Ćwiczenie nr 3 Sprawdzenie prawa Ohma.

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 3 Sprawdzenie prawa Ohma. 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest praktyczne wykazanie i potwierdzenie słuszności zależności określonych prawem Ohma. Zastosowanie prawa Ohma dla zmierzenia oporności amperomierza i woltomierza. 2. Dane znamionowe Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia zapoznać się i odnotować w protokole dane znamionowe i zakresy pomiarowe przyrządów i sprzętu pomiarowego 3. Zagadnienia wprowadzające W oparciu o szereg doświadczeń Simon Ohm stwierdził, że jeżeli do odcinka obwodu (przewodnika) doprowadzić różne napięcia to w tym odcinku popłyną prądy o różnym natężeniu. Stwierdził ponadto, że ze zmianą doprowadzonego napięcia, prąd zmienia się proporcjonalnie do tego napięcia. Zależność ta wyraża się wzorem: U I = lub U = I R R Zależność ta nazywa się prawem Ohma. Przekształcając jeden ze wzorów otrzymamy: U R = I Jest to opór elektryczny (inaczej zwany rezystancją). Jednostka rezystancji jest wolt przez amper, który na cześć fizyka Ohma nazywamy omem i oznaczamy przez Ω. Om jest oporem elektrycznym, istniejącym miedzy dwoma punktami (przekrojami) przewodu, gdy niezmienne napięcie jednego wolta, działając miedzy tymi dwoma punktami, wywołuje w tym przewodzie prąd jednego ampera, a przewód nie jest źródłem siły elektromotorycznej. W praktyce, często spotyka się jednostki będące wielokrotnościami oma. 1 kiloom = 1kΩ = 1000Ω = 10 3 Ω 1 megaom = 1MΩ = Ω = 10 6 Ω Prawo Ohma ujmuje więc matematyczną formę zależności miedzy napięciem, prądem i rezystancją obwodu. Jeżeli zatem rezystancja jest stała (nie zależy od napięcia ani prądu), to wykresem funkcji I = f(u) będzie prosta. Rezystancja ta zwana jest elementem liniowym obwodu elektrycznego. Jeżeli natomiast zmiana wartości prądu lub napięcia powoduje zmianę rezystancji, wówczas rezystancja taka nazywana jest elementem nieliniowym. Zależność miedzy prądem a napięciem jest linią krzywą. Rezystancję nieliniową oblicza się wówczas z zależności stosunku przyrostu napięcia ( U) i prądu ( I) : U R = I Przykładem elementu liniowego może być rezystor dekadowy włączony w obwód prądu stałego, przy czym prąd nie przekracza w obwodzie wartości znamionowej. Przykładem elementu nieliniowego może być włókno żarówki. Zmiana napięcia zasilającego żarówkę wywołuje wzrost prądu płynącego przez włókno a tym samym zwiększenie się temperatury pracy włókna. Z elektrotechniki wiadomo, ze rezystancja drutu oporowego w granicach

2 od 0 do 100 ο C zmienia się wprost proporcjonalnie liniowo, natomiast dla wyższych temperatur nieliniowo. Rzeczywiste urządzenia elektryczne nie podlegają zasadzie prawu liniowości. Jednakże w pewnych granicach minimalnych zmian rezystancje można mówić, ze mamy do czynienia z elementem liniowym obwodu. a) b) U R = = const I U R = I Rys.1. Zależność liniowa (a) i nieliniowa (b) prądu od napięcia. 4. Wyznaczenie zależności natężenia prądu od napięcia dla elementu liniowego Wyznaczenie zależności natężenia prądu od napięcia przy zachowaniu stałej wartości rezystancji R, czyli I = f(u) przy R=constans. Rezystor R d jest regulowanym (dekadowym), ponieważ do pomiarów potrzeba użyć kilku wartości rezystancji. Zamontować układ pomiarowy jak na rys.2. Rys.2. Schemat układu pomiarowego. Pomiar przeprowadzić dla R równym 200Ω, 400Ω, 600Ω. Dla każdej rezystancji wykonać po pięć pomiarów. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 1.

3 Tabela 1 R zn [Ω] Lp Uwagi U [V] R obl [Ω] R [Ω] δr [%] gdzie: R obl rezystancja obliczona z prawa Ohma (ze wskazania amperomierza i woltomierza) Błąd bezwzględny pomiaru rezystancji obliczamy ze wzoru: R = R zn R obl [Ω] Według danych z tabeli 1 wykonać wykresy zależności I = f(u) przy R=const. na papierze milimetrowym. Wyznaczenie zależności natężenia prądu od wartości rezystancji przy stałym napięciu na zaciskach rezystora R. Pomiary przeprowadzić dla rezystancji równej Ω oraz dla napięcia U = 1V i U = 2V. Do pomiarów użyć schematu z punktu poprzedniego. Wartość rezystancji regulować rezystorem R d. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 2.

4 Tabela 2 R [Ω] Uwagi U=2V U = 1V R obl [Ω] R [Ω] δr [%] Dane z tabeli 2 przedstawić jako charakterystyki I=f(R) na wykresie, na papierze milimetrowym. Wyznaczenie charakterystyki żarówki. Rys.3. Schemat układu pomiarowego.

5 Pomiary należy przeprowadzać dla napięć w zakresie od 0V do wartości napięcia nominalnego U n użytej żarówki (około 10 pomiarów). Wartość napięcia ustawiać przy pomocy rezystora R. Dla każdej wartości napięcia należy odczytać natężenie płynącego prądu. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 3 (przykład dla żarówki o U n =12V). Tabela 3 U [V] Dane z tabeli przedstawić jako charakterystykę na wykresie na papierze milimetrowym. 5. Literatura Bolkowski S. Podstawy elektrotechniki WSiP Warszawa Kacejko L. Pracownia elektryczna PWSZ Warszawa Koziej E. Soboń B. Elektrotechnika i elektronika PWN Warszawa Pilawski M. Pracownia elektryczna WSiP Warszawa Zagadnienia sprawdzające Omówić budowę i zasadę działania potencjometrów. Opisać budowę i zasadę działania urządzeń nastawczych prądu. Opisać budowę i zasadę działania przyrządów magnetoelektrycznych. Czy przyrządy magnetoelektryczne są jedynym typem przyrządów przeznaczonych do pomiarów napięć i prądów stałych? Omówić błędy występujące przy pomiarach napięć i prądów za pomocą elektrycznych przyrządów wskazówkowych. Podać przykłady obwodów elektrycznych, w których wartość prądu powinna być maksymalna. Uzasadnić, dlaczego opornik suwakowy o większej rezystancji służy do precyzyjnego nastawiania a opornik o małej rezystancji do zgrubnego nastawiania prądu?

6 Powiedzieć, czy woltomierze elektromagnetyczne i elektrodynamiczne reagują na napięcie stałe? Wyjaśnić, dlaczego przyrządy magnetoelektryczne prostownikowe wskazują prawidłowo wartość skuteczną tylko przebiegów sinusoidalnych? Podać definicję wartości średniej i wartości skutecznej przebiegu okresowego przemiennego? Wykreślić charakterystykę zależności natężenia prądu od wartości rezystancji i omówić jej przebieg. Narysować charakterystykę żarówki i omówić jej przebieg.