plik


ÿþMaBgorzata Dzida I. Wstp teoretyczny Celem wiczenia przeprowadzanego przez studentów byBo zbadanie temperaturowej zale|no[ci oporu przewodników dla 3 ró|nych pierwiastków oraz oporu zastpczego szeregowego i równolegBego poBczenia oporników. Wiadomo[ci teoretyczne, które byBy wykorzystywane w wiczeniu to: Opór elektryczny  inaczej zwany rezystancj. Jest to wielko[, która charakteryzuje zale|no[ pomidzy nat|eniem a napiciem prdu elektrycznego w obwodach prdu staBego. Opór oznacza si umownie liter R a jednostk oporu w ukBadzie Si jest ©. Pierwsze prawo Ohma  nazwa wywodzi si od nazwiska uczonego (Georga Simona Ohma), który odkryB prawidBowo[ tak, |e: Nat|enie prdu pByncego przez przewodnik jest proporcjonalne do napicia midzy koDcami przewodnika = " Drugie prawo Ohma  w drugim prawie brana jest pod uwag geometria przewodnika. Mianowicie jego dBugo[, przekrój poprzeczny oraz wBa[ciwo[ci materiaBu z którego zostaB wykonany. Matematycznie wyra|ane jest wzorem: = Gdzie: l - dBugo[ przewodnika S  przekról poprzeczny - staBa materiaBowa R  opór wBa[ciwy Pierwsze prawo Kirchhoffa  mówi ono, |e suma nat|eD prdów wpBywajcych do wzBa i z niego wypBywajcych jest równa 0. = 0 Drugie prawo Kirchhoffa - WedBug tego prawa suma warto[ci chwilowych siB elektromotorycznych w ukBadzie równa si sumie warto[ci chwilowych spadków napi na opornikach danego obwodu. = Oporniki mo|na poBczy ze sob w dwojaki sposób 1. Szeregowo: PoBczenie takie charakteryzuje si tym, |e koniec pierwszego opornika (w naszym przypadku R ) jest bezpo[rednio 1 poBczony z pocztkiem kolejnego opornika (R ). 2 Ich rezystancja zastpcza jest sum poszczególnych oporów. R = R + R + R z 1 2 3 2. Równolegle: W przypadku takiego poBczenie nastpuje spadek napicia, który na ka|dym z oporników jest identyczny i jest równy spadkowi napicia na rezystancji zastpczej R z Matematycznie: = + + Pasmowa teoria przewodnictwa ciaB staBych: Wyró|niamy: izolatory, póBprzewodniki i przewodniki. Po krótce omówi ka|dy z nich. Izolatory  W swojej budowie najwy|ej poBo|one pasmo zwane pasmem przewodnictwa materiaBy takie maj caBkowicie wyplenione. {eby przewodzenie prdu w takim materiale byBo mo|liwe, to elektron musiaBby wskoczy na wy|ej poBo|ony poziom w pasie przewodnictwa. W izolatorach jednak jest to niemo|liwe ze wzgldu na zbyt du| odlegBo[ pomidzy pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym. Przerwa jest za du|a i elektron nie pokona takiej bariery energetycznej. PóBprzewodniki  w swojej budowie bardzo podobne s do izolatorów z t jedynie ró|nic, |e przerwa energetyczna jest mniejsza. Gdy w ukBadzie temperatura zaczyna wzrasta, elektrony mog uzyska energi, która pozwoli im pokona barier przerwy energetycznej i przejd na wy|szy poziom  pasma przewodnictwa. W materiale takim zacznie pByn prd elektryczny. Przewodniki  S to substancje, które bardzo dobrze przewodz prd elektryczny. Charakteryzuj si tym, |e pasmo przewodnictwa jest tylko cz[ciowo wypeBnione i przerwa energetyczna nie jest du|a, wic elektrony mog swobodnie przej[ do wy|szego stanu. Opór elektryczny zmienia si wraz z warto[ci temperatury z tego powodu, |e przewodniki maj wokóB siebie bardzo du|o elektronów, które stanowi gaz elektronowy. S one wzgldem siebie w nieustannym ruchu gdy brak zewntrznego zródBa pola elektrycznego. Mo|emy wytworzy jednak dodatkow skBadow prdko[ci tych elektronów. Dokona tego mo|na wytwarzajc ró|nic potencjaBów. W jej wyniku gaz elektronowy dryfuje i zaczyna pByn prd. Gdy zwikszamy energi (w postaci temperatury) rosn amplitudy drgaD atomów sieci krystalicznej wokóB poBo|eD równowagi. Powoduje to, |e maleje [rednia droga swobodna elektronów (cz[ciej si ze sob zderzaj) a w konsekwencji opór wBa[ciwy ro[nie. Przewodnictwo przewodników przy wzro[cie temperatury maleje (opór wzrasta)  Pt, Ni, a póBprzewodników i dielektryków ro[nie (opór maleje)  C. Dzieje si tak dlatego, |e jak napisano wy|ej ro[nie amplituda drgaD atomów w sieci krystalicznej, co powoduje, |e w przypadku przewodnika utrudniaj one ruch swobodnych elektronów, (przewodnictwo maleje) natomiast w przypadku dielektryka uBatwiaj oderwanie si elektronów walencyjnych (przewodnictwo ro[nie). Zale|no[ oporu i oporu wBa[ciwego od temperatury: - = ( - ) = + ( - ) - = ( - ) Gdzie:  opór wBa[ciwy w temperaturze T  opór wBa[ciwy w temperaturze  temperaturowy wspóBczynnik oporu wBa[ciwego T  temperatura dla której badamy warto[ oporu  opór opór przewodnika w temperaturze T  opór pocztkowy, warto[ okre[lana dla konkretnej temperatury pocztkowej ( ) ± to temperaturowy wspóBczynnik oporu wBa[ciwego, który jest wielko[ci, która dla ka|dego materiaBu przyjmuje inne warto[ci. Dla niklu i platyny jest on dodatni i wynosi odpowiednio: 0,006 [ ] i 0,003 [ ]. Natomiast dla wgla wspóBczynnik ten przyjmuje warto[ ujemn i wynosi -0,0005 [ ]. W wiczeniu zbudowa nale|aBo ukBad zwany mostkiem Wheatestone a. UkBad taki zbudowany jest z: - zródBa napicia - 4 oporników - mikroamperomierza Znane s opory 3 oporników co pozwala nam obliczy opór 4-go opornika. Gdy mostek jest zrównowa|ony, przed odcinek CD nie pBynie prd. Tak wic nat|enie prdu I =I =I oraz I =I =I . Je[li 1 5 D 3 6 C skorzystamy z drugiego prawa Kirchhoffa, po przeksztaBceniach otrzymamy zale|no[ pomidzy dwoma opornikami poBczonymi równolegBe i nat|eniami prdów przez nie pByncych: R I =R I oraz R I =R I Po kolejnych przeksztaBceniach dochodzimy do postaci x D 1 C D D 2 C. = , skd = Przebieg wiczenia: 1. Wyznaczono warto[ oporu dla oporników za pomoc omomierza 2. Zmierzono warto[ oporu dla opornika niklowego i platynowego za pomoc omomierza w temperaturze 28,5 °C. Zmierzono te| , a tak|e R . c 3. WBasnorcznie zbudowano mostek Wheatestone a i podBczono go do zródBa napicia 1,5 V. 4. UkBad ogrzewano od temperatury 28,5 °C. do 90 °C. 5. Gdy obwód byB otwarty, ustawiono na opornicy dekadowej spodziewan warto[ oporu (wyznaczonych na podstawie wcze[niejszych pomiarów za pomoc omomierza) dla poszczególnych oporników. Nastpnie zamykano obwód kluczem, zmieniano warto[ oporu na opornicy dekadowej tak, aby wskazówka mikroamperomierza byBa jak najbli|sza poBo|eniu równowagi (0 A), czyli prd nie pBynB. Za pomoc termometru odczytywano temperatur, w jakiej ustalono dany opór opornicy dekadowej. Niepewno[ termometru jest równa najmniejsze podziaBce skali. Powtarzano czynno[ci przedstawione w tym punkcie dla poszczególnych oporników przy ró|nych temperaturach. 6. Po osigniciu przez ukBad maksymalnej temperatury 90 °C ukBad stopniowo ochBadzano i ponownie zapisywano zmiany oporu dla poszczególnych oporników. 7. Po zakoDczeniu pomiarów ukBad rozmontowano. Opracowanie wyników: Opory dla poszczególnych oporników w temperaturze 28,5 ° : " = 00 + 0,8% (niepewno[ dla pomiarów mierzonych za pomoc miernika uniwersalnego) R =117,3 © "R =1,1 © R =(117,3 ± 1,1) © Ni Ni Ni R =110,8 © "R =1,0 © R =(110,8±1,0)© Pt Pt Pt R =100,8 © "R =0,9 © R =(100,8±0,9)© C C C R =211,6 © "R =2,7 © R =(211,6 ± 2,7) © zsz zsz zsz R =52,9 © "R =0,6 © R =(52,9 ± 0,6) © zr zr zr R =10,4 © "R =0,2 © R =(10,4 ± 0,2) © 1 1 1 R =10,0 © "R =0,2 © R =(10,0 ± 0,2) © 2 2 2 Zmierzono warto[ci oporu dla dla opornika wglowego i platynowego przy poBczeniu szeregowym oraz równolegBym. WynosiBy one odpowiednio: ( ) = 212,0 ± 2,7 © ( ) = 52,9 ± 0,6 © Warto[ teoretyczn oporu dla tych samych oporników obliczono korzystajc ze wzorów: Dla poBczenia szeregowego: = + = + = + Dla poBczenia równolegBego: = + ” = ” + ” = " + " ( + ) ( + ) Warto[ci ich s równe: ( ) = 211,6 ± 1,9 © ( ) = 52,8 ± 0,5 © Warto[ci oporu opornika wglowego wraz z niepewno[ci mierzone miernikiem elektronicznym za pomoc wzoru " = 00 + 0,8% : Temperatura wystpuje jako warto[ u[redniona dla wyników z ogrzewania i ochBadzania. temperatura T opór opornika niepewno[ oporu [°C] wglowego R opornika C "T=1 °C) "RC ( [©] wglowego [©] 28,5 100,9 0,6045 30 100,8 0,6040 32 100,78 0,6039 34 100,75 0,6038 36 100,7 0,6035 38 100,7 0,6035 40 100,65 0,6033 42 100,65 0,6033 44 100,6 0,6030 46 100,55 0,6028 52 100,4 0,6020 58 100,2 0,6010 64 100,1 0,6005 68 100 0,6000 72 99,95 0,5998 74 99,9 0,5995 76 99,85 0,5993 78 99,8 0,5990 80 99,75 0,5988 82 99,7 0,5985 84 99,65 0,5983 86 99,6 0,5980 88 99,55 0,5978 90 99,5 0,5975 102 y = -0,0223x + 101,53 101,5 R² = 0,9963 101 100,5 100 99,5 99 98,5 98 28 38 48 58 68 78 88 T[°C] R[©] Przy liczeniu oporu i jego niepewno[ci dla oporników niklowego i platynowego posBu|ono si wzorami: = ” = ” + ” + ” = " + " + " W tabelach podobnie jak w przypadku opornika wglowego dla oporu przyjto warto[ u[rednion dla pomiarów z ogrzewania jak i ochBadzania. temperatura T [°C] opór opornika niepewno[ oporu opornika "T=1 °C) "RNi ( niklowego R [©] niklowego [©] Ni 28,5 120,64 5,83 30 121,68 5,87 32 122,72 5,92 34 124,80 5,99 36 125,84 6,04 38 128,96 6,16 40 129,48 6,18 42 130,00 6,21 44 131,04 6,25 46 133,64 6,35 52 135,20 6,41 58 136,24 6,45 64 136,76 6,47 68 138,32 6,54 72 139,36 6,58 74 140,40 6,62 76 140,40 6,62 78 142,48 6,70 80 143,52 6,74 82 145,60 6,83 84 146,64 6,87 86 147,68 6,91 88 148,72 6,95 90 149,76 5,83 150 145 140 135 y = 0,4137x + 111,31 130 R² = 0,9673 125 120 28 38 48 58 68 78 88 T[°C] temperatura T [°C] opór opornika niepewno[ oporu opornika "T=1 °C) ( platynowego RPt [©] platynowego "RPt [©] 34 113,36 5,54 36 113,36 5,54 38 114,40 5,59 40 115,44 5,63 42 116,48 5,67 44 116,48 5,67 46 117,52 5,71 48 118,56 5,75 50 119,08 5,77 52 118,56 5,75 54 119,60 5,79 56 121,16 5,85 58 120,64 5,83 60 122,72 5,92 62 122,72 5,92 64 123,76 5,96 66 123,76 5,96 68 125,84 6,04 70 125,84 6,04 72 127,92 6,12 74 127,92 6,12 76 129,48 6,18 78 130,00 6,21 80 130,52 6,23 82 131,04 6,25 84 132,08 6,29 86 133,12 6,33 88 134,16 6,37 90 135,20 6,41 R[©] y = 0,3854x + 99,546 133,00 R² = 0,9915 128,00 123,00 118,00 113,00 34 44 54 64 74 84 T[°C] Opór który charakteryzuje odpowiedni opornik w temperaturze 20 p C wyra|a si wzorem: = " + Gdzie: a i b to wspóBczynniki prostej otrzymane za pomoc regresji liniowej. Wykresy i obliczone wspóBczynniki zostaBy w programie MsExcel i w sprawozdaniu pominito te obliczenia w celu poprawienia przejrzysto[ci tekstu. Warto[ci niepewno[ci dla a i b to S i S . a b Aby obliczy niepewno[ skorzystano ze wzoru na ró|niczk zupeBn a mianowicie: 0 0 " = ” + ” = " + " 0 Gdzie " = 3S i " = 3S a b Wyniki pomiarów dla ogrzewania i ochBadzania biorc pod uwag u[rednione warto[ci wyników: a b Sb R [©] " [©] o 0 Opornik -0,02 0,0009 101,53 0,06 101,13 0,08 wglowy Opornik 0,41 0,06 111,31 3,30 119,51 4,50 niklowy Opornik 0,39 0,021 99,37 0,44 107,17 0,86 platynowy R[©] PrzeksztaBcajc wzór na temperaturowy wspóBczynnik oporu otrzymujemy równanie: ( = - ) + 1 ( = + - ) Tak wic: = ; = - Obliczone ze wzoru wspóBczynniki  b regresji liniowej. ) b =101,13 - (-0,0002 " 101,13 " 20 = 101,53 c b =107,17-( ) 0,0043 " 107,17 " 20 = 97,95 Pt b =119,51 - ( ) 0,0034 " 119,51 " 20 = 111,38 Ni Czyli temperaturowy wspóBczynnik oporu wynosi = Niepewno[ tego wspóBczynnika obliczona metod ró|niczki zupeBnej wynosi: 1 ” = ” + ” = ” + ” " [ ] Opornik 0,0034 0,0005 niklowy Opornik 0,0043 0,0002 platynowy Opornik -0,0002 0,000009 wglowy IV. Podsumowanie Opory zastpcze poBczenia szeregowego i równolegBego oporników niklowego i platynowego s zgodne z oporami zastpczymi teoretycznymi w granicach ich niepewno[ci. Dla poBczenia szeregowego warto[ teoretyczna to:

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
E3
E3
ZP11 E3
Kolokwium e3 mach3
E3
e3 2
E3
dire320a83304000a3f39ec7a5be45fad
E3
e3
Riget e3
Riget 2 e3

więcej podobnych podstron