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Physik-Versuche mit Leuchtdioden |
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.
1. Interferenz-Versuche mit Leuchtdioden als quasi
monochromatischen Lichtquellen
| Beugungsgitter-Versuche
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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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tan(a) = D/D
=> a |
sin(a) = Ds/d =
k.l/d k = 0,1,2,3 ...
für Maxima k-ter Ordnung
=> l |
Wie üblich wird die Interferenzfigur von den Schülern ausgewertet. |
 Interferenzfigur,
durch das Beugungsgitter hindurch fotografiert. |
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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 Beugungsgitterdas Spektrum des orangefarbenen Lichts.
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 eine blaue
(l ca. 480 nm) und eine Infrarot-LED
(l ca. 950 nm) kann man die Wellenlängen
vergleichen, wenn man beide Beugungsgitter-Spektren mit einer
Schwarz-Weiß-Video-Kamera betrachtet ("Spionage-Kamera"). Diese Kamera
ist infrarot-empfindlich, und man erkennt, 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.
2. Infrarot-Interferenz quantitativ
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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). |
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) |
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:
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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.
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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. |
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. |
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. |
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". |
| 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. |
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. |
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. |
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?
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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.
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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. 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 )
