SPRAWDZENIE PRAWA OHMA POMIAR REZYSTANCJI METODĄ TECHNICZNĄ

Transkrypt

1 Laboratorium Podstaw Elektroniki Marek Siłuszyk Ćwiczenie M 4 SPWDZENE PW OHM POM EZYSTNCJ METODĄ TECHNCZNĄ opr. tech. Mirosław Maś niwersytet Przyrodniczo - Humanistyczny Siedlce 2013

2 1. Wstęp Celem ćwiczenia jest wyznaczenie rezystancji oporników poprzez pomiary natęŝenia prądu płynącego przez opornik oraz spadku napięcia na oporniku. Jest to pośrednia metoda pomiaru rezystancji w oparciu o prawo Ohma, Dobór układu pomiarowego ma wpływ na błędy popełniane w tych pomiarach. W skład zestawu laboratoryjnego wchodzą: 1. multimetr typu M 980 G - 2 sztuki 2. zasilacz laboratoryjny firmy NDN, 3. płytka montaŝowa 4. zestaw 3 rezystorów 5. zestaw 6 przewodów Przed rozpoczęciem ćwiczenia sprawdź, czy zestaw laboratoryjny jest kompletny. Do ćwiczenia naleŝy opanować następujące zagadnienia teoretyczne: prąd elektryczny natęŝenie prądu jednostki wielkości elektrycznych definicja mpera prawo Ohma prawa Kirchhoffa typy połączeń rezystorów 3

3 2. Podstawowe prawa i definicje Prąd elektryczny - jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Jest to jednak stwierdzenie bardzo ogólne. zeczywiście - jest to uporządkowany ruch cząstek z ładunkiem elektrycznym. W metalach będzie to ruch elektronów, w elektrolitach ruch jonów. NatęŜenie prądu elektrycznego to ilość ładunku przepływającego przez powierzchnię S przewodnika w jednostce czasu: Q = t gdzie : Q - ilość ładunku przepływającego w przedziale czasu t przez powierzchnię S przewodnika Jednostka natęŝenia prądu elektrycznego - w układzie S jednostką natęŝenia prądu elektrycznego jest 1. Definicja ampera - przez dwa nieskończenie długie równoległe, prostoliniowe przewodniki umieszczone w próŝni w odległości 1m od siebie płynie prąd o natęŝeniu 1 jeŝeli oddziaływają one na siebie z siłą 2*10-7 N na kaŝdy metr długości przewodnika. Lub inaczej: przez przewodnik płynie prąd o natęŝeniu 1 gdy przez jego powierzchnię przepływa w ciągu kaŝdej sekundy ładunek o wartości 1C. Prawo Ohma - napięcie, (róŝnica potencjałów ) pomiędzy końcami przewodnika jest wprost proporcjonalna do natęŝenia prądu, płynącego przez przewodnik. Współczynnik proporcjonalności, nazywamy oporem. = Pierwsze prawo Kirchhoffa - w przypadku przewodników połączonych razem w jednym punkcie (ys.1) zwanym węzłem. ys. 1 W przewodniku a płynie prąd o natęŝeniu i 1 znaczy to, Ŝe w czasie t przez przekrój poprzeczny tego przewodnika przepłynie ładunek Q = i1 t (1) 4

4 Ładunek wpływając do węzła rozdziela się. W węźle nie gromadzą się ładunki dlatego suma ładunków płynących przez przekroje poprzeczne przewodników b i c jest równa ładunkowi Q. Mamy: Q = i t + i t 2 3 wyznaczając i 1 z (1) otrzymamy Q i2 t + i3 t i1 = = (2) t t a ostatecznie Jest to pierwsze prawo Kirchhoffa. i = + 1 i2 i3 5

5 3. kłady pomiarowe W celu wyznaczenia wartości oporu opornika metodą techniczną naleŝy wyznaczyć napięcie () oraz natęŝenie prądu płynącego przez ten opornik (), a następnie korzystając z prawa Ohma = (3) wyznaczyć oporność opornika (). Pomiary moŝna zrealizować łącząc jeden z przedstawionych na rysunku poniŝej układów pomiarowych. a) b) ys. 2 Korzystając z układu 2a) dokładnie wyznaczymy napięcia na oporniku, w przypadku układu 2b) dokładnie zmierzymy natęŝenia prądu płynącego przez opornik. Metoda pomiaru Wybierając układ pomiarowy musimy pamiętać, Ŝe prąd płynie takŝe przez mierniki. Mierniki mają (tzw. oporność wewnętrzną) i powinniśmy traktować je jako oporniki włączone do obwodu (o oporności zaleŝnej od typu i modelu miernika). W układzie pomiarowym przedstawionym na ys. 2a woltomierz jest połączony równolegle z opornikiem którego oporność wyznaczamy. Zamiennie moŝna przedstawić go jako układ oporników: ys. 3a 6

6 oznacza oporność wewnętrzną amperomierza, a V oporność wewnętrzną woltomierza. W woltomierz mierzy napięcie na oporniku jest ono równe napięciowi na woltomierzu: = V. (4) mperomierz mierzy sumą natęŝeń prądów płynących przez badany opornik oraz woltomierz: Wartość mierzonego oporu wynosi: = + V (5) V V = = = (6) V V V Gdy oporność ma wartość porównywalną z opornością wewnętrzną woltomierza ( V ) wyznaczając szukaną oporność popełniany błąd jest bardzo duŝy, nawet 100%. Dzieje się tak, dlatego Ŝe przy podanych powyŝej załoŝeniach prąd moŝe osiągnąć wartość 2 x. Tak więc ten układ moŝna zastosować do wyznaczenia oporności opornika w przypadku gdy V <<, tj. gdy oporność opornika jest duŝo mniejsza od oporności woltomierza. W układzie pomiarowym przedstawionym na ys. 2b woltomierz jest połączony szeregowo z opornikiem, którego oporność wyznaczamy. kład ten moŝna przedstawić jako układ oporników przedstawiony na ys. 3b. ys. 3b oznacza oporność wewnętrzną amperomierza, a V oporność wewnętrzną woltomierza. Woltomierz mierzy sumę napięć na oporniku oraz napięcia na amperomierzu : 7

7 8 V + = (7) Mierzone przez amperomierz natęŝenie prądu jest natęŝeniem prądu płynącego przez amperomierz i badany opornik. Wartość mierzonego oporu wynosi : V V = = = (8) kład ten powinien być stosowany w przypadku gdy wartość oporu mierzonego jest duŝo większa od oporności ( ) amperomierza.

8 4. Przygotowanie do pomiarów Przed przystąpieniem do łączenia układu zapoznaj się z rozmieszczeniem elementów na płytce pomiarowej. Przedstawia ją ys. 4. Gdzie: ys. 4 P potencjometr regulacyjny w wyłącznik (zamknięty pozwala na pomiary oporności 1 opornika, lub 2 połączonych równolegle) (musi być otwarty, gdy badane jest szeregowe połączenie 2 oporników) i V.. oznaczenia mierników 1, 2, 3 oporniki Metoda dokładnego pomiaru napięcia a). za pomocą multimetru zmierz oporność badanych oporników, zapisz wyniki, b). połącz układ pomiarowy według schematu uŝyj jednego z mierzonych oporników WG: wyłącznik w musi być zamknięty. ys. 5 c). zmieniając potencjometrem P wartość napięcia od 2 25V zapisz wskazania amperomierza 9

9 d). powtórz pomiary z pkt. c dla drugiego opornika e). połącz oba oporniki równolegle (patrz schemat z ys. 6 ) i powtórz pomiary z pkt. c) WG: wyłącznik w musi być zamknięty. ys. 6 f). połącz oba oporniki szeregowo (patrz schemat z ys. 7 ) i powtórz pomiary z pkt. c) WG: wyłącznik w musi być otwarty. ys. 7 10

10 Metoda dokładnego pomiaru prądu a). za pomocą multimetru zmierz oporność badanych oporników, zapisz wyniki, b). połącz układ pomiarowy według schematu uŝyj jednego z mierzonych oporników WG: wyłącznik w musi być zamknięty. ys. 8 c). zmieniając potencjometrem P wartość napięcia od 2 25V zapisz wskazania amperomierza d). powtórz pomiary z pkt. c dla drugiego opornika e). połącz oba oporniki równolegle (patrz schemat z ys. 9 ) i powtórz pomiary z pkt. c WG: wyłącznik w musi być zamknięty. ys. 9 f). połącz oba oporniki szeregowo (patrz schemat z ys. 10 ) i powtórz pomiary z pkt. c 11

11 WG: wyłącznik w musi być otwarty. ys Opracowanie wyników 1. Na podstawie prawa Ohma wyznacz wartość rezystancji badanych oporników 1 i 2 2. Wykonaj wykres =f() na podstawie wykresu wyznacz wartość rezystancji 1 i 2 3. Porównaj wyniki z pkt.1 i pkt.2 oraz wartość odczytaną bezpośrednio z Omomierza 4. Porównaj otrzymaną wartość rezystancji zastępczej z w połączeniu szeregowym z wartością otrzymana z pomiarów z pkt.1 5. Porównaj otrzymaną wartość rezystancji zastępczej z w połączeniu równoległym z wartością otrzymana z pomiarów z pkt.1 6. Przeanalizuj wartość napięcia oraz prądu otrzymane przy metodzie poprawnego mierzenia prądu oraz dla poprawnego mierzenia napięcia. Literatura [1] S. Osowski, K. Siwek, M. Śniadek, Teoria obwodów, OWPN, Warszawa 2006 [2] M. usek, J. Pasierbiński, Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 2006 [3]. esnik, D. Holliday, J. Walker Podstawy fizyki, tom 3, PWN, Warszawa 2003 [4] Wprowadzenie do Laboratorium Podstaw Elektroniki. 12