E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

Transkrypt

1 E1. OBWODY PRĄDU STŁEGO WYZNCZNIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁ tekst opracowała: Bożena Janowska-Dmoch Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych wywołany działaniem na nie pola elektrycznego, wytworzonego przez źródło prądu. W przypadku poruszających się ładunków pole elektryczne nie jest polem elektrostatycznym i nie znika wewnątrz przewodników. Obwód elektryczny składa się ze źródeł prądu oraz rozmaitych elementów takich jak oporniki, kondensatory, cewki itp., połączonych w zamkniętą pętlę przewodami, przez które prąd może płynąć bez przerwy. Obwody, w których wszystkie elementy spełniają prawo Ohma, nazywamy obwodami liniowymi, a gdy natężenie prądu płynącego w obwodzie ma stałą wartość w czasie, to obwód jest obwodem prądu stałego. Są dwa podstawowe sposoby łączenia ze sobą elementów obwodu: szeregowy i równoległy. Bardziej złożone obwody powstają z połączeń zarówno szeregowych, jak i równoległych. Napięcia na poszczególnych elementach obwodu, jak również natężenia prądów nawet w skomplikowanych obwodach szeregowo-równoległych można wyznaczać wykorzystując prawo Ohma i prawa Kirchhoffa. Cel Celem ćwiczenia jest: sporządzenie charakterystyk prądowo-napięciowych oporników; sprawdzenie prawa Ohma; wyznaczenie rezystancji (oporów) badanych oporników; weryfikacja eksperymentalna reguły obliczania oporu zastępczego dla połączeń szeregowego i równoległego uprzednio zmierzonych oporów; wyznaczenie siły elektromotorycznej baterii. Wymagania Prąd elektryczny: siła elektromotoryczna, potencjał, napięcie, natężenie, opór przewodników, opór wewnętrzny źródła prądu, praca i moc. Prawo Ohma i prawa Kirchhoffa. Szeregowe i równoległe łączenie oporów. Zasady podłączania amperomierza i woltomierza do obwodu. Metoda kompensacyjna wyznaczania SEM ogniwa. Literatura D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, tom II, PWN. E.M. Purcell, Elektryczność i magnetyzm, Kurs berkelejowski tom II,PWN. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, tom III, PWN. K. Zboiński, Laboratorium z fizyki, Liber.

2 2 Opis układu Obwód do badania charakterystyk prądowo-napięciowych oporników. Charakterystyką prądowo-napięciową nazywamy wykres zależności natężenia prądu płynącego przez opornik od napięcia na jego końcach. napięcia wyjściowego, woltomierza, amperomierza, płytki montażowej i badanego opornika. R schemat 1 Obwód do wyznaczania oporu zastępczego oporników połączonych szeregowo. napięcia wyjściowego, woltomierza, amperomierza, płytki montażowej i badanych oporników. R 1 R 2 schemat 2 Obwód do wyznaczania oporu zastępczego oporników połączonych równolegle. napięcia wyjściowego, woltomierza, amperomierza, płytki montażowej i badanych oporników. R 1 R 2 schemat 3 Obwód do wyznaczania SEM metodą kompensacyjną. Siłą elektromotoryczną ogniwa lub baterii ogniw, nazywamy różnicę potencjałów panującą na zaciskach ogniwa otwartego, przez które nie płynie prąd. Pomiaru SEM można dokonać metodą kompensacyjną, czyli równoważąc napięcie ogniwa zewnętrznym źródłem napięcia.

3 3 przyrządów: stabilizowanego zasilacza z regulacją napięcia wyjściowego, dzielnika napięcia, woltomierza, amperomierza, płytki montażowej, przełącznika, ogniwa Westona i badanej baterii. Przełącznik w pozycji W 1 U W Dzielnik U 1 napięcia U 2 U X schemat 4 Gdy przełącznik jest w pozycji W1 (wtyczka bananowa na prawo), a na dzielniku napięcia jest ustawiona taka wartość N 1, że amperomierz wskazuje zero, czyli w zamkniętej części obwodu nie płynie prąd, to oznacza, że napięcie wyjściowe dzielnika jest równe sile elektromotorycznej wzorcowego ogniwa Westona, którego siła elektromotoryczna jest stała i równa SEM Westona = 1,018 3 SEM U U N. Westona nalogicznie, gdy przełącznik jest w położeniu W2 (wtyczka bananowa na lewo), a na dzielniku napięcia jest ustawiona taka wartość N 2, dla której amperomierz ponownie wskazuje zero, to oznacza, że napięcie wyjściowe dzielnika jest teraz równe sile elektromotorycznej badanego źródła. SEM U. x 3 2 U1 N2 10 Eliminując z obu równań napięcie wejściowe zasilacza U 1 otrzymamy wyrażenie na siłę elektromotoryczną badanego źródła: N 2 SEM x SEM Westona. N Wykonanie ćwiczenia Wyniki wszystkich pomiarów muszą być zapisane w sprawozdaniu, opatrzone odpowiednimi jednostkami i podpisane przez asystenta. Badanie charakterystyk prądowo-napięciowych oporników. schematu 1. Do obwodu włączamy woltomierz o zakresie 40 i multimetr ustawiony na zakres 20m oraz jeden z badanych oporników R i. Uwaga: gdy natężenie prądu jest już bliskie 20 m należy zmienić zakres miernika na większy. Jednocześnie zmienia się dokładność pomiarów. 1

4 4 b) Po sprawdzeniu obwodu przez asystenta i włączeniu zasilania zmieniamy napięcie zasilania w zakresie 0 20 co 1 i zapisujemy wskazania woltomierza i miliamperomierza. Propozycja zapisu wyników: Napięcie na oporniku R Natężenie prądu [jednostka] [jednostka] U =... I =... c) nalogiczne pomiary wykonujemy dla drugiego opornika R j i żarówki. Wyznaczanie oporu zastępczego oporników połączonych szeregowo i równolegle schematu 2. Do obwodu włączamy woltomierz o zakresie 40, multimetr ustawiony na zakres 20m oraz oporniki R i i R j. b) Po sprawdzeniu obwodu przez asystenta i włączeniu zasilania zmieniamy napięcie zasilania w zakresie 0 20 co 1 i zapisujemy wskazania woltomierza i miliamperomierza. c) nalogiczne pomiary przeprowadzamy dla obwodu połączonego według schematu 3. Wyznaczanie SEM metodą kompensacyjną schematu 4. Do obwodu włączamy woltomierz o zakresie 40, dzielnik napięcia, miernik uniwersalny ustawiony na zakres miliamperomierza 20m. Na dzielniku napięcia ustawiamy N = 200. Badane źródło prądu łączymy tak, aby dodatnie bieguny ogniw były na płytce połączone z dodatnim biegunem zasilania. b) Po sprawdzeniu obwodu przez asystenta i włączeniu zasilania ustawiamy napięcie zasilania na 2, ustawiamy przełącznik w pozycji W 1 i zmieniamy ustawienie dzielnika napięcia aż do całkowitego zaniku prądu w obwodzie, czyli do uzyskania zera nawet po przełączeniu miernika na zakres 200. Zapisujemy ustawienie dzielnika N 1 i przedział nastawów dzielnika N 1, dla których natężenie prądu jest niezmiennie równe zero. Następnie ustawiamy przełącznik w pozycji W 2 i zmieniamy ustawienie dzielnika napięcia aż do całkowitego zaniku prądu w obwodzie. Zapisujemy ustawienie dzielnika N 2 i przedział nastawów N 2. c) Pomiary powtarzamy zmieniając napięcie zasilania w zakresie 2 10 co 1. Propozycja zapisu wyników: Napięcie N 1 N 2 [jednostka] U =... N 1 =... N 2 =...

5 5 Opracowanie wyników Dla każdego z badanych układów oporników: a) Sporządzamy wykresy zależności natężeń prądu płynącego przez dany układ w funkcji napięcia na jego końcach. W kilku punktach każdego z wykresów zaznaczamy błędy I i U. Dla oporników R i i R j oraz oporów zastępczych: a) Wyznaczamy metodą najmniejszych kwadratów (regresji liniowej) współczynniki prostych najlepiej dopasowanych do punktów pomiarowych tak, aby współczynnik B = 0 (ponieważ przy zerowym napięciu prą również wynosi zero). Nanosimy te proste na wykres. Wyznaczamy również błędy. b) Ze współczynników nachylenia obliczamy wartości rezystancji (oporu) oporników R i, R j i rezystancji zastępczej oporników połączonych szeregowo i równolegle. c) Błąd R wyznaczamy metodą propagacji niepewności pomiarowych. d) Weryfikujemy znane reguły obliczania oporu zastępczego dla połączenia szeregowego i równoległego oporników podstawiając wyznaczone wartości oporów R i i R j. Dla żarówki: a) Obliczamy opór R dla kolejnych wartości napięcia i natężenia prądu. Błąd R wyznaczamy metodą propagacji niepewności pomiarowych. b) Obliczamy moc P dla kolejnych wartości napięcia i natężenia prądu. Błąd P wyznaczamy metodą propagacji niepewności pomiarowych. b) Na papierze milimetrowym wykreślamy zależność oporu od wydzielonej na nim mocy i zaznaczamy błędy pomiarów. (Wykresy można sporządzić wykorzystując programy komputerowe). Wyznaczanie SEM metodą kompensacyjną: a) Dla każdej wartości napięcia zasilania obliczamy wartości siły elektromotorycznej badanego źródła. b) Błąd wyznaczenia nieznanej siły elektromotorycznej wyznaczamy metodą propagacji niepewności pomiarowych, przyjmując wartość SEM Westona jako stałą nie obarczoną błędem. c) Wyznaczamy wartość średnią siły elektromotorycznej źródła. We wnioskach spróbujmy ocenić czy wszystkie badane oporniki są opornikami omowymi; czemu charakterystyka żarówki nie jest liniowa i o czym świadczy wykres R(P); czy pomiary potwierdzają regułę obliczania oporu zastępczego dla połączenia szeregowego i równoległego oporników; dla jakiego zakresu napięcia zasilającego pomiar SEM jest najdokładniejszy.