9. – 10. Schuljahr

Patrik Vogt

Die blinkende Glühlampe: ein quantitativer Einstieg in die Wechselstromlehre

Ausgehend von einer Hochgeschwindigkeitsaufnahme (s. Abb. 1 ) einer konventionellen Glühlampe wird die Frage aufgeworfen, wie es zu den periodischen Helligkeitsschwankungen (s. Abb. 2 ) kommt, die man unter normalen Bedingungen mit dem Auge nicht wahrnehmen kann. Die Ursache für dieses wiederkehrende Aufleuchten der Lampe ist die Wechselspannung des Haushaltsnetzes, weshalb die Beobachtung eine Bestimmung der Netzfrequenz ermöglicht. Da der Betrieb einer Glühlampe von der Stromrichtung unabhängig ist, leuchtet diese bei jedem betragsmäßigen Spannungsmaximum besonders hell.
Materialien
  • Smartphone (z.B. iPhone 6 oder neuer) bzw. alternativ Digitalkamera mit HS-Modus (Highspeed, z.B. Casio EX-ZR400)
  • an Wechselspannung angeschlossene Lichtquelle
  • Videoschnitt-App, z.B. VivaVideo [1]
Aufbau und Durchführung
Dieses Experiment wurde bereits in [2] beschrieben, dort jedoch unter Verwendung einer Digitalkamera mit einer Framerate von 1000 fps. Hier kommt nun ein konventionelles Smartphone zum Einsatz, wodurch das Experiment von den Lernenden als Heimversuch und ohne weitere Hilfsmittel durchgeführt werden kann. Neuere Smartphones verfügen über einen HS-Modus, meist jedoch mit Frameraten von nur 240 fps. Die deutlich geringere Bildanzahl pro Sekunde erfordert bei der Videoauswertung eine zusätzliche Verringerung der Abspielgeschwindigkeit. Dies kann mit geeigneten Apps direkt am Smartphone erfolgen.
Die Durchführung des Experiments beschränkt sich auf das Abfilmen einer Glühlampe (alternativ: LED-Lampen, falls diese nicht über eine stabilisierte Gleichspannung betrieben werden) im Slow-Motion-Modus (s. Abb. 1). Die Framerate ist zuvor in den Geräteeinstellungen auf den Maximalwert zu setzen (hier: 240 fps iPhone 6s).
Auswertung
Bei einer Aufnahme mit 240 fps liegt die Abspielgeschwindigkeit bei 1/8 der tatsächlichen Prozessgeschwindigkeit. Hier sind die periodischen Helligkeitsänderungen bereits gut zu erkennen, für eine quantitative Auswertung erfolgen sie jedoch noch zu schnell. Es bietet sich an, die Abspielgeschwindigkeit mit einer entsprechenden App weiter zu reduzieren. Bei der Beispielmessung (s.o.) kam dafür die App „VivaVideo [1] zum Einsatz, mit der die Abspielgeschwindigkeit auf das 0,25-Fache reduziert werden kann. Das Video wurde gespeichert und seine Abspielgeschwindigkeit noch einmal auf das 0,25-Fache verringert. Verglichen mit der so erhaltenen Wiedergabegeschwindigkeit läuft der reale Prozess 128-mal schneller ab.
Abschließend wurde das verlangsamte Video auf eine Länge von genau einer Minute geschnitten (s. Video), sodass der Vorgang real 1/128 min andauert. Dieses Video beginnt bei maximaler Helligkeit und zeigt im Anschluss die Glühlampe 47 weitere Male aufleuchten (s.a. Abb. 2). Somit ergibt sich eine reale Blinkfrequenz von 100 Hz (= 47/60 ∙ 128 Hz) und eine Netzfrequenz von 50 Hz (= Hälfte der Blinkfrequenz), was exakt der Frequenz des europäischen Stromnetzes entspricht.
Weiterführende Hinweise
  • Das Experiment kann zum Einstieg in die Wechselstromlehre eingesetzt werden.
  • Da der Glühdraht stets etwas „nachglüht, erlischt die Lampe nicht vollständig. Dies kann jedoch mit einer Leuchtdiode erzielt werden, die an eine nicht-stabilisierte Gleichspannungsquelle angeschlossen und leicht oberhalb der Schwellenspannung betrieben wird (s. Video, aufgenommen mit 1000 fps).
  • Zahlreiche Literaturhinweise zu weiteren HS-Experimenten finden man in [3].
Literatur
[1]App „VivaVideo. iOS: https://ogy.de/iOSVivaVideo; Android: https://ogy.de/VivaVideoAndroid [06.07.2020]
[2]Kasper, L.; Vogt, P.: 30 x 45 Minuten Physik. Fertige Stundenbilder für Highlights zwischendurch (Klasse 7 – 10). Mühlheim: Verlag an der Ruhr, 2015.
[3]Vollmer, M.; Möllmann, K-P.: High Speed slow motion: Experimente unter der (Zeit-)lupe. In: PhyDid B Didaktik der Physik Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung. 2012. http...

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