Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej z wykorzystaniem zestawu SONDa

Transkrypt

1 Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej z wykorzystaniem zestawu SONDa Celem doświadczenia jest wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych oraz zależności oporu elektrycznego opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej od przyłożonego napięcia elektrycznego. 1. Wprowadzenie teoretyczne Wartość natężenia prądu elektrycznego płynącego przez odbiornik zależy od napięcia elektrycznego pomiędzy jego końcami i zazwyczaj rośnie wraz z przyłożonym do niego napięciem elektrycznym. Jeżeli wartość natężenia prądu elektrycznego jest wprost proporcjonalna do przyłożonego napięcia elektrycznego: to mówimy, że odbiornik spełnia prawo Ohma. Prawidłowość tą odkrył w 1826r. fizyk niemiecki Georg Simon Ohm. Tę stałą wartość stosunku przyłożonego napięcia elektrycznego do natężenia prądu płynącego przez odbiornik nazywa się oporem elektrycznym (rezystancją). Jednostką oporu elektrycznego jest 1 Ω (om). Przebieg zależności natężenia prądu płynącego przez odbiornik od napięcia elektrycznego do niego przyłożonego, jest nazywana charakterystyką prądowo napięciową. Jej znajomość jest bardzo istotna, gdyż określa własności tego elementu oraz pozwala przewidzieć funkcje jakie może on pełnić w obwodach elektrycznych. Jeżeli odbiornik spełnia prawo Ohma, to jego charakterystyki prądowo napięciowe (w układzie ) są liniami prostymi o różnych kątach nachyleniach względem osi U. Okazało się, że opór przewodników metalicznych jest stały tylko wtedy, gdy ich temperatura jest stała albo zmienia się ona bardzo nieznacznie Jeżeli zmiana temperatury przewodnika metalicznego, przez który płynie prąd elektryczny jest znaczne, to wartość ich oporu elektrycznego zazwyczaj roście. Wraz ze wzrostem temperatury przewodnika, zwiększa się liczba zderzeń między elektronami swobodnymi i drgającymi coraz intensywniej (na skutek wzrostu temperatury) jonami sieci krystalicznej danego metalu. Zaburza to ruch elektronów swobodnych wzdłuż odbiornika prądu, czyli przepływ prądu elektrycznego, wskutek czego rośnie wartość oporu elektrycznego odbiornika. Zależność oporu przewodnika metalicznego od temperatury przedstawia równanie: gdzie: jeśli: - oznacza wartość oporu elektrycznego odbiornika w temperaturze - jest tzw. temperaturowym współczynnikiem oporu elektrycznego, - różnica temperatur pomiędzy temperaturą odbiornika, a temperaturą równą., to opór elektryczny nie ulega zmianie; odbiornik spełnia prawo Ohma,, to opór elektryczny rośnie wraz ze wzrostem temperatury,, to opór elektryczny maleje wraz ze wzrostem temperatury, Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej Strona 1

2 2. Przebieg doświadczenia 1. Podłącz laptop za pomocą zasilacza z siecią. 2. Włącz laptop. 3. Otwórz "walizkę" zawierającą zestaw pomiarowy oraz elementy obwodów elektrycznych. 4. Połącz - za pomocą kabla USB - zestaw pomiarowy z laptopem. 5. Podłącz zestaw pomiarowy za pomocą kabla z siecią elektryczną. 6. Przełącz przycisk - z boku obudowy zestawu pomiarowego - z na. 7. Kliknij dwukrotnie (LPM) ikonę "SONDa - Fizyka jest ciekawa" na pulpicie laptopa. 8. Podczas uruchamiania się programu możesz - aby przyspieszyć jego start - kliknąć napis "pomiń INTRO". 9. Kliknij zakładkę "Fizyka Elektryczność i magnetyzm 1". 10. Wyszukaj i kliknij tytuł ćwiczenia "Wyznaczanie oporu elektrycznego opornika i żarówki". 11. Postępując zgodnie z krokami przedstawionymi w opisie doświadczenia, zbuduj obwód elektryczny przedstawiony na poniższym schemacie. 12. Jako opornika użyj elementu oznaczonego symbolem R3 (o oporze 100 Ω). Zestaw pomiarowy montujemy np. według poniższego rysunku. W jednej z kolejnych odsłon omawianego doświadczenia można odtworzyć animację przedstawiającą konstrukcję tego obwodu elektrycznego. Uwaga: Wykorzystując opornik R3 100Ω/5W, jako modułu pomiarowego do pomiaru natężenia prądu korzystamy z gniazda 200 ma (kabel czerwony) i COM (kabel czarny), a dla woltomierza z gniazd COM (kabel czarny) i 20V (kabel czerwony). Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej Strona 2

3 Dioda półprzewodnikowa 12V/0,6 W 12V/5 W Opornik R3 13. W sytuacji wyjściowej, wartość napięcia zasilającego powinna wynosić 0 V, natomiast przycisk na wyłączniku (kluczu) powinien być ustawiony na. 14. Przełączamy przycisk na wyłączniku (kluczu) na. Ustawiamy wartość napięcia elektrycznego za pomocą przycisków,, umożliwiających zmianę wartości napięcia elektrycznego o. Nie należy przekraczać wartości napięcia elektrycznego równej 12 V! 15. Naciskając przycisk "POMIAR" otrzymujemy (na stronie przedstawiającej zestawienie mierzonych wartości i ich położenie na wykresie) wartość pomiaru i jego interpretację na odpowiednim wykresie. 16. Należy wykonać około pomiarów dla badanego elementu (opornika lub żarówki). 17. Wyniki pomiarów należy zapisać w tabeli przedstawionej poniżej. i =1 i =2 i =3 i =4 i =5 i =6 i =7 i =8 i =9 i =10 i =11 i =12 i =13 i =14 i = Po wykonaniu serii pomiarów i ich zapisania w tabeli, wykasuj dane z tabeli (widocznej na ekranie laptopa) poprzez kliknięcie znaku w nagłówku kolumn dla miernika Przesuń wyłącznik (klucz) z położenia z na. 20. Zmniejsz wartość napięcia zasilającego do zera. 21. Zmień badany element obwodu elektrycznego na żarówkę 12 V/5 W, konstruując obwód pokazany na poniższym schemacie: Zamień opornik R3 na badaną żarówkę! 22. Powtórz czynności wykonane w punktach. 23. Zmień badany element obwodu elektrycznego na żarówkę 12V/0,6 W. 24. Powtórz czynności wykonane w punktach. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej Strona 3

4 25. Zmień żarówkę na diodę półprzewodnikową, tworząc obwód pokazany na poniższym schemacie: 26. Zmieniając napięcie elektryczne o, dokonaj pomiaru natężenia prądu. Podczas pomiarów nie należy przekraczać wartości napięcia elektrycznego równej 1 (jeden) V, gdyż skok natężenia prądu będzie tak duży, że nie można będzie go przedstawić na wykresei. Oznacza to, że wykonanych zostanie mniej pomiarów niż w przypadku opornika i żarówek. 3. Opracowanie wyników doświadczenia 1. Na jednym układzie współrzędnych (na papierze milimetrowym lub wykorzystując arkusz kalkulacyjny) narysuj przebieg zależności dla badanego opornika, obu żarówek i diody półprzewodnikowej. Zaznacz na wykresie prostokąty niepewności pomiarowych. Przyjmij, że: - maksymalna wartość niepewności bezwzględnej pomiaru dla wybranego zakresu pomiarowego na mierniku, wyrażona jako procent maksymalnej wartości użytego zakresu, - dodatkowa niepewność pomiaru określana jako liczba najmniej znaczących cyfr na użytym zakresie miernika. To znaczy, jeżeli na przykład zmierzono: (na zakresie 20 V) i (na zakresie 200 ma), to: 2. Dla którego z badanych elementów można przyjąć, że spełniał on prawo Ohma? (uzasadnij swoją odpowiedź!). 3. Oblicz wartość oporu elektrycznego, dla każdego z badanych elementów obwodu dla danego napięcia zasilającego i odpowiadającego temu natężenia prądu elektrycznego przez niego płynącego. Narysuj zależność (na jednym układzie współrzędnych) oporu elektrycznego badanych elementów od przyłożonego napięcia elektrycznego. Zaznacz na wykresie prostokąty niepewności pomiarowych. Pokaż wartości dla każdego z pomiarów. Dla, którego z użytych odbiorników prądu (opornika, żarówek) wartość oporu elektrycznego jest stała, rosnąca bądź malejąca? 4. *Jeżeli potrafisz, to oszacuj wartość współczynnika temperaturowego oporu elektrycznego badanego opornika i użytych żarówek. Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej Strona 4

5 Zadania dodatkowe. 1. W przypadku charakterystyk prądowo-napięciowych odbiorników przedstawionych na poniższym wykresie, rozstrzygnij (krótko uzasadniając swój wybór), które z poniższych zdań jest prawdziwe, a które nie [2 pkt] : I A. przewodnik 1 nie spełnia prawa Ohma, gdyż wartość jego oporu elektrycznego wzrasta ze wzrostem przyłożonego napięcia elektrycznego, 0 U 4 B. przewodnik 4 nie spełnia prawa Ohma, gdyż wartość jego oporu elektrycznego jest odwrotnie proporcjonalna do przyłożonego napięcia elektrycznego. C. przewodnik 2 nie spełnia prawa Ohma, gdyż wartość jego oporu elektrycznego maleje ze wzrostem przyłożonego napięcia elektrycznego, D. przewodnik 3 spełnia prawo Ohma, gdyż wartość jego oporu elektrycznego jest stała. 2. Na podstawie poniższego wykresu oblicz wartości współczynników temperaturowych oporu elektrycznego dla każdego z przedstawionych przypadków. [3 pkt] Po rozgrzaniu spirali grzejnika elektrycznego, wartość jego oporu elektrycznego wzrosła o w porównaniu z wartością tego oporu w temperaturze. Wiedząc, że współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego materiału spirali wynosił, oblicz wartość temperatury rozgrzanej spirali. [2 pkt] 4. W temperaturze pokojowej ( ) wartość oporu elektrycznego pewnego przewodnika wynosi 5 omów. Wzrostowi temperatury o każde odpowiada wzrost jego oporu elektrycznego o 0,39 promila. a. Oblicz wartość temperaturowego współczynnika oporu elektrycznego. [2 pkt] b. Napisz zależność wartości oporu elektrycznego od temperatury. [1 pkt] c. Na podstawie tej zależności oblicz wartości oporu w temperaturze i. [1 pkt] 5. Dwa identyczne przewodniki, o różnych temperaturach początkowych zaczęto ogrzewać uzyskując każdorazowo wzrost wartości ich oporu elektrycznego o. Oblicz wartość różnicy temperatur początkowych tych przewodników, jeżeli pierwszy z nich ogrzano, a drugi o. [5 pkt] Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej Strona 5

6 Dioda półprzewodnikowa 12V/0,6 W 12V/5 W Opornik R3 Tabela. Pomiary napięcia elektrycznego i natężenia prądu dla badanych elementów obwodu i =1 i =2 i =3 i =4 i =5 i =6 i =7 i =8 i =9 i =10 i =11 i =12 i =13 i =14 i =15 Badanie charakterystyki prądowo-napięciowej opornika, żarówki i diody półprzewodnikowej Strona 6