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Physik-Versuche mit
Leuchtdioden
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Hinweis: Sofern Leuchtdioden nicht Teil einer kompletten,
fertig aufgebauten Schaltung sind, werden immer Steckerbausteine
verwendet, die einen Vorwiderstand eingebaut haben. Bei
einem Strom I = 10 mA (häufig sind maximal 20 mA zugelassen) und
einem Vorwiderstand von 330 Ohm fallen an diesem 3,3 V ab. Bei einer
Flussspannung von ca. U = 1,7 V (rot bis gelb) kann man eine solche
Leuchtdiode also an 5 V betreiben.
Die Versuche wurden vom Autor am Siebold-Gymnasium Würzburg für den
Unterricht entwickelt und dort und an anderen Schulen für den Unterricht
eingesetzt.
1. Interferenz-Versuche mit Leuchtdioden als
quasi monochromatischen Lichtquellen
| Beugungsgitter-Versuche (subjektive
Methode)
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Leuchtdioden stellen für schulische Zwecke recht gut geeignete
monochromatische Lichtquellen dar mit günstiger Lichtstärke. Dabei
würde ich bei die neueren "ultrahellen" LEDs, die sich fast schon
Diodenlasern nähern, mit einigen 1000 mcd, nicht einsetzen, um
nicht Schüleraugen zu gefährden; "superhelle" LEDs mit einigen 100
mcd sind mehr also ausreichend.
Die LED in einem Steckerbaustein wird in geeigneter Höhe
gehaltert, über sie wird - unmittelbar hinter der LED - ein
Lineal gelegt. In typisch 1 m Entfernung wird mittels eines
Diahalters in Leuchtdiodenhöhe ein Beugungsgitter (typ. 250
Striche/cm) angebracht. Neben Standardbausteinen aus der
Schülerversuchssammlung leistete uns eine aus einer Holzlatte
gebastelte "optische Bank" gute Dienste.
Wenn die Schüler im nur leicht verdunkelten Raum die
Leuchtdiode durch das Gitter beobachten, können sie die
verschiedenen Ordnungen der Interferenzmaxima sehen und
zugleich, wenn auch leicht verschwommen, den Maßstab. Eventuell
hilft der Partner mit einem an die Stelle des Maximums
positionierten Bleistift oder mit den Zeigern des Maßstabs.
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Winkelmessung mit Hilfe des virtuellen
Bilds auf dem Maßstab:
tan(α) = Δ/D
=> α
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sin(α) = Δs/d = k·λ/d k =
0,1,2,3 ...
für Maxima k-ter Ordnung
=> λ
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Wie üblich wird die Interferenzfigur von den Schülern
ausgewertet.
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Interferenzfigur, durch das Beugungsgitter hindurch fotografiert
(subjektive Methode). |
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Interferenzbilder verschiedener LEDs |
Was bedeutet eine Spektrallinie?
Statt einer runden wird eine rechteckige oder dreieckige Leuchtdiode
verwendet. Von gleicher Form sind dann die Interferenzmaxima und der
Schüler stellt fest: "Interferenzmaxima sind einfarbige Bilder höherer
Ordnung der Lichtquelle". Bei einer linienförmigen Lichtquelle
(Kohärenzspalt) sind die Maxima also Spektral"linien".
Prinzip eines Spektrometers
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Es wird eine Zweifarben-LED mit drei Anschlüssen
verwendet. Durch zwei Vorwiderstände á 100 Ohm wird dafür gesorgt,
dass das Mischlicht aus grün und rot orangefarben erscheint. Durch
ein Beugungsgitter wird das Spektrum aufgespalten. Man erhält dann
die roten wie die grünen Bilder der Lichtquelle getrennt.
So etwa - in Realität mit deutlicheren grünen Maxima - sieht
der Schüler durch das Beugungsgitter das Spektrum des
orangefarbenen Lichts einer Zweifarben-LED.
Hier wurde eine rechteckige Zweifarben-LED verwendet.
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Vergleich der Wellenlängen von blauem Licht und
Infrarot-Licht
Kombiniert man auf einem Steckelemente-Träger oder auf der
Leybold-Rastersteckplatte eine blaue (λ ca. 480 nm) und eine Infrarot-LED
(λ ca. 950 nm) kann man die Wellenlängen vergleichen, wenn
man beide Beugungsgitter-Spektren (z.B. 80 Linien pro mm) mit einer
Schwarz-Weiß-Video-Kamera oder Farbkamera betrachtet ("Spionage-Kamera").
Diese Kamera ist infrarot-empfindlich, und zeigt, dass die IR-Maxima ca.
doppelt soweit voneinander entfernt sind wie die blauen Maxima. Damit kann
man die Erkenntnis verknüpfen, dass das Spektrum des sichtbaren Lichts
etwa eine (Frequenz-)Oktave umfasst.
| Sicherheitshalber würde ich die
Schüler davor warnen, direkt in die LED mit der nicht sichtbaren
IR-Strahlung zu schauen. |
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Die Maxima des IR-Spektrums (unten) liegen in etwa doppeltem
Abstand im Vergleich zu den blauen.
Dabei sind die Maxima 1. und -1. Ordnung beim verwendeten
Gitter nur schwach ausgeprägt.
(leider mit schlechter fotografischer Qualität) |
2. Infrarot-Interferenz quantitativ
(objektive Methode)
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Der Versuch wurde als Schülerversuch ("in gleicher Front") im
Leistungskurs durchgeführt. Dazu wurde die frühere optische Bank
von Kröncke verwendet entsprechend dem nebenstehenden Aufbau.
Die verwendete IR-LED (LD272) war für einen Strom von maximal
100 mA zugelassen. Dementsprechend musste ein in der Zeichnung
fehlender Vorwiderstand eingesetzt werden. Der Reiter mit der
Empfängerdiode (SFH505F) wurde vor der optischen Bank senkrecht
zur optischen Achse verschoben. Der Empfänger zeigte Minima und
Maxima mit einem Voltmeter an. Die Maxima wurden auf der
Papierunterlage markiert.
Evtl. muss man die etwas abweichende Brennweite der Linse
bzgl. Infrarot-Strahlung berücksichtigen. Als Beugungsgitter hat
sich ein SV-Gitter mit 250 Strichen / cm bewährt.
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Die Fotodiode SFH 205 F (Nachfolgetyp SFH 309 FA) hat ein
eingebautes Tageslichtfilter. Sie wurde zudem mit
lichtundurchlässiger Folie so abgedeckt, dass nur ein schmaler
Spalt an der lichtempfindlichen Eintrittsfläche offen blieb. Dann
kann im mäßig verdunkeltem Raum gearbeitet werden. Der OV
auf dem Leybold-Steckbrett stellt einen I-U-Wandler dar und kann
bei geeigneter Beschaltung sogar weniger als µA messen. Wenn die
Fotodiode einen Strom von 0,1 µA liefert, entsteht am Ausgang eine
Spannung von 0,1 µA . 20 MOhm = 2 V. Der OV muss mit einem
Netzgerät mit dualer Spannung versorgt werden (vgl. Netzteil). |
Eine verbesserte Methode, die mit pulsierendem IR-Licht arbeitet, finden
Sie im Buch des Autors "Physikalische
Schülerversuche mit PC und Mikroprozessor - Wege zum forschenden
Lernen"
3. UV-Interferenz mit einer UV-LED qualitativ (objektive
Methode)
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Das UV-Licht einer UV-LED durchstrahlt ein
Beugungsgitter. Die für das menschliche Auge unsichtbare
UV-Strahlung muss durch einen fluoreszierenden Schirm in sichtbares
Licht (hier grün) umgewandelt werden. Dazu wurde ein
"reflektierender" Streifen zum Schutz von Fußgängern in der Nacht
aus einem 1-Euro-Shop verwendet (auch geeignet:
"Baby-Sicherheits-Reflektor"). Die Optik zur Erzeugung von
Parallellicht wurde durch einen Strohhalm als Kollimator ersetzt.
| Warnung! Die Sch dürfen auf keinen Fall
ihre Augen durch Blick in die LED gefährden! |
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3. Elektrostatik-Versuche, mit LEDs angezeigt
Leuchtdioden in Verbindung mit einem geeigneten "Ladungsmesser" eignen
sich hervorragend zur Anzeige der Polarität unterschiedlicher Ladungen und
zur qualitativen Anzeigen zunehmender oder abnehmender Ladung.
Voraussetzung dafür ist ein "Ladungsmesser",
der leicht mit Steckerbausteinen aufgebaut werden kann, die an vielen
Schulen vorhanden sind.
Schaltung des Ladungsmessers - Integratorschaltung
zur dualen Spannungsversorgung (vgl. Netzteil)
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Die Schaltung ist eigentlich ein Integrator, der normalerweise
die Aufgabe hat, in den Eingang hineinfließende Ströme zu
integrieren und das Ergebnis der Integration als Ladespannung des
Kondensators zwischen Ausgang A und Eingang E- bzw., fast
identisch, E+, d.h. Masse, anzuzeigen. In der Schule wird man die
Schaltung nicht erklären, sondern sich nur von ihrer Funktion
überzeugen und dann benutzen. Einige Gesichtspunkte, um ein Gefühl
für die Funktion der Schaltung zu bekommen:
- Ein gegengekoppelter OV (Operationsvestärker) sorgt dafür,
dass die Spannung zwischen den beiden Eingänge E- und E+ im
Bereich von wenigen mV bleibt. Im Vergleich zu den sonst
vorkommenden Spannungen im Bereich von wenigen V ist diese
Spannung häufig vernachlässigbar. Beide Eingänge liegen damit
quasi auf Masse-Potenzial. Man spricht von einer virtuellen
Masse. Alle am Eingang E1 angebotene Ladungen fließen
durch den Widerstand R zur virtuellen Masse ab. Bei konstanter
Spannung zwischen E1 und Masse ist die Stromstärke dann allein
durch den Widerstand R bestimmt. Im Gegenkopplungszweig liegt
hier der Kondensator C.
- Der Eingangswiderstand ist beliebig hoch (Größenordnung
1013 Ohm). In den OV können also quasi keine
Ladungen hineinfließen. Ein Widerspruch zu Punkt 1)? Nein,
denn der OV behält stromlosen Eingang bei, indem er
einen zweiten, entgegengesetzten Strom von gleichem Betrag
erzeugt, der aus E- herausfließt und zwar auf den Kondensator
C. Effektiv ist es also so, dass der durch R fließende Strom
den Kondensator lädt. Man kann auch sagen, dass der OV als
Ladungspumpe wirkt, die alle an E1 angebotenen Ladungen auf
den Kondensator C pumpt.
- Zwischen Ausgang A und Masse steht dann also die Ladespannung
des Kondensators C. Sie kann mit einem Voltmeter verlustlos
gemessen werden ohne dass sich der Kondensator C
entlädt.
Da alle angebotenen Ladungen auf den Kondensator C gepumpt
werden, ist dessen Ladespannung ein Maß für die gemessene
Ladung. Die Schaltung funktioniert nicht mit einem Standard-OV,
wie dem 741, der in den meisten Schülerversuchsbausteinen
eingebaut ist. Man muss ihn durch einen CA3140 mit gleicher
Pin-Belegung (DIL8-Gehäuse) ersetzen. Dieser OV hat einen
genügend kleinen Offset-Strom, der den Messkondensator C nicht
schon ohne äußeres Signal lädt oder entlädt. Dennoch sollte man
keine kleineren Kondensatoren als C = 2,2 nF verwenden (eher
mehr). Das begrenzt die Empfindlichkeit der Schaltung als
Ladungsmesser nach unten. Mit Ladungsquellen sollte man
vorsichtig sein, wenn hohe Spannungen beteiligt sind. Direkte
Berührung des Eingangs mit einem auf hohe Spannungen
aufgeladenen Ladungsträger (z.B. geriebene Folie) könnte den OV
zerstören.
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Versuche:
Nachweis der zwei Sorten von Ladungen (positive und
negative)
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Zur qualitativen Anzeige der gemessenen Ladungsmenge wird eine
Zwei-Farben-LED (Duo-LED mit 2 Anschlüssen) mit Vorwiderstand
(typ. 330 Ohm) verwendet. C = 2,2 nF - 10 nF. Der Eingang E-
ist mit einem Ladungsbecher (blankes Konservendöschen auf Stecker)
verbunden. Zwei Folien vom Tageslichtprojektor werden aufeinander
auf die Kunststoff-Tischplatte gelegt und mit den trockenen Händen
oder Pullover ("Katzenfell") gerieben. Dann werden die beiden
Folien vorsichtig von der Tischplatte gelöst (man hört das
Knistern elektrischer Funkenüberschläge). In der Luft werden beide
Folien voneinander gelöst und eine Folie nach der anderen
vorsichtig dem Ladungsbecher genähert ohne ihn zu berühren. In der
Regel leuchtet die LED infolge der einen Folie rot, infolge der
anderen grün und zeigt damit die unterschiedlichen Ladungen an.
Manchmal gelingt es sogar, dass die LED gar nicht leuchtet, wenn
man beide Folien wieder aufeinander legt und dann dem
Ladungsbecher nähert: insgesamt gleich viele positive und negative
Ladungen; beide Folien insgesamt neutral. Möglicherweise spielen
hier komplizierte Vorgänge von Polarisation des Folienmaterials
und Ladungsübertritt eine Rolle.
Auch mit dem üblichen "Reibzeug" kann man die beiden
Ladungsvorzeichen nachweisen.
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Ladungslöffeln qualitativ
Mit einem Influenzplättchen am Isoliergriff werden von den Haaren oder
der Kleidung "Ladungen abgestreift" und in der gleichen Schaltung an den
Ladungsbecher übertragen. Die LED beginnt nach einigen solcher Vorgänge
leicht, schließlich hell zu glimmen, umso stärker, je mehr Ladungen
abgestreift wurden.
Influenz
Mit irgendeinem Ladungsträger (geriebene Folie, Influenzplatten, die an
einem geladenen Konduktor aufgeladen wurden) nähert man sich in der
gleichen Schaltung dem Ladungsbecher ohne ihn zu berühren. Bei Annäherung
beginnt die LED aufzuleuchten. Entfernt man aber den Ladungsträger wird,
erlischt die Anzeige: Erst wurden Ladungen durch Influenz aus dem
Ladungsbecher in den Kondensator gedrängt (oder von dort abgesaugt), dann,
nach Entfernen des Ladungsträgers, flossen sie wieder zurück und
hinterließen einen neutralen Ladungsbecher und Kondensator.
In einem starken elektrischen Feld mit zwei Influenzplättchen gelingt es
manchmal, beide Plättchen mit unterschiedlichem Ladungsvorzeichen zu laden
(ohne dass Ladungen überspringen). Unter günstigen Umständen lässt sich
dann wieder das unterschiedliche Vorzeichen der Ladung und die Neutralität
insgesamt zeigen.Manchmal gelingt es bei hell leuchtender LED, sie wieder
zum Erlöschen, zumindest zum Verdunkeln zu bringen, wenn man den Kopf, von
dessen Haaren die Ladungen abgestreift wurden, vorsichtig dem
Ladungsbecher nähert.
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Hinweis: Das Ladungslöffeln lässt sich auch quantitativ
durchführen. Dann wird die LED zwischen Ausgang A und Masse durch
ein Voltmeter ersetzt. Von den Haaren werden dann immer wieder
Ladungen abgestreift und in den Ladungsbecher übertragen. Es zeigt
sich, dass die Anzeige des Ladungsmessers proportional zur Anzahl
der Ladungsübertragungen ist, wie man es erwartet hätte unter der
Annahme, dass bei jedem Abstreifvorgang etwa gleich viele Ladungen
übertragen werden. Der Versuch kann aufgefasst werden als ein Test
des Ladungsmessers. Ein zweiter Test besteht darin, bei C = 1 µF,
R = 100 kOhm, einen konstanten Strom (5V/105Ohm = 50
µA) in den Ladungsmesser fließen zu lassen. Dann muss die Anzeige
linear mit der Zeit wachsen.
Im Foto diente der zweite Ladungsbecher (vorne) als Reservoir
von Ladungen, wobei Ladungen von außen in den Ladungsmesser
übertragen werden konnten, von innen nicht.
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4. Induktion bei Freihand-Versuchen mit LEDs
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Als allerersten Versuch zur Induktion erhalten die Schüler eine
Spule, einen Permanentmagneten und eine Zweifarben-LED zur
Anzeige, aufgesteckt auf die Spule (wir hatten gebastelte Adapter
mit 4mm-Steckern im 19 mm-Abstand, damit die Steckerbausteine mit
LEDs leicht aufgesteckt werden können).
Die Schüler erhalten ohne näheren Hinweis die Aufgabe, die LED
zum Leuchten zu bringen und Beobachtungen anzustellen. Sie
finden in der Regel recht schnell heraus, dass man den Magneten
möglichst schnell in die Öffnung der Spule stecken oder aus ihr
herausziehen muss, dass die LED umso stärker aufleuchtet, je
schneller der Magnet bewegt wird, und dass die LED mit
unterschiedlicher Farbe leuchtet, wenn man den Magneten
hineinsteckt und wieder herauszieht. Das wird dann zur noch
recht vagen Aussage formuliert: "Induktion findet statt, wenn
sich "das Magnetfeld" verändert, das die Windungen einer Spule
durchsetzt. Sie ist um "stärker", je schneller sich das
Magnetfeld ändert. Bei Anwachsen oder Abfallen des Magnetfelds
hat die Induktion unterschiedliches Vorzeichen".
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| Der Versuch funktionierte gut mit den Bauteilen des Fotos (12
000 Windungen).
Der Versuch ist aber so eigentlich ungünstig dimensioniert,
weil ja beim Einführen des Magneten in die Spulenöffnung sowohl
der Fluss im Inneren des Magneten (von S nach N) wie der
entgegengesetzte Rückfluss (von N nach S) in die Öffnung
eintreten. Beide Flüsse heben sich teilweise auf. Eine Spule,
die den Magneten enger umschließt (geringere lichte Weite)
"bekommt" weniger vom Rückfluss außerhalb des Magneten "mit".
Dann kommt man mit geringerer Windungszahl aus. In jedem Fall
kommt der Hauptbeitrag zum sich ändernden magnetischen Fluss vom
Magnetfeld B im Magneten.
Mit Phywe-Schülerversuchs-Spulen mit 1600 Windungen bei einer
lichten Weite von 2 cm x 2 cm ging das (mit möglicherweise
stärkeren Magneten) ganz gut.
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Der Versuch wird etwas quantitativer gemacht, indem man die LED
durch ein kleines Mikroamperemeter auf Steckern ersetzt. Dann kann
mit kleinen Permanentmagneten (typisch 2 cm Länge) oder Spulen
geringerer Windungszahl auskommen.
Dann werden andere Möglichkeiten gesucht, das "Magnetfeld"
innerhalb der Spule zu ändern. Irgendwann leitet der Lehrer auch
dazu an, dass man die Windungsfläche verändert. Das führt dann
zum Begriff des "magnetischen Flusses" ("Magnetfeld" + "Menge an
Magnetfeld"), der sich ändern muss, damit Induktion stattfindet.
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5. Ein-/Ausschaltvorgänge bei Kondensator
und Spule
Die Stromrichtungen bei Ein- und Ausschalten in einem Stromkreis mit
Kondensator oder Spule sollen mit Leuchtdioden untersucht werden. Die
beiden denkbaren Stromrichtungen werden durch die Farbe der leuchtenden
LED unterschieden. Aus didaktischen Gründen werden getrennte LEDs (rot und
grün) verwendet, nicht eine Zweifarben-LED. Im Schülerversuch wird erst
dieser qualitative Versuch durchgeführt, bevor quantitative Überlegungen
angestellt werden (Vgl. auch Buch: Schülerversuche
mit PC und Mikroprozessor). Möglicherweise habe ich ähnliche
Versuche mit Lämpchen in den 80er Jahren durch Prof. Heuer kennengelernt.
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Ein-/Ausschaltvorgänge beim Kondensator
Die jeweils leuchtende LED zeigt die Stromrichtung an: im
oberen Zweig Ladestrom (grün) und entgegengesetzter Entladestrom
(rot), im "Querzweig" nur eine Stromrichtung des Entladestroms
(rot). Die Schüler behaupten dann in der Regel, dass die untere
grüne LED kaputt sei, bis sie dann schließlich die Stromverläufe
erkennen. Sie erhalten die Aufgabe die Stromverläufe mit
unterschiedlichen Farben in die Schaltskizze einzutragen.
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Ein-/Ausschaltvorgänge bei der Spule
Durch den Vorwiderstand der Steckerbausteine sind die
beteiligten Ströme durch die LEDs recht klein. Um einen größeren
Strom zu ermöglichen werden Lämpchen zu den rechten LEDs
parallel geschaltet. Wichtig ist in Stromkreisen mit
Selbstinduktion die Anordnung der LEDs im "Querkreis". Dieser
ist immer mit der Spule verbunden, so dass nie die Möglichkeit
einer vollständigen Abtrennung der Spule entsteht. Andernfalls
müsste - weil "die Stromstärke keine Sprünge macht" durch
Selbstinduktion eine so hohe Spannung entstehen, dass die
Unterbrechungsstelle im Schalter leitfähig wird. Die hohe
Spannung könnte vielleicht LEDs zerstören.
Die Schüler beobachten den Einschaltstrom (oben grün und unten
rot) und den Ausschaltstrom (oben grün und unten grün). Die
Stromverläufe werden mit unterschiedlichen Farben in die
Schaltskizze eingetragen.
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6. Plancksches Wirkungsquant und
Photonenenergie
Es werden die I-U-Kennlinien mehrerer ausgesuchter LEDs vermessen und
die jeweilige Knickspannung ermittelt. Sie entspricht recht gut dem
Bandabstand zwischen Leitungs- und Valenzband der in den LEDs verwendeten
Halbleiter-Materialien und dieser wiederum recht gut der Energie, die die
Leitungselektronen in der p-n-Grenzschicht beim Rekombinieren mit
den Löchern im Valenzband verlieren, also in Form von Photonen abgeben. Es
kann damit also die Photonenenergie bestimmt werden, mit Hilfe eines
Beugungsgitters die Wellenlänge λ bzw. Frequenz f des emittierten
Lichts. Damit erhält man direkt eine Frequenz-Photonenenergie-Kurve, die
die Einsteinsche Annahme E = h·f bestätigt und gleichzeitig einen recht
brauchbaren Wert für das Plancksche Wirkungsquant liefert. Die Kennlinie
kann konventionell aufgenommen werden, aber auch mit einem Messinterface
(vgl. Buch: Schülerversuche mit PC und
Mikroprozessor). Zur Bestimmung der Knickspannung
(entsprechend der Photonenenergie) sollte die Extrapolationsmethode
angewendet werden, anders als andere Autoren das vorschlagen. Vgl. auch
mit Messbeispielen!
7. Licht-Sender und -Empfänger
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Licht-Empfänger, auf Leybold-Schülerversuchs-Brett
(DIN A4) mit Auflageblatt aufgebaut. Außer Steckern wird
noch ein Operations-Verstärker-Baustein verwendet, ein 50
Ohm-Kleinlautsprecher, ein 1 MOhm-Widerstand und eine Fotodiode
BPW34. Wenn nur Lautsprecher mit geringerer Impedanz vorhanden
sind, sollte ein bipolarer 50µF- Kondensator zwischengeschaltet
werden.
Man benötigt ein Netzteil mit
gegenüber Masse + UB und -UB Spannung,
wobei UB typisch 12 V ist. Im Foto erkennt man die
drei Anschlussleitungen, die grüne dabei zur Masse.
Der Operationsverstärker ist als Stromverstärker geschaltet.
Wegen des 1 MOhm-Widerstands macht er aus 1 µA Fotostrom 1 µA. 1
MOhm = 1 V Ausgangsspannung.
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Licht-Sender
Außer Steckern benötigt man einen OV-Baustein (z.B. mit dem OV
741), einem 10 kOhm-Poti zur Verstärkungsregelung, einer
superhellen LED (hinter der Linsenfassung verdeckt), und eine
Tonquelle, z.B. einen Kassetten-Rekorder (schwarze
Verbindungsleitungen). Mit 3 Verbindungsleitungen ist wieder das
Netzteil mit der dualen Spannungsversorgung anzuschließen.
Die Linse wird so aufgestellt, dass sie das Licht der
Sende-LED auf die Fotodiode des Licht-Empfängers in einigen
Meter Abstand fokussiert.
Verwendet man zwei Licht-Sender mit verschiedenfarbigen LEDs,
z.B. auch eine infrarote, dann kann man im Empfänger durch ein
Farbfilter einen Sender auswählen.
Bei sichtbarem Licht erkennen die Schüler am Pulsieren der
Lichtstärke die Art der hier verwendeten Modulation: Amplitudenmodulation.
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8. LEDs als farbempfindliche Licht-Sensoren
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Dafür sind LEDs sicher nicht entwickelt und auch
nicht optimiert worden. Aber es funktioniert: Strahlt man auf eine
LED (wie bei einer Halbleiter-Fotodiode) Licht auf die
Grenzschicht (wenn von dort Licht herauskommen kann, muss es auch
hineinkommen können), dann können bei geeigneter Photonenenergie
Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband angehoben werden.
Es entsteht dann eine Photospannung zwischen n- und p-Bereich, die
mit einem hochohmigen Spannungsmesser bestimmt werden kann. Es ist
klar, dass die Photonenenergie den Bandabstand überwinden muss;
bei bestimmten Halbleiter-Materialien und genügender Lichtstärke
entspricht dann die Mindest-Photonenenergie etwa dem Bandabstand
und etwa der Photospannung bei hoher Lichtstärke
(Sättigungs-Photospannung). Einer meiner Schüler (Dr. M.
Handwerker) hat darauf aufbauend vor vielen Jahren einmal ein
Spektrometer entwickelt. Was kann man in der Schule damit
anfangen?
- Modell-/Analog-Versuch zur unteren Grenzfrequenz beim
Photoeffekt: Eine Mindest-Photonen-Energie ist erforderlich,
damit eine Photospannung entsteht. Man entwerfe mit einem
Prisma ein kontinuierliches Spektrum von einer Bogenlampe.
Bringt man eine grüne LED ins Spektrum von der roten Seite her
beginnend, dann entsteht erst dann eine Photospannung, wenn
die LED die Grenze zum grünen Spektralabschnitt überschritten
hat.
- Grüne Photonen haben mehr Energie als rote: rotes LED-Licht
kann eine grüne LED nicht zum Ansprechen bringen (analog mit
anderen Farben); umgekehrt geht's.
- Der Versuch gelingt auch, wenn das Spektrum mit Hilfe einer
CD aus einem Sonnenstrahl entworfen wurde, der die Jalousie
durch einen Schlitz passierte. Auf ein hochohmiges Multimeter
wurde der LED-Baustein aufgesteckt. Die angezeigten Spannungen
waren dabei in der Größenordnung von einigen Hunderstel Volt.
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| angenäherte Sättigungs- Photospannung einer grünen LED im vollen
Sonnenlicht |
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| Eine grüne LED im roten Teil des Sonnenspektrums, entworfen
mit einer CD: deutlich geringere Photospannung als im grünen Teil
des Sonnenspektrums. Zur Anzeige trägt auch der Grün-Anteil des
Umgebungslichts bei. |
Eine grüne LED im grünen Teil des Sonnenspektrums - fast ein
Freihand-Versuch |
9. Die wechselnden Stromrichtungen von
Wechselstrom
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Eine Zweifarben-LED (2 Anschlüsse; Bauteil mit
Vorwiderstand, z.B: 330 Ohm) wird über 1,5 m lange
Verbindungsleitungen an eine Trafo (typ. 2 Veff)
angeschlossen. Man sieht eine Mischfarbe, z.B. orange. Schwenkt
man aber die LED an den langen Verbindungsleitungen hin und her,
dann sieht man räumlich getrennt die rote und die grüne LED
leuchten. Im Vorversuch ist gezeigt worden, dass die
Zweifarben-LED je nach Stromrichtung rot oder grün leuchtet. Der
Versuch ersetzt einen entsprechenden mit einer
Dreiecks-Glimmlampe. Er hat den Vorteil, dass er sogar als
Schülerversuch durchführbar ist. |
| Foto der abwechselnd rot und grün leuchtenden Dioden einer
Zweifarben-LED in einer etwas anderen Situation als im Text
geschildert. |
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Anton demonstriert Wechselstrom. Das Ergebnis:
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10. Nachweis der entgegengesetzten Stromrichtungen
in einem Parallelresonanzkreis bei Resonanz
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Ein aus Spule (300 - 600 W mit Eisenkern) und Kondensator (C = 4
mF) aufgebauter Parallel-Schwingkreis wird mit einem
Funktionsgenerator zu erzwungenen Schwingungen angeregt (z.B.
kapazitive Ankopplung). Baut man in die beiden Teilzweige je eine
Zweifarben-LED ein (ohne Vorwiderstand; beide gleich orientiert)
und erzeugt man wieder Resonanz, scheinen beide LEDs in der
Mischfarbe zu leuchten. Man muss dabei sehr vorsichtig die
Generatorspannung erhöhen, damit die Grenze von 10 - 20 mA für
jede LED nicht überschritten wird. Schiebt man aber das
Schaltbrett mit den beiden LEDs schnell hin und her, kann das Auge
die Phasen unterschiedlicher Stromrichtung trennen. Wenn man genau
hinschaut, sieht man dass die beiden LEDs mit jeweils
unterschiedlicher Farbe leuchten. Das Ergebnis lässt sich
objektivieren, wenn man z.B. mit einer Digitalkamera eine kurze
Video-Sequenz des Verschiebevorgangs aufzeichnet. |
| Im Foto sind offenbar zwei Phasen (hin und zurück) überlagert.
Dennoch erkennt man die entgegengesetzten Farben bei der unteren
bzw. oberen LED. |
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11. Literatur:
Horst Hübel, Leuchtdioden: annähernd monochromatissche Lichtquellen für
physikalische Schülerversuche zur Gitterbeugung und zum Planckschen
Wirkungsquant, Praxis der Naturwissenschaften - Physik, 31, Heft
3, 77 - 84 , 1982
( aktualisiert 2014 ; Zeichensatz geändert 2023; UV-Spektrum ergänzt
2024)
