Przestrzenne układy oporników



Podobne dokumenty
Ile wynosi całkowite natężenie prądu i całkowita oporność przy połączeniu równoległym?

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

KGGiBM GRAFIKA INŻYNIERSKA Rok III, sem. VI, sem IV SN WILiŚ Rok akademicki 2011/2012

MATEMATYKA DLA CIEKAWSKICH. Dowodzenie twierdzeń przy pomocy kartki. Część I

STAŁY PRĄD ELEKTRYCZNY

Podstawy elektrotechniki

MATEMATYKA DLA CIEKAWSKICH

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

2 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Krzywa uniwersalna Sierpińskiego

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI

Test powtórzeniowy. Prąd elektryczny

GEOPLAN Z SIATKĄ TRÓJKĄTNĄ

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

Matematyka A kolokwium 26 kwietnia 2017 r., godz. 18:05 20:00. i = = i. +i sin ) = 1024(cos 5π+i sin 5π) =

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE VIII

Grupa: Zespół: wykonał: 1 Mariusz Kozakowski Data: 3/11/ B. Podpis prowadzącego:

WYMAGANIA EDUKACYJNE NA POSZCZEGÓLNE OCENY MATEMATYKA KLASA 8 DZIAŁ 1. LICZBY I DZIAŁANIA

Test powtórzeniowy Prąd elektryczny

LI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

Lekcja 5. Temat: Prawo Ohma dla części i całego obwodu

Rysowanie precyzyjne. Polecenie:

Zad.3. Jakub Trojgo i Jakub Wieczorek. 14 grudnia 2013

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

WYMAGANIA EDUKACYJNE NIEZBĘDNE DO UZYSKANIA ŚRÓDROCZNYCH I ROCZNYCH OCEN KLASYFIKACYJNYCH Z MATEMATYKI W KLASIE III GIMNAZJUM

Laboratorium Metrologii

1.2. Ostrosłupy. W tym temacie dowiesz się: jak obliczać długości odcinków zawartych w ostrosłupach, jakie są charakterystyczne kąty w ostrosłupach.

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

Przykłady zadań. Gimnazjum im. Jana Pawła II w Sułowie

XL OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP I Zadania doświadczalne

Łożysko z pochyleniami

Materiały pomocnicze z programu AutoCAD 2014.

Ćwiczenie 15 Temat: Zasada superpozycji, twierdzenia Thevenina i Nortona Cel ćwiczenia

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Ćwiczenie nr 254. Badanie ładowania i rozładowywania kondensatora. Ustawiony prąd ładowania I [ ma ]: t ł [ s ] U ł [ V ] t r [ s ] U r [ V ] ln(u r )

XXIX OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

Badanie transformatora

STEREOMETRIA CZYLI GEOMETRIA W 3 WYMIARACH

3g 26 września, praca domowa

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

RZUT CECHOWANY DACHY, NASYPY, WYKOPY

ZBIÓR ZADAŃ Z MATEMATYKI DLA KLASY II GIMNAZJUM W ZAKRESIE WYMAGAŃ KONIECZNYCH I PODSTAWOWYCH

Badanie rozkładu pola elektrycznego

Co było na ostatnim wykładzie?

Wymagania na poszczególne oceny szkolne Klasa 8

podstawowe (ocena dostateczna) rozszerzające (ocena dobra) wyrażenia tekstowe dotyczące kwadratowych

PLANIMETRIA CZYLI GEOMETRIA PŁASZCZYZNY CZ. 1

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Elementy elektroniczne i przyrządy pomiarowe

Definicja obrotu: Definicja elementów obrotu:

Co należy zauważyć Rzuty punktu leżą na jednej prostej do osi rzutów x 12, którą nazywamy prostą odnoszącą Wysokość punktu jest odległością rzutu

WYMAGANIE EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE II GIMNAZJUM. dopuszczającą dostateczną dobrą bardzo dobrą celującą

PRÓBNY EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI poziom rozszerzony

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

konieczne (ocena dopuszczająca) Temat podstawowe (ocena dostateczna) wykraczające (ocena celująca) DZIAŁ 1. PIERWIASTKI

Powtórzenie wiadomości z klasy II. Przepływ prądu elektrycznego. Obliczenia.

Instrukcja właściwego wykonania wykresów na zajęcia dydaktyczne.

I. Liczby i działania

Wyznaczanie wielkości oporu elektrycznego różnymi metodami

Wymagania edukacyjne niezbędne do otrzymania poszczególnych śródrocznych i rocznych ocen klasyfikacyjnych z matematyki dla klasy VIII

Zadanie 21. Stok narciarski

= sin. = 2Rsin. R = E m. = sin

Zestaw powtórzeniowy nr 16

FIGURY I PRZEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 7 TEMPERATURA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI 1

Ryszard Kostecki. Wyznaczanie oporu grupy oporników

Schematy Piramid Logicznych

Wymagania edukacyjne z matematyki w klasie VIII

TWIERDZENIE TALESA W PRZESTRZENI

Ćwiczenie nr 10. Pomiar rezystancji metodą techniczną. Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z różnymi metodami pomiaru rezystancji.

Badanie rozkładu pola elektrycznego

6. Notacja wykładnicza stosuje notację wykładniczą do przedstawiania bardzo dużych liczb

Metoda superpozycji - rozwiązanie obwodu elektrycznego.

Co się stanie, gdy połączymy szeregowo dwie żarówki?

Badanie rozkładu pola magnetycznego przewodników z prądem

Pomiar charakterystyk statycznych tranzystora JFET oraz badanie własności sterowanego dzielnika napięcia.

FUNKCJA POTĘGOWA, WYKŁADNICZA I LOGARYTMICZNA

Rozwiązywanie zależności rekurencyjnych metodą równania charakterystycznego

Układ scalony UL 1111

Ćw. 8 Weryfikacja praw Kirchhoffa

Ć w i c z e n i e 1 POMIARY W OBWODACH PRĄDU STAŁEGO

1. A 2. A 3. B 4. B 5. C 6. B 7. B 8. D 9. A 10. D 11. C 12. D 13. B 14. D 15. C 16. C 17. C 18. B 19. D 20. C 21. C 22. D 23. D 24. A 25.

r., godz Czas trwania 60 minut. Przepisz tutaj Twój kod

Rozdział 1. Prędkość i przyspieszenie... 5 Rozdział 2. Składanie ruchów Rozdział 3. Modelowanie zjawisk fizycznych...43 Numeryczne całkowanie,

Prawa Kirchhoffa. I k =0. u k =0. Suma algebraiczna natężeń prądów dopływających(+) do danego węzła i odpływających(-) z danego węzła jest równa 0.

Wymagania edukacyjne z matematyki dla klasy VIII. rok szkolny 2018/2019

PODSTAWY METROLOGII ĆWICZENIE 2 REZYSTANCJA WEWNĘTRZNA Międzywydziałowa Szkoła Inżynierii Biomedycznej 2009/2010 SEMESTR 3

CZWÓRNIKI KLASYFIKACJA CZWÓRNIKÓW.

Funkcje wymierne. Funkcja homograficzna. Równania i nierówności wymierne.

SZKOŁA PODSTAWOWA NR 1 IM. ŚW. JANA KANTEGO W ŻOŁYNI. Wymagania na poszczególne oceny klasa VIII Matematyka z kluczem

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej wybranych elementów 1

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Instrukcja budowy dyfuzora ceramicznego w kotle KF25.

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

XLVI OLIMPIADA FIZYCZNA (1996/1997). Stopień III, zadanie doświadczalne D

Geometria. Hiperbola

Transkrypt:

Przestrzenne układy oporników

Bartosz Marchlewicz Tomasz Sokołowski Mateusz Zych Pod opieką prof. dr. hab. Janusza Kempy Liceum Ogólnokształcące im. marsz. S. Małachowskiego w Płocku 2

Wstęp Do podjęcia problematyki złożonych układów oporników zainspirowało nas zadanie, które wielokrotnie pojawiało się na konkursach fizycznych: Rozważmy nieskończoną sieć oporników w kształcie kratki. Każdemu węzłowi tej sieci przyporządkujemy parę liczb całkowitych (k,l) i podłączamy ją do źródła napięcia w punktach (0,0) i (1,0). Wyznaczyć opór zastępczy układu. Zadanie to daje się stosunkowo łatwo rozwiązać, stosując zasadę superpozycji natężeń prądu. Przyjmujemy, że prąd, który wpływa do węzła (0,0) rozpływa się po równo na cztery gałęzie wychodzące z tego węzła (wynika to z symetrii siatki). Analogicznie rozważamy prąd wypływający z węzła (1,0). Spływa on po równo z czterech gałęzi. Aby otrzymać natężenie prądu przepływającego między tymi węzłami nakładamy na siebie omawiane sytuacje. Otrzymujemy: Po skorzystaniu z prawa Ohma: gdzie jest oporem pojedynczego rezystora. Postanowiliśmy zbudować taki układ i wykonać pomiary, aby sprawdzić jak duża musi być siatka, aby można było traktować ją jako nieskończoną. Posiadając już taką siatkę staraliśmy się opisać jak prąd zachowuje się wewnątrz takiego układu oporników. Budowa siatki Skonstruowaliśmy kilka siatek różnych rozmiarów. Zależało nam, aby wszystkie one miały taką samą symetrię. Uznaliśmy, że najlepiej, aby jeden opornik środkowy otoczony był symetrycznie z każdej strony taką samą ilością oporników (znajdował się w równej odległości w linii prostej od każdej z krawędzi). We wszystkich siatkach używaliśmy rezystorów o oporze. Oporniki łączyliśmy ze sobą używając cyny lutowniczej. Siatka 5x4 Siatka 11x10 3

Pomiary między sąsiednimi węzłami siatki Zależność oporu zastępczego od rozmiaru siatki przedstawia tabela: Rozmiar siatki 3x2 5x4 11x10 Opór[kΩ] A oto zaproponowana przez nas zależność wykładnicza oporu siatki od ilości oporników: Jak widać, wraz ze wzrostem rozmiaru siatki (całkowitej liczby oporników) opór zastępczy układu maleje zbiegając do. 4

Dla największej z siatek (n=241) postanowiliśmy dokonać bardziej szczegółowych pomiarów, aby sprawdzić, jak zachowuje się prąd płynący przez nią. Poniższy rysunek przedstawia rozkład napięć i kierunki prądów na poszczególnych opornikach: 5

Okazuje się, że kierunki przepływu prądu układają się w charakterystyczne pierścienie, co doskonale widać na kolejnym rysunku: Warto ponadto zauważyć, że górna i dolna połówka siatki są swoimi lustrzanymi odbiciami. Charakterystyczne są również linie ukośne wzdłuż których układają się powtarzające się schematy przepływu (zaznaczone okręgami). Oczywiście bliżej krawędzi siatki pojawiają się efekty brzegowe, które je zaburzają. 6

Pomiary między węzłami siatki oddalonymi od siebie o dwie jednostki Zależność oporu zastępczego od rozmiaru siatki przedstawia tabela: Rozmiar siatki 5x4 11x10 Opór[kΩ] Tutaj również pomiary zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi Wraz ze wzrostem rozmiaru siatki (całkowitej liczby oporników) opór zastępczy układu maleje zbiegając do *. Dla układu 11x10 (n=241) opór oczekiwany * wynosi kω. A oto rozkład napięć i kierunków prądu: * Andrzej Komisarski - Jaki jest opór na zaciskach opornika nieskończonej kratownicy o bokach złożonych z oporników R 7

Tu również widzimy charakterystyczne pierścienie: oraz powtarzające się układy, leżące na liniach ukośnych, jednak o innym nachyleniu niż w przypadku wcześniejszego układu (por. rysunek dla prądu przyłożonego do sąsiednich węzłów): 8

Warto zauważyć, że wzdłuż linii zacieniowanej na zielono, płynący prąd jest bardzo niewielki (napięcia na tych opornikach są minimalne - rzędu kilku miliwoltów). Dodatkowo, po lewej stronie od tej linii prądy w pionowych opornikach spływają do niebieskiej osi, natomiast po prawej stronie wypływają z niebieskiej osi. Co ciekawe, oś zieloną można wytyczyć również w układzie, gdzie napięcia zostały przyłożone do sąsiednich węzłów. W tej sytuacji linia ta będzie przebiegała pomiędzy tymi węzłami (patrz: rysunek dla prądu przyłożonego do sąsiednich węzłów). Pomiar oporu po przekątnej siatki Rozmiar siatki 3x2 5x4 11x10 Opór[kΩ] Pomiar oporu między dwoma najbardziej oddalonymi punktami siatki zgodnie z przewidywaniami rośnie wraz ze wzrostem rozmiaru siatki. Oto nasza propozycja zależności logarytmicznej między liczbą oporników w siatce (n), a oporem całej siatki: Siatki przestrzenne Zainspirowani wynikami dotyczącymi płaskiej siatki postanowiliśmy przenieść doświadczenie w trzy wymiary. W tym celu zbudowaliśmy takie oto układy: kostka 3x2x2 kostka 5x4x4 9

Pomiar oporu między sąsiednimi węzłami kostki Wspomnianą wcześniej zasadę superpozycji natężeń można zastosować również dla układów trójwymiarowych. Zauważając, że do jednego węzła prąd spływa symetrycznie sześcioma gałęziami, a z drugiego wypływa również sześcioma i stosując przekształcenia analogiczne jak we wstępie, otrzymujemy: Zależność oporu zastępczego od rozmiaru kostki przedstawia tabela: Rozmiar kostki 3x2x2 5x4x4 Opór[kΩ] Jak widać, wraz ze wzrostem rozmiaru kostki (całkowitej liczby oporników) opór zastępczy układu maleje zbiegając do i już dla kostki 5x4x4 w dobrym przybliżeniu spełnia ten warunek. Wnioski Siatki/prostopadłościany złożone z kilkudziesięciu-kilkuset oporników można w dobrym przybliżeniu uważać za nieskończone (wyłączając efekty brzegowe), Napięcia w takich układach maleją wraz z odległością, W obu układach, zarówno przy napięciu przyłożonym do sąsiednich węzłów, jak i oddalonych o jeden, pojawia się oś symetrii, oznaczona na niebiesko, W obu układach, zarówno przy napięciu przyłożonym do sąsiednich węzłów, jak i oddalonych o jeden, pojawia się linia, oznaczona na zielona, która dzieli oporniki na te, w których prądy spływają do osi symetrii oraz na te, w których prądy z osi symetrii wypływają, W obu układach, zarówno przy napięciu przyłożonym do sąsiednich węzłów, jak i oddalonych o jeden, pojawiają się linie, oznaczone na pomarańczowo, wzdłuż których układają się węzły z trzema prądami wpływającymi i jednym wypływającym lub odwrotnie. Linie te są jednak różnie nachylone względem brzegu siatki, zależnie od tego, czy napięcie zostało przyłożone do sąsiednich, czy oddalonych węzłów. Bibliografia Andrzej Komisarski - Jaki jest opór na zaciskach opornika nieskończonej kratownicy o bokach złożonych z oporników R 10