BP:Feuchtigkeitsmessung von Blumenerde

In diesem Experiment soll über einen Kondensator eine Feuchtigkeitsmessung von Blumenerde vorgenommen werden. Die Feuchtigkeitsmessung wird über einen Arduino digital angesteuert. Über ein Ampelsystem mit roter bzw. grüner LED wird angezeigt, ob die Blume gegossen werden soll oder nicht.

Theoretische Zusammenfassung

Ein Kondensator ist eine Anordnung von zwei Leitern, die gegeneinander isoliert sind. In diesem Experiment wird ein Plattenkondensator verwendet. Bei einem Plattenkondensator lässt sich die Kapazität folgendermaßen berechnen:

$C={ϵ}_0\cdot {ϵ}_r\cdot \frac{A}{d}$

Dabei beschreibt ${ϵ}_0=8,854\cdot 10^{-12}\frac{As}{Vm}$ die Dielektrititätskonstante. ${ϵ}_r$ beschreibt die Permeabilitätszahl, die stoffspezifisch ist. Für Luft beispielsweise ist </math> \epsilon_{r}=1 </math>, für Wasser ist \epsilon_{r}=80 </math>, für trockene Erde ist </math> \epsilon_{r}=3,9 </math> und für nasse Erde ist </math> \epsilon_{r}=29 </math>. A beschreibt den Flächeninhalt einer Elektrode und d den Plattenabstand. Für trockene Erde würde man mit einem Kondensator der Länge 10 cm und breite 20 cm mit einem Plattenabstand von 1 cm eine Kapazität von </math> C= 69 pF</math> erwarten, für feuchte Erde eine Kapazität von </math> C= 513 pF</math>.

Die Ladekurve eines Kondensators ist eine zeitabhängige Exponentialfunktion: $U(t)=U_0\cdot (1-e^{\frac{-t}{RC}})$

Datei:Ladekurve Kondensator.png

Ladekurve eines Kondensators

Über einen Arduino kann der Kondensator sich bis maximal 5V aufladen. Der Arduino misst die Zeit, die der Kondensator benötigt, um die Schwellspannung zu erreichen. Diese wird nach der Zeit t=RC erreicht. Dann ist $U(t)=U_0\cdot (1-e^{\frac{-RC}{RC}})=0,632\cdot U_0.$ Nach der Zeit t=RC wurden also 63,2% der Gesamtspannung von 5V erreicht. Der Arduino misst die Zeit und berechnet über $C=\frac{t}{R}$

mit einem verwendeten Ladewiderstand von R=10kΩ die Kapazität C. 

Der Entladevorgang eines Kondensators lässt sich mit einer abfallenden e-Funktion beschreiben. Für Beim Entladen sollte kleinstenfalls ein Widerstand von Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle R=\frac{U}{I}=\frac{5V}{40mA}=125Ω } verwendet werden, da ansonsten der Arduino zerstört werden würde. Wir verwenden einen Entladewiderstand von R=220Ω.

Datei:Entladekurve Kondensator.png

Entladekurve eines Kondensators

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Auf welche prozessbezogene Kompetenz soll hier Wert gelegt werden? Beschreibe hier genauer was die SuS mit diesem Experiment lernen sollen.

Nötige Vorkenntnisse

Beschreibe hier genauer welche Vorkenntnisse ein*e SuS benötigt um das Experiment verstehen zu können. Dabei müssen auch die nötigen Vorkenntnisse aus anderen Fächern beachtet werden.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Beschreibe hier welche Schwierigkeiten die SuS beim Beobachten des Demonstrationsexperiments bzw. beim eigenständigen Durchführen des Experiments haben könnten. GGf. kannst du hier auch Lösungsansätze beschreiben.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Gibt es in der Literatur (z.B. Schecker, Horst; Wilhelm, Thomas; Hopf, Martin; Duit Reinders (Hrsg.) (2018): Schülervorstellungen und Physikunterricht. Berlin: Springer-Verlag GmbH) bereits erforschte Schülervorstellungen, die bei diesem Experiment relevant werden könnten? Beschreibe die Schülervorstellungen mit eigenen Worten und beschreibe warum sie hier relevant sind. GGf. kannst du auch einen Lösungsansatz beschreiben.

Die Auswahl des Bildes sollte symbolisch den gesamten Versuch beschreiben und ansprechend sein

Allgemein

Klassenstufe	Klasse
Kategorie	?
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel, Abschnitt

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• Arduino mit USB-A-Kabel
• Laptop mit Arduino
• Steckbrett (verwendet wurde Bauteil 5g)
• Experimentierbox 5g
• 220Ω-Widerstand
• 10kΩ-Widerstand
• zwei Kupferdrahtkabel
• zwei Krokodilklemmen (0,4mm)
• Kondensator bestehend aus zwei Holzplatten mit Aluminiumfolie umwickelt

Versuchsaufbau

Genauere Beschreibung des Versuchsaufbaus. Hier können auch einzelne Schritte beschrieben werden. Gerne zu jedem Schritt Bilder einfügen.

Schritt 1

BlaBla.

Schritt 2

Aber bitte nicht jede einzelne angezogene Schraube beschreiben! Wenn bestimmte Größen ausgeschrieben werden wie z.B. 500 g dann kann man zwischen der Maßzahl wie hier ein halbes Leerzeichen einfügen.

Durch das geschickte Setzen von Umgebungen kann das Bild des Kolibris hier an dieser Stelle erscheinen und könnte jetzt zum Beispiel den ersten Schritt des Experiments beschreiben

Versuchsdurchführung

Beschreibe hier genauer was man zur Durchführung tun muss. Aus was muss dabei geachtet werden?

Auswertung

Hier sollen Diagramme, Werte und eine Fehlerabschätzung zum Experiment hin. Gegebenenfalls können hier auch Gleichungen eingebunden werden. Mathematische Ausdrücke werden durch den <math>-Tag initiiert:

$\mathrm{i}\hslash \frac{\partial }{\partial t}|\psi (t)⟩=\hat{H}|\psi (t)⟩.$

Beim Vergleich mit Literaturwerten oder ähnlichem sollte durch die Referenzumgebung <ref> auf geeignete Quellen verwiesen werden, diese erscheinen dann auch automatisch am Seitenende.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.

Sicherheitshinweise

Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.

• Influenzmaschine

Fotos

Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
<div class="row"> <div class="large-4 large-centered columns"> <ul class="example-orbit" data-orbit> <li> [[Datei:Bild.png|slide 1]] <div class="orbit-caption"> Bildbeschreibung </div> </li> </ul> </div> </div>

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      Platzhalter
  

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       Ein Kolibri
  

Literatur

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0