsquelle für den elektrolytischen Trog eine
         Wechselspannungsquelle verwendet werden?

                           Meßblätter zum Versuch 8




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        Die Maße der 2-realisierenden Platte entnehmen Sie am Versuchsstand.

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