I. Cześć teoretyczna (najważniejsze informacje dotyczące badanego zagadnienia).

PRĄD ELEKTRYCZNY:

Jest to ukierunkowany ruch (przepływ) swobodnych ładunków elektronowych w środowisku przewodzącym, pod wpływem pola elektrycznego (tzw. prąd przewodzenia). Prąd elektryczny w metalach i półprzewodnikach jest związany z przepływem elektronów i dziur. W elektrolitach - ma miejsce przepływ jonów, w gazach - jonów i elektronów (wyładowanie elektryczne). Za kierunek prądu elektrycznego przyjmuje się umownie kierunek przepływu ładunków dodatnich. Wielkościami charakteryzującymi prąd elektryczny są jego natężenie i gęstość. Prąd elektryczny jest wywołany polem elektrycznym (różnicą potencjałów). Związek między natężeniem prądu elektrycznego i napięciem opisuje prawo Ohma. Jest to podstawowe prawo obwodów elektrycznych, wiążące ze sobą 3 najważniejsze wielkości w obwodzie: napięcie i natężenie prądu elektrycznego oraz opór elektryczny. Podane w 1826 przez G.S. Ohma dla obwodu prądu stałego, głosi: napięcie elektryczne U na końcach odcinka przewodnika jest proporcjonalne do natężenia prądu elektrycznego I płynącego przez ten przewodnik: U = R · I (gdzie R jest współczynnikiem proporcjonalności, zwanym oporem elektrycznym, którego wartość zależy od właściwości elektrycznych i rozmiarów geometrycznych rozpatrywanego odcinka przewodnika). Rozróżniamy prąd elektryczny stały, którego natężenie nie zmienia się w czasie i zmienny, którego szczególnym przypadkiem jest prąd elektryczny przemienny. W energetyce stosuje się prąd elektryczny trójfazowy, przesyłany za pomocą linii trójfazowej, w której płynące prądy przesunięte są względem siebie w fazie o 1/3 okresu ( = 0°, 120°, 240°).

MIERNIKI PRĄDU ELEKTRYCZNEGO:

W elektromechanicznych miernikach analogowych (wskaźnikowych) pobrana z obwodu badanego lub pomocniczego energia elektryczna jest przetwarzana na energię mechaniczną organu ruchomego z przymocowaną wskazówką lub zwierciadełkiem, od którego odbija się promień świetlny (w mierniku elektrycznym ze wskazówką świetlną). Elektroniczne mierniki analogowe są to najczęściej mierniki magnetoelektryczne zaopatrzone w elektroniczny układ wzmacniający i inne układy, np. dzielnik napięcia, prostownik itp. Charakteryzują się one znacznie większą czułością od mierników elektromechanicznych. Wadą jest konieczność dodatkowego zasilania. Elektroniczne mierniki cyfrowe nie mają części ruchomych, pomiar odbywa się poprzez odpowiednie działanie elektronicznych podzespołów cyfrowych oraz podzespołów analogowych, a wyniki pomiarów są podawane w postaci cyfrowej za pomocą lamp wskaźnikowych cyfrowych albo wskaźników cyfrowych - półprzewodnikowych (świecących) lub ciekłokrystalicznych. Dzięki temu unika się błędu popełnianego przy odczycie wskazań. Wśród wielu rozwiązań mierników elektrycznych cyfrowych, najczęściej spotykane są takie, które polegają na porównaniu mierzonej wielkości elektrycznej z wielkością elektryczną wzorcową, na ogół kwantowaną, wytwarzaną w generatorze wzorcowym zawartym w mierniku cyfrowym. Do zalet mierników elektrycznych cyfrowych należy zazwyczaj duża szybkość pomiaru, duża dokładność, możliwość automatyzacji procesu pomiarowego oraz druku wyników pomiaru. Miernikami prądu elektrycznego są m.in. :

a) amperomierz - miernik prądu elektrycznego wywzorcowany w amperach, A (mA, µA), włączany szeregowo w badany obwód prądu elektrycznego. Amperomierz prądu stałego mierzy wartość chwilową prądu stałego lub prądu wolnozmiennego. Amperomierz prądu przemiennego mierzy natomiast wartość skuteczną prądu przemiennego. Zakres pomiarowy amperomierza rozszerza się za pomocą bocznika (amperomierz prądu stałego), przekładnika prądowego (amperomierz prądu przemiennego), cewki dzielonej (amperomierz elektrodynamiczny).

b) woltomierz - elektryczny (lub elektroniczny) miernik napięcia elektrycznego wywzorcowany w woltach (V). Rozróżnia się woltomierze: napięcia stałego (mierzące wartość chwilową napięcia stałego lub wolnozmiennego, np. woltomierze magnetoelektryczne, elektrodynamiczne, elektrostatyczne), napięcia przemiennego (mierzące wartość skuteczną, wartość szczytową - maksymalną) oraz wartość średnią napięcia przemiennego, np. woltomierze elektromagnetyczne, elektrodynamiczne, ferrodynamiczne, magnetoelektryczne z prostownikiem, termoelektrycznym). Układ pomiarowy woltomierza ma zwykle dużą rezystancję wejściową (od kilkuset /V do wielu M/V), co zmniejsza wpływ woltomierza na obwód badany, do którego woltomierz przyłącza się równolegle. Rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza uzyskuje się za pomocą rezystorów szeregowych, cewek dzielonych, dzielników napięcia, przekładników napięciowych itp. Rezystor, czyli opornik, jest to element pasywny (bierny) obwodu elektrycznego, w którym dokonuje się przemiana energii elektrycznej w ciepło. Główną właściwością fizyczną rezystora jest opór elektryczny czynny R (rezystancja), a inne właściwości, jak pojemność i indukcyjność są pomijalnie małe. Rozróżnia się rezystory: drutowe np. drut konstantanowy, manganinowy, chromonikielinowy, nawinięty na rurkę ceramiczną, warstwowe np. warstwa grubych rzędu 1 µm z węgla lub z metalu naniesionego na rurkę ceramiczną, lite - proszkowe, objętościowe, np. w postaci pełnych prętów wykonanych z węgla lub z półprzewodzącej masy ceramicznej. Na powierzchni rezystora umieszcza się napisy lub symbole barwne podające wartość oporu elektrycznego (w , k, M) i jego tolerancję (w %) oraz (czasem) dopuszczalną moc wydzielaną przez rezystor (w W). Pod względem możliwości regulacji rozróżnia się rezystory: stałe i nastawne, a wśród nastawnych - rezystory o regulacji ciągłej (np. rezystor z suwakiem, potencjometr) i o regulacji skokowej (np. rezystor z odczepami, rezystor dekadowy).

NAPIĘCIE I NATĘŻENIE PRĄDU ELEKTRYCZNEGO:

Napięcie elektryczne - U, wielkość fizyczna skalarna, odnoszona do 2 dowolnych punktów (np. A i  B) obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Równa jest ona stosunkowi pracy W, wykonywanej przez siły pola elektrycznego przy przemieszczaniu ładunku elektrycznych q, wzdłuż pewnej krzywej s (między dwoma wybranymi punktami pola), do wartości tego ładunku:

Natężenie pola elektrycznego — wielkość charakteryzująca pole elektryczne równa stosunkowi siły działającej na punktowy ładunek elektryczny, umieszczony w tym polu, do wartości tego ładunku.

II. Część praktyczna.

1)Treść zadania:

• Przy pomocy woltomierza i dwóch oporników o oporze 20Ω i 50Ω, dokonać pomiaru napięcia stałego z zastosowaniem dzielnika napięcia. Napięcie obliczyć ze wzoru:

U_1obl = [(R₁ + R₂) /R₂ ] x U₂

Gdzie, R₁, R₂ oznaczają opór elektryczny oporników, natomiast U₂ napięcie elektryczne drugiego woltomierza.

• Dokonać pomiaru napięcia regulowanego, przy pomocy woltomierza analogowego i woltomierza cyfrowego oraz dwóch oporników o oporze 20Ω i 50Ω.

• Dokonać pomiaru prądu stałego, przy pomocy woltomierza i amperomierza oraz dwóch oporników o oporze 20Ω i 50Ω. Dla co najmniej 6 wartości prądu obciążenia przy stałym napięciu zasilania, wyznaczyć R_odb i porównać z wielkością znamionową R_odb .

2)Sprawdzane przedmioty i wymiary (szkic mierzonego przedmiotu i wymiary symbolowe, schemat urządzenia itp.):

a) Pomiar napięcia stałego z zastosowaniem dzielnika napięcia:

b) Pomiar napięcia regulowanego:

c) Pomiar prądu stałego:

+

_

3)Sprzęt mierniczy:

• Woltomierz analogowy - 3mA PRL T104 2103496/73

• Woltomierz analogowy - 3mA PRL T104 2303528/72

• Woltomierz cyfrowy - metex M-4650CR

• Amperomierz - 60mV PLL T104 3707838/73

• Opornik - 20Ω

• Opornik - 50Ω

4)Wyniki pomiarów (tabela zestawieniowa wyników):

a) Pomiar napicia stałego z zastosowaniem dzielnika napięcia:

Lp	Woltomierz 1					Woltomierz 2					Obli
		Zakres	L działek	Stała	α	Wartość	Zakres	L działek	Stała	α	Wartość	U1obl
	V	α max	V/dz	dz	V	V	α max	U/dz	dz	V	V
1	30	60	0,5	7	3,5	30	60	0,5	5	2,5	3,5
2	30	60	0,5	10	5	30	60	0,5	6	3	4,2
3	30	60	0,5	30	15	30	60	0,5	21	10,5	14,7
4	30	60	0,5	50	25	30	60	0,5	34	17	23,8
śr	30	60	0,5	24,25	12,125	30	60	0,5	16,5	8,25	11,55

b) Pomiar napięcia regulowanego:

Lp	Woltomierz analogowy					Woltomierz cyfrowy
		Zakres	L działek	Stała	α	Wartość	Zakres	wskazanie
	V	α max	V/dz	dz	V	V	V
1	30	60	0,5	5	2,5	20	2,5
2	30	60	0,5	10	5	20	5
3	30	60	0,5	15	7,5	20	7,5
4	30	60	0,5	21	10,5	20	10,5
śr	30	60	0,5	12,75	6,375	20	6,375

c) Pomiar prądu stałego:

Lp	Woltomierz					Amperomierz					Obli
		Zakres	L działek	Stała	α	Wartość	Zakres	L działek	Stała	α	Wartość	R1obl
	V	α max	V/dz	dz	V	A	α max	A/dz	dz	A	Ω
1	30	60	0,5	8	4	0,75	75	0,01	8	0,08	50
2	30	60	0,5	12	6	0,75	75	0,01	12	0,12	50
3	30	60	0,5	16	8	0,75	75	0,01	16	0,16	50
4	30	60	0,5	20	10	0,75	75	0,01	20	0,2	50
5	30	60	0,5	25	12,5	0,75	75	0,01	25	0,25	50
6	30	60	0,5	30	15	0,75	75	0,01	30	0,3	50
śr	30	60	0,5	18,5	9,25	0,75	75	0,01	18,5	0,185	50

5)Obliczenia:

a) Obliczam napięcie elektryczne:

Dane:

R₁=20Ω - dla wszystkich przypadków

R₂=50Ω - dla wszystkich przypadków

a) U₂=2,5V

b) U₂=3V

c) U₂=10,5V

d) U₂=17V

a) U_1obl = [(R₁ + R₂) /R₂ ] x U₂ = [(20Ω+50Ω)/50Ω]x2,5V=70Ω/50Ωx2,5V=1,4x2,5V=3,5V

b) U_1obl = [(R₁ + R₂) /R₂ ] x U₂ = [(20Ω+50Ω)/50Ω]x3V=70Ω/50Ωx3V=1,4x3V=4,2V

c) U_1obl=[(R₁ + R₂) /R₂ ]xU₂ =[(20Ω+50Ω)/50Ω]x10,5V=70Ω/50Ωx10,5V=1,4x10,5V=14,7V

d) U_1obl = [(R₁ + R₂) /R₂ ] x U₂ = [(20Ω+50Ω)/50Ω]x17V=70Ω/50Ωx17V=1,4x17V=23,8V

b) Obliczam opór elektryczny:

Dane:

U=4V

I=0,08A

R₁obl=U/I=4V/0,08A=50Ω

Dane:

U=6V

I=0,12A

R₁obl=U/I=6V/0,12A=50Ω

Dane:

U=8V

I=0,16A

R₁obl=U/I=8V/0,16A=50Ω

Dane:

U=10V

I=0,2A

R₁obl=U/I=8V/0,2A=50Ω

Dane:

U=12,5V

I=0,25A

R₁obl=U/I=12,5V/0,25A=50Ω

Dane:

U=15V

I=0,3A

R₁obl=U/I=15V/0,3A=50Ω

6)Uwagi i wnioski końcowe:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się w głównej mierze z miernikami prądu elektrycznego, czyli m.in. woltomierzem, amperomierzem. Zakres wymienionych mierników był stały i wynosił 30V, jedynie w przypadku woltomierza cyfrowego miał wartość 20V. Obliczając opór elektryczny, skorzystałem z prawa Ohma, które mówi: napięcie elektryczne U na końcach odcinka przewodnika jest proporcjonalne do natężenia prądu elektrycznego I płynącego przez ten przewodnik: U = R · I (gdzie R jest współczynnikiem proporcjonalności, zwanym oporem elektrycznym, którego wartość zależy od właściwości elektrycznych i rozmiarów geometrycznych rozpatrywanego odcinka przewodnika). Po przekształceniu powyższego wzoru tzn. R=U/I i podstawieniu wyliczonych wcześniej wartości, otrzymałem opór elektryczny. Wynosi on 50Ω dla wszystkich przypadków. Obliczając napięcie prądu stałego za pomocą woltomierza analogowego i cyfrowego otrzymałem te same wartości. Stałą mierników obliczyłem ze wzoru C*v, czyli zakres pomiarowy podzieliłem przez liczbę działek [ V/dz ]. Stała woltomierza wyniosła 0,5, natomiast amperomierza 0,01. Odczytując wartość napięcia prądu, z powyższych tabelek, można stwierdzić, że jest on w ogóle nie groźny dla człowieka.

6

U2

V2

R2

U1

V1

Zasilacz

napięcia

stałego

R1

Zasilacz

Napięcia stałego

Vc

Va

U₂

U₁

R_s

A

Rs

V

R_odb

---