Abitur Hessen Physik 2026 · LK · Feuchtigkeitsmessung von Getreide EN (2)

Feuchtigkeitsmessung von Getreide

In dieser Aufgabe wird ein vereinfachtes Messprinzip zur Bestimmung der Feuchtigkeit von Getreide (Kornfeuchte) thematisiert. Dabei wird ein Plattenkondensator eingesetzt.

1 Fachpraktischer Teil

Damit ein Kondensator zur Kornfeuchtemessung benutzt werden kann, muss seine Kapazität, zum Beispiel über einen Entladevorgang, bestimmt werden. Dieses Verfahren soll in einem Schülerexperiment nachvollzogen werden.

Material 1: Hinweise zum Experiment (Aufgabe 1)

Folgende Geräte und Bauteile stehen zur Verfügung: Kondensator unbekannter Kapazität $C$, Widerstand $R$, Gleichspannungsquelle, Spannungsmessgerät, Ein-/Aus-Schalter, Stoppuhr, Kabel in ausreichender Anzahl.

$R$ und die Einstellung an der Spannungsquelle werden von der Fachlehrkraft vorgegeben.

Bauen Sie das Experiment unter Verwendung des Schaltplans gemäß der Abbildung 1 auf. Achten Sie dabei auf die korrekte Polung des Kondensators.

Stellen Sie die Betriebsspannung $U_B$ an der Spannungsquelle ein und laden Sie den Kondensator ca. 10 s auf.

Erfassen Sie die Spannung $U_0$ am Kondensator und berechnen Sie $\frac{1}{3}U_0$.

Messen Sie diejenige Entladezeit $t_E$, in der sich die Spannung am Kondensator von $U_0$ auf $\frac{1}{3}U_0$ verringert hat.

Führen Sie die Messung insgesamt dreimal durch.

Protokollieren Sie alle Messwerte und sonstige Größenangaben, die zur Bestimmung der Kapazität des Kondensators erforderlich sind.

Hinweis: Für die Kapazität des Kondensators gilt: $C = \frac{t_E}{R \cdot \ln(3)}$

a)

Bauen Sie das Experiment unter Beachtung der Hinweise im Material 1 auf und führen Sie es durch. [8 BE]

Tragen Sie hier Ihre Messwerte ein (oder nutzen Sie die Ersatzmesswerte Ihrer Fachlehrkraft):

$t_1$ (s) · $t_2$ (s) · $t_3$ (s)

b)

Berechnen Sie unter Verwendung des Mittelwertes $\overline{t_E}$ der drei Entladezeiten die Kapazität des Kondensators (M 1). Leiten Sie die in Material 1 gegebene Gleichung zur Berechnung der Kapazität her. [6 BE]

c)

Nennen Sie zwei Einflussgrößen, die zu Unsicherheiten bei der Kapazitätsbestimmung führen können. Erläutern Sie deren Auswirkungen auf die berechnete Kapazität. [4 BE]

Material 2: Kornfeuchte

Als Kornfeuchte $F$ wird der prozentuale Anteil des Wassers bezeichnet, der sich in einem Getreidekorn befindet.

Bevor Getreide für längere Zeit gelagert wird, muss es ausreichend getrocknet sein, sodass die Kornfeuchte unter $14{,}5\,\%$ beträgt.

Bei nicht ausreichender Trocknung des Getreides können durch Schimmelbildung und Fäulnisprozesse schädliche Substanzen für Mensch und Tier entstehen. Die Trocknung kann hohe Energiekosten erzeugen.

Material 3: Anordnung zur kapazitiven Messung der Kornfeuchte

Die Kornfeuchte $F$ soll mithilfe einer Kondensatorentladung ermittelt werden.

Dazu wird ein dünnwandiges Kunststoffgefäß vollständig mit Getreide ausgefüllt. An zwei gegenüberliegenden Flächen sind außerhalb zwei Metallplatten $\text{P}_1$ und $\text{P}_2$ befestigt, wie in der Abbildung 2 gezeigt. Dieses System bildet einen Plattenkondensator.

Plattenfläche · $A = 8{,}0 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2$

Plattenabstand · $d = 10\text{ mm}$

Der Plattenkondensator wird auf eine Spannung $U_0$ aufgeladen und dann über einen Widerstand $R = 10\text{ M}\Omega$ entladen. Die Entladezeit $t_\text{E}$ vom Beginn des Entladevorgangs bis zum Zeitpunkt, in dem am Plattenkondensator die Spannung $\frac{1}{3} U_0$ anliegt, ist ein Maß für die Kornfeuchte.

Bedienungsanleitung für die Befüllung der Messanordnung

Das Einfüllen der Getreidekörner in das dünnwandige Kunststoffgefäß zwischen den Platten des Plattenkondensators in Abbildung 2 muss stets in gleicher Weise erfolgen. Durch leichtes Klopfen des befüllten Gefäßes auf einer Unterlage verteilen sich die Körner gleichmäßiger und rutschen nach. Größere Lufteinschlüsse können so vermieden werden. Schließlich wird der durch das Nachfüllen von Getreidekörnern entstandene Berg am oberen Gefäßrand sauber abgestreift.

Zusammenhang zwischen Kornfeuchte und Kapazität

Der Zusammenhang zwischen der Kornfeuchte und der Kapazität des Plattenkondensators ist vereinfacht in Abbildung 3 dargestellt.

Bei einer ordnungsgemäßen Befüllung mit extrem trockenem Getreide beträgt die Dielektrizitätszahl $\varepsilon_\text{r} = 2{,}3$. Das Getreide besitzt in diesem Fall eine Kornfeuchte von $8\,\%$.

Mit extrem feuchtem Getreide ergibt sich eine Dielektrizitätszahl $\varepsilon_\text{r} = 10$ und die Kornfeuchte beträgt $40\,\%$.

Der Einfluss des Kunststoffs als Dielektrikum wird vernachlässigt.

Messunsicherheit

Vereinfachend soll für alle Kapazitätsermittlungen von einer relativen Messunsicherheit von $5\,\%$ ausgegangen werden. Dies bedeutet, dass die wahren Werte für die Kapazität um $5\,\%$ von den ermittelten Werten nach oben oder unten abweichen können.

In einem Messgerät zur Bestimmung der Kornfeuchte wird das Messprinzip aus dem Experiment in Aufgabe 1 angewandt. Der Begriff Kornfeuchte wird im Material 2 näher erklärt.

a)

Erläutern Sie unter Einbeziehung des Materials 3, dass durch die Messung der Entladezeit $t_\text{E}$ des Kondensators indirekt die Kornfeuchte des Getreides im Bereich zwischen $8\,\%$ und $40\,\%$ ermittelt werden kann. [2 BE]

b)

Es wurde eine Entladezeit $t_\text{E} = 604\,\mu\text{s}$ gemessen. Ermitteln Sie das Kornfeuchteintervall, das sich unter Berücksichtigung der Messunsicherheit der Kapazitätsermittlung (M 3) ergibt. [8 BE]

[

;

] pF

[

;

] %

c)

Erklären Sie unter Verwendung des Materials 3, dass sich bei einer Vervielfachung der Fläche des Plattenkondensators mit dem Faktor $k$ die Steigung in der grafischen Darstellung (Abb. 3, M 3) mit dem Faktor $\frac{1}{k}$ verändert.

Erklären Sie damit, dass eine derartige Plattenvergrößerung keine Auswirkung auf das ermittelte Kornfeuchteintervall hat. Alle anderen Bedingungen sollen dabei gleich bleiben. [4 BE]

Material 2: Kornfeuchte

Als Kornfeuchte $F$ wird der prozentuale Anteil des Wassers bezeichnet, der sich in einem Getreidekorn befindet.

Bevor Getreide für längere Zeit gelagert wird, muss es ausreichend getrocknet sein, sodass die Kornfeuchte unter $14{,}5\,\%$ beträgt.

Bei nicht ausreichender Trocknung des Getreides können durch Schimmelbildung und Fäulnisprozesse schädliche Substanzen für Mensch und Tier entstehen. Die Trocknung kann hohe Energiekosten erzeugen.

Material 3: Anordnung zur kapazitiven Messung der Kornfeuchte

Die Kornfeuchte $F$ soll mithilfe einer Kondensatorentladung ermittelt werden.

Dazu wird ein dünnwandiges Kunststoffgefäß vollständig mit Getreide ausgefüllt. An zwei gegenüberliegenden Flächen sind außerhalb zwei Metallplatten $\text{P}_1$ und $\text{P}_2$ befestigt, wie in der Abbildung 2 gezeigt. Dieses System bildet einen Plattenkondensator.

Plattenfläche · $A = 8{,}0 \cdot 10^{-3}\text{ m}^2$

Plattenabstand · $d = 10\text{ mm}$

Der Plattenkondensator wird auf eine Spannung $U_0$ aufgeladen und dann über einen Widerstand $R = 10\text{ M}\Omega$ entladen. Die Entladezeit $t_\text{E}$ vom Beginn des Entladevorgangs bis zum Zeitpunkt, in dem am Plattenkondensator die Spannung $\frac{1}{3} U_0$ anliegt, ist ein Maß für die Kornfeuchte.

Bedienungsanleitung für die Befüllung der Messanordnung

Das Einfüllen der Getreidekörner in das dünnwandige Kunststoffgefäß zwischen den Platten des Plattenkondensators in Abbildung 2 muss stets in gleicher Weise erfolgen. Durch leichtes Klopfen des befüllten Gefäßes auf einer Unterlage verteilen sich die Körner gleichmäßiger und rutschen nach. Größere Lufteinschlüsse können so vermieden werden. Schließlich wird der durch das Nachfüllen von Getreidekörnern entstandene Berg am oberen Gefäßrand sauber abgestreift.

Zusammenhang zwischen Kornfeuchte und Kapazität

Der Zusammenhang zwischen der Kornfeuchte und der Kapazität des Plattenkondensators ist vereinfacht in Abbildung 3 dargestellt.

Bei einer ordnungsgemäßen Befüllung mit extrem trockenem Getreide beträgt die Dielektrizitätszahl $\varepsilon_\text{r} = 2{,}3$. Das Getreide besitzt in diesem Fall eine Kornfeuchte von $8\,\%$.

Mit extrem feuchtem Getreide ergibt sich eine Dielektrizitätszahl $\varepsilon_\text{r} = 10$ und die Kornfeuchte beträgt $40\,\%$.

Der Einfluss des Kunststoffs als Dielektrikum wird vernachlässigt.

Messunsicherheit

Vereinfachend soll für alle Kapazitätsermittlungen von einer relativen Messunsicherheit von $5\,\%$ ausgegangen werden. Dies bedeutet, dass die wahren Werte für die Kapazität um $5\,\%$ von den ermittelten Werten nach oben oder unten abweichen können.

Ein Landwirt besitzt einen großen Getreidespeicher. Der Speicher soll mit frischem Getreide gefüllt werden, das möglicherweise getrocknet werden muss. Beim Befüllen des Kunststoffgefäßes des kapazitiven Kornfeuchtemessgerätes weicht der Landwirt von der Bedienungsanleitung (M 3) ab, wodurch es

(1) in einem Fall zu einer zu starken Verdichtung des Getreides,

(2) in einem anderen Fall zu einer unvollständigen Getreidefüllung

im Zwischenraum des Plattenkondensators kommt.

a)

Erklären Sie unter Verwendung des Materials 3, dass sich im Fall (1) die Kapazität des Plattenkondensators vergrößert und im Fall (2) die Kapazität verkleinert. Formulieren Sie dazu unter Verwendung der Fachsprache kausal korrekt strukturiert eine Schrittfolge von Argumenten. [4 BE]

b)

Leiten Sie unter Verwendung der Materialien 2 und 3 für beide Fälle (1) und (2) jeweils einen Nachteil ab, der sich für den Landwirt ergeben könnte. [4 BE]