Różne elementy układu elektrycznego można łączyć szeregowo. Z wartości poszczególnych oporów, można wyznaczyć oporność całkowitą oraz całkowite natężenie prądu. Zadania 1. Połącz szeregowo dwie identyczne żarówki i zinterpretuj pojawiające się zjawiska. 2. Skorzystaj z szeregowego połączenia dwóch rezystorów, aby zbadać obowiązujące prawa wyznaczania oporu całkowitego (zastępczego) i całkowitego natężenia prądu w obwodzie. Materiały 1 Cobra4 Wireless Manager 12600.00 1 Cobra4 Wireless-Link 12601.00 1 Czujnik Cobra4 Natężenie prądu/napięcie, ± 6 A, ± 30 V 12644.00 2 Moduł łącza prostego, SB 05601.01 4 Moduł łącza kątowego, SB 05601.02 1 Moduł przerwy w obwodzie, SB 05601.04 2 Moduł przyłącza, SB 05601.10 1 Moduł przewodu, prosty z gniazdem, SB 05601.11 2 Moduł łącznika kątowego z gniazdem, SB 05601.12 1 Moduł przełącznika, SB 05602.01 2 Moduł gniazda żarówki E10, SB 05604.00 1 Moduł rezystora 50 Ω, SB 05612.50 2 Moduł rezystora 100 Ω, SB 05613.10 2 Przewód 250 mm, czerwony 07360.01 2 Przewód 250 mm, niebieski 07360.04 1 Przewód, 32 A, 500 mm, czerwony 07361.01 1 Przewód, 32 A, 500 mm, niebieski 07361.04 1 Żarówka 6 V/3 W, E10, 10 szt. 35673.03 1 Zasilacz 0-12 V DC/6V AC 13505.93 1 Oprogramowanie Cobra4 licencja szkolna 14550.61 Dodatkowe materiały 1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia 1
Przygotowanie i wykonanie doświadczenia 1. Żarówki w połączeniu szeregowym Przygotuj doświadczenie zgodnie z Rysunkiem 1 i schematem obwodu na Rysunku 2a. Najpierw wymień jeden moduł z gniazdem z żarówką 6 V modułem łącza prostego. Podłączyć układ do wyjścia prądu stałego zasilacza. Ustaw zasilacz na 6 V, 1 A i włącz go. Zamknij obwód i obserwuj żarówkę. Wymień moduł łącza prostego na drugi moduł gniazda żarówki. Zwrócić uwagę na żarówkę, przełącz zasilacz na 12 V i ponownie obserwuj żarówki. Otwórz przełącznik. 2. Oporniki w połączeniu szeregowym Usuń moduły z gniazdami żarówek, zamieniając je na moduł z opornikiem 50 Ω (R 2) i moduł złącza prostego. Uruchom komputer i system operacyjny Windows. Podłącz Wireless Manager Cobra4 do gniazda USB. Uruchom pakiet oprogramowania measure na PC. Podłącz Cobra4 Wireless - Link do czujnika Elektryczność - Natężenie prądu/napięcie, ± 6 A, ± 30 V i uruchom go. Czujnik połączy się z programem i zaloguje się w Nawigatorze. Załaduj doświadczenie (Eksperyment > Otwórz eksperyment). Ustalą się wszystkie niezbędne ustawienia wstępne do zapisu mierzonych wartości. Rozpocznij rejestrowanie mierzonych wartości w measure. Zamknij przełącznik, pozostaw zasilacz jeszcze na 12 V. Zamień rezystor 50 Ω na rezystor 100 Ω (R 1). Zamień moduł złącza prostego na rezystor 50 Ω (Rysunek 2 b). Otwórz przełącznik (obwód) i zakończ pomiary. Wyślij dane pomiarowe do programu głównego measure do dalszej analizy. Rys. 2 Schematy obwodów Rys. 3 Okno pomiarowe 2
Aby odczytać napięcie dla jednego rezystora i po włączeniu dwóch rezystorów równolegle, użyj funkcji Analiza. Zmień narzędzie na Strzałkę i kliknij w krzywą natężenia prądu na wykresie (oś y opisana natężeniem prądu) i użyj funkcji Analiza, aby je odczytać dla pojedynczego rezystora oraz dwóch rezystorów połączonych szeregowo. Wprowadzić wyniki do Tabeli 1. 3. Natężenie prądu w różnych punktach w obwodu Umieść w obwodzie moduły R 1 100 Ω i R 2 50 Ω, rozpocznij rejestrowanie mierzonych wartości w measure i zamknij obwód wyłącznikiem. Wymień moduł przerwy w obwodzie, który jest podłączony do czujnika natężenia prądu na następny moduł złącza prostego. Teraz zmierz natężenie prądu w różnych miejscach obwodu, np. również między rezystorami, zobacz Rysunek 2c. Otwórz obwód przełącznikiem i zakończ pomiary. Wyślij dane pomiarowe do programu głównego measure do dalszej analizy. Odczytaj napięcia i natężenia prądu, w taki sam sposób jak dla pierwszej krzywej i porównaj ich wartości z wartościami dla szeregowego układu oporników 50 Ω i 100 Ω. Obserwacje i wyniki pomiarów 1. Czy jasność każdej z dwóch, połączonych szeregowo, żarówek włóknowych zwiększa się, jest jednakowa, czy też zmniejsza się w porównaniu z pojedynczą przy tym samym napięciu? 2. Co stanie się z jasnością żarówek, gdy napięcie jest podwojone (w porównaniu z pojedynczą żarówką z pojedynczym napięciem i żarówkami połączonymi szeregowo z pojedynczym napięciem) jest większa, taka sama, czy mniejsza? Tabela 1: Wyniki pomiaru natężenia prądu dla rezystorów połączonych szeregowo R 2 R 1 R 1 i R 2 połączone szeregowo, R G Natężenie prądu I [A] Napięcie U [V] Obliczona oporność R [Ω] 3. Czy zmierzone, w różnych punktach obwodu elektrycznego, wartości natężenia prądu w połączeniu szeregowym R 1 i R 2 są różne? Ile wynoszą? 3
Analiza wyników Rys. 3: Przykłady pomiarów do punktów 2 i 3. 4. Użyj prawa Ohma R = U/I i wartości pomiarowych z Tabeli 1 do wyznaczenia oporności R 1 i R 2 oraz oporności całkowitej (zastępczej) R G połączenia szeregowego z R 1 i R 2. Pozostawiając dwie cyfry znaczące, wprowadź obliczone wartości do ostatniej kolumny w Tabeli 1 5. Jaka jest ogólna formuła pozwalająca na wyznaczenie oporności oporów połączonych szeregowo (opisz ją słowami i równaniem)? 6. Prąd jest przepływem ładunku elektrycznego. Na jakich bardzo ogólnych własnościach ładunków elektrycznych oparta jest obserwacja 3? 4
Natężenie prądu i oporność w połączeniu szeregowym (Co się stanie, gdy połączymy szeregowo dwie żarówki?) Ten eksperyment ma na celu zrozumienie prawa Kirchhoffa, z którego wynika, że suma wszystkich prądów, każdego węzła obwodu, wynosi zero. Wynika to z prawa zachowania ładunku. Z tego prawa wynika, że całkowite natężenie prądu, w układzie nierozgałęzionym jest wszędzie takie same. Z obliczeń wynika zasada wyznaczania oporności zastępczej dla szeregowego łączenia oporników. Uwagi na temat konfiguracji i procedury Natężenie prąd płynącego przez czujnik napięcia, można w schemacie z Rysunku 2b. Należy to jednak omówić z uczniami. Obserwacje i wyniki pomiarów 1. Dwie żarówki połączone szeregowo świeciły wyraźnie słabiej niż jedna żarówka przy tym samym napięciu, obie świecą jednakowo. 2. Przy podwojeniu napięcia obie, połączone szeregowo, żarówki są tak jasne, jak jedna żarówka przy pojedynczym napięciu. Tabela 1: Wyniki pomiaru natężenia prądu dla rezystorów połączonych szeregowo Natężenie prądu I [A] Napięcie U [V] Obliczona oporność R [Ω] R 2 0,25 12,1 48 R 1 0,13 12,2 94 R 1 i R 2 połączone szeregowo, R G 0,08 12,2 153 3. Zmierzone wartości natężenia prądu, w różnych punktach obwodu elektrycznego, przy połączeniu szeregowym R 1 i R 2 wszędzie są jednakowe i wynoszą 0,08 A. Analiza wyników 4. Patrz Tabela 1. 5. Całkowita rezystancja szeregowego połączenia oporów jest równa sumie poszczególnych oporów: R G = R 1 + R 2 6. Ładunek elektryczny w układzie odizolowanym jest stały, nie może powstawać i znikać, jego suma zawsze jest stała. Stąd wynika, że prąd nie może pojawiać się i znikać w żadnym miejscu obwodu elektrycznego. W nierozgałęzionym obwodzie elektrycznym natężenie prądu jest wszędzie identyczne. 5
Natężenie prądu i oporność w połączeniu szeregowym Miejsce na notatki 6