Ćwiczenie p 40

Temat: Sprawdzanie prawa Oma

1. WSTĘP

Cel doświadczenia:

Badanie natężenia i napięcia dla materiałów spełniających i nie spełniających prawa Ohma.

Prawo Ohma

Natężenie prądu płynącego w odcinku przewodnika jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego do końca tego odcinka: I~U

gdzie: U-napięcie; I-natężenie

Wynika z tego że:

Iloraz napięcia między końcami odcinka przewodnika i natężenia prądu płynącego przez ten odcinek jest dla danego odcinka stały

R=U/I

gdzie: R- opór elektryczny, U-napięcie; I-natężenie

Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om [Ω]: [R]=[V/A]

Jest to oporność takiego przewodnika, w którym płynie prąd o natężeniu 1A po przyłożeniu napięcia 1V.

Z prawa Ohma wynika, że natężenie prądu płynącego w przewodniku jest wprost proporcjonalne do napięcia, współczynnik proporcjonalności jest równy odwrotności oporu.

Opór przewodnika o stałym przekroju jest wprost proporcjonalny do długości tego przewodnika, zależy także od pola przekroju poprzecznego S, rodzaju materiału i temperatury.

Na podstawie prawa Kirchhoffa możemy stwierdzić że opór łączny R jest równy sumie oporów
R₁ i R₂ przy połączeniu szeregowym.

R=R₁+R₂

Przy połączeniach równoległych odwrotność oporu łącznego jest sumą odwrotności oporności składowych.

Druga część naszego doświadczenia polegało polegała na obliczaniu oporu przy częstotliwości 60 Hz oraz 0,3 Hz. Dzięki tym pomiarom mogliśmy wykazać że opór włókna żarówki zależy od temperatury. Przy częstotliwości 60Hz prądu zmiennego włókno żarówki ma stałą temperaturę, ponieważ zmiany natężenia zachodzą zbyt szybko, aby temperatura mogła ulec zmianie. W związku z tym opór żarówki jest stały i w naszym doświadczeniu równy 9,09641 Ω. Przy niskich częstotliwościach takich jak
w drugim pomiarze(0,3Hz), następują zmiany temperatury włókna żarówki w czasie cyklu zmiany natężenia prądu w konsekwencji zachodzą zmiany oporności. Związku z tą właściwością możemy
w pomiarze drugim wyznaczyć minimalny i maksymalny opór włókna żarówki.

2. OBLICZENIA

1. Wyznaczanie oporu.

Opór wyznaczony [Ω] dla oporników 1, 2 oraz połączeń szeregowego i równoległego odczytujemy, jako nachylenie dopasowanej prostej
, czyli
.

Opornik 1:

R = 15,51071 [Ω]

Opornik 2:

R = 22, 61768 [Ω]

Połączenie szeregowe:

R = 38,05849 [Ω]

Połączenie równoległe:

R = 9,33292 [Ω]

Wartości oporów dla połączeń szeregowego i równoległego obliczamy ze wzorów.

Połączenie szeregowe:

[Ω]

Połączenie równoległe:

[Ω]

2. Opór włókna żarówki.

Opór przy częstotliwości 60 Hz:

R = 9,09641 [Ω]

Opór przy częstotliwości 0,3 Hz:

1. Minimalny

U = 0,8 [V]

I = 0,16 [V]

[Ω]

2. Maksymalny

U = 1,5 [V]

I = 0,16 [V]

[Ω]

3. RACHUNEK BŁĘDU

Procentową różnicę pomiędzy wartością opory wypadkowego R, wyznaczoną na podstawie wykresu, i obliczoną R₀ obliczamy ze wzoru:

Połączenie szeregowe:

Połączenie równoległe:

4. WYNIK

Oporniki:

Połączenie szeregowe:
[Ω]

Połączenie równoległe:
[Ω]

Włókno żarówki - opór przy częstotliwości 0,3 Hz:

Minimalny:
[Ω]

Maksymalny:
[Ω]

5. WNIOSKI

W połączeniu szeregowym oporność układu jest równa sumie oporności oporników znajdujących się na użytej płycie do badania oporów AC/DC, a w układzie równoległym odwrotność oporu układu jest równa sumie odwrotności oporności oporników układu na płycie. Występują pewne odchylenia między wartościami wyznaczonym , a wartościami obliczonymi. W pierwszym przypadku różnica oporu wyznaczonego względem obliczonego
z wcześniej zmierzonych wartości oporów dla oporników 1. i 2. wynosi 0,18% co przy prowadzeniu doświadczenia oznacza pomiar bardzo dokładny. W przypadku połączenia równoległego oporników różnica zmierzonego i obliczonego oporu wynosi 1,43% co nadal jest stosunkowo niskim błędem. Nasze pomiary potwierdzają więc prawa Ohma dla prądów
o niskich natężeniach.

Przy pomiarze oporu włókna żarówki obserwujemy, że przy wysokiej częstotliwości 60Hz prądu zasilającego opór jest stały. Następnie po zmianie częstotliwości na 0,3Hz opór jest zmienny. Wynika to z faktu, że oporność przewodnika zależna jest od jego temperatury. Oporność włókna żarówki zasilanego prądem o częstotliwości 60Hz jest stała ponieważ zmiany natężenia prądu zachodzą zbyt szybko, aby włókno żarówki mogło zauważalnie zmienić temperaturę. W przypadku prądu 0,3Hz następują zmiany temperatury włókna żarówki wraz ze zmianami cyklu natężenia prądu. Włókno żarówki częściowo stygnie, później część energii dostarczanej żarówce musi być zużyta do ogrzania wolframu do temperatury świecenia. Przez to obserwujemy zjawisko przygasania i ponownego rozjaśniania się włókna żarówki. Przez to zmienia się również oporność układu. W momencie maksymalnej temperatury przewodnika metalowego oporność jest najwyższa, a w momencie najniższej temperatury występuję najniższa oporność. Wartości oporu najwyższego
i najniższego zostały tylko przybliżone. Odczytane zostały w miejscu gdzie wykres „rozjeżdżał się” tzn. była wyraźnie widoczna odległość stosunku napięcia do natężenia zależnie od fazy cyklu zmian natężenia na wykresie dla danego natężenia. Stąd przybliżenie gdyż wizualnie szukana była największa odległość między dwoma liniami na wykresie. Ustaliliśmy, że odległość ta była największa dla natężenie równego 0,16A, więc opór najniższy był dla napięcia równego 0,8V a najwyższy dla napięcia równego 1,5V.

---