Statische Ladungen und Felder
Elektronik-Labor Mikrocontroller PicoBasic TestLab
Für diese Messung wurde ein Drehkondensator mit ca. 500 pF, der
sonst für HF-Anwendungen dient, an den Eingang A0 gelegt und dreimal
betätigt: weniger, mehr und wieder weniger Kapazität. Das Oszillogramm
zeigt deutliche Spannungsänderungen. Die Anfangsspannung von ca. 0,8 V
wurde dabei etwa verdoppelt, halbiert und wieder verdoppelt. Die
langsamen Änderungen dazwischen passierten ohne Änderungen am Drehko.
Wie ist das möglich? Die elektrische Ladung eines Kondensators ist Q =
C * U. Damit gilt auch U = C/Q. Wenn man also die Ladung unverändert
lässt und die Kapazität verändert, ändert man auch die Spannung. So
funktioniert auch ein Kondensatormikrofon.
Der Analogeingang des Controllers enthält einen kleinen Kondensator von
vielleicht 3 pF, der auf die Messspannung aufgeladen wird, um danach
seine Ladung zu messen. Bei jeder Einzelmessung wird nur eine sehr
kleine Ladung transportiert. Bei laufenden Messungen stellt sich
allmählich eine kleine Spannung ein, hier etwa 0,8. Der Eingang strebt
diese Spannung langfristig aus beiden Richtungen an. Die dadurch
verursachten Ladungsänderungen sind aber so klein, dass die
Spannungsänderung am Drehko klar erkannt werden kann. Der ohmsche
Eingangswiderstand ist fast unendlich groß. Dagegen ist der
Innenwiderstand eines üblichen Messgeräts mit 10 MOhm geradezu
niederohmig. Man kann daher mit dem Controller Messungen durchführen,
die anders nur schwer machbar sind.
Diese Messung zeigt Änderungen der statischen Aufladung meines Körpers,
wenn ich die Füße bewege. Eine Hand wurde dazu in 10 cm Abstand zum
Controller gehalten, was eine Koppelkapazität mit einem Bruchteil eines
Picofarad ergibt. Die Ausschläge sind so groß, weil man sich
üblicherweise bis auf einige 100 V auflädt. Mit jedem Anheben oder
Absenken eines Fußes ändert sich die Kapazität gegen Erde und damit die
elektrische Spannung des Körpers gegen Erde/Masse/GND. In weitaus
geringerem Maße ändert sich dann auch die Spannung am Eingang AD0.
Der große Innenwiderstand des Eingangs führt auch dazu, dass
elektrische Wechselfelder gemessen werden können. In diesem Fall
reichte ein 5 cm langer Draht, um die Wechselfelder einer Netzleitung
im Abstand von etwa einem Meter zu empfangen. Mit der schnellsten
möglichen Einstellung 0,1 s/div sieht man fünf Schwingungen pro
Skalenteil, also ein Signal mit 50 Hz. Die Amplitude beträgt ca. 0,1 V.
Hier sieht man die elektrische Spannung, die von einer gelben LED in
ihrer Funktion als Fotozelle erzeugt wurde. Die Beleuchtung war eine
Leuchtstoffröhre mit mittlerer Helligkeit, die als normale
Schreibtischbeleuchtung dient. Man sieht eine Gleichspannung von 1,4 V,
also wesentlich mehr, als man mit einer Si-Solarzelle bekommt. Die
höhere Spannung ist durch den größeren Bandabstand des
Halbleitermaterials bedingt. Der mögliche Strom in der Größenordnung
Nanoampere ist allerdings so gering, dass ein normales Messgerät die
Spannung sofort zusammenbrechen lässt. Der Gleichspannung überlagert
ist ein Signal mit 100 Hz, also der doppelten Netzfrequenz, weil die
Leuchtstoffröhre ihr Helligkeitsmaximum einmal bei der positiven und
einmal bei der negativen Halbwelle hat. Diese Beobachtung kann man
natürlich nicht unter die elektrostatischen Phänomene einordnen,
sonders hier geht es um eine echte Spannungsquelle, die allerdings
extrem hochohmig ist.
Mit diesem extrem hochohmigen Messeingang lässt sich mit geringstem
Aufwand eine elektrische Feldmühle bauen. Bisher konnten nur
veränderliche elektrische Felder gemessen werden. Wenn es um konstante
Feldstärken geht, muss man das Feld modulieren. Das geschieht hier
durch einen rotierenden Flügel aus Karton mit aufgeklebter Alufolie.
Der Flügel ist leitend mit GND verbunden und schirmt ein elektrisches
Feld periodisch ab. Der kleine DC-Motor wurde über 100 Ohm an 3,3 V
gelegt. Die Gegenelektrode am Eingang AD0 besteht aus einem kurzen
Steckkabel.
Die Messung zeigt das modulierte Feld nahe einer kleinen Plastiktüte,
die an einer Baumwolljacke gerieben wurde. Die elektrische Feldstärke
in V/m ist proportional zur Amplitude der gemessenen Schwingung. Die
gemessene Frequenz beträgt 44 Hz, die Motordrehzahl ist also 22 U/s
oder 1320 U/min. Wenn man genau hinsieht, erkennt man im Oszillogramm
eine kleine Asymmetrie des Motorflügels.
Software-Update 27.5.25: TestLab30.zip Bei
einigen Messungen wurden Messfehler beobachtet, die auf eine zu kurze
Sample-Zeit des AD-Wandlers zurückgeführt werden konnten. In der Firmware für
den Arduino Nano wurde daher der Vorteiler für den AD-Wandler verändert. Bisher
wurde ein Takt von 1 MHz verwendet, jetzt nur noch 500 kHz. Das führt zu
präziseren Messungen. Eine weitere Änderung betrifft das Anwenderprogramm
TestLab.exe. Es gab einen Tippfehler bei den Befehlen A = A Shl 1 und A = A Shr
1, der jetzt korrigiert wurde
Siehe auch: Überwachung der Netzfrequenz
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