Naturvetenskapliga för lärare, Göteborgs Universitet LNA310GU LABORATION (EB1) DEL 1 - Grundläggande ellära

Transkript

1 Göteborgs Universitet Februari 2012 Fysik och Teknisk Fysik 11 sidor Bert Jansson/Ingvar Albinsson, rev. av Johan Borglin Naturvetenskapliga för lärare, Göteborgs Universitet LNA310GU LABORATION (EB1) DEL 1 - Grundläggande ellära Likströmskretsar, Resistans, Mätinstrument, Spänningskällor, äxelström. Förberedelse: i) Läs noggrant igenom Minnesregler vid koppling av elektriska kretsar på sidan 4. ii) Försäkra dig om att du tagit del av föreskrifterna LIRÄDDNING ID ELSKADA! (Om du inte redan lämnat in den bifogade talongen med din underskrift, gör det!) Du bör ha fått dessa föreskrifter på din första räkneövning, om inte kontakta ansvarig lärare eller se UPPGIFTER: 1. Resistans i resistor - Ohms lag Resistivitet 2. Resistans i glödlampstråd 3. Resistansbestämning - analoga/digitala instrument 4. Ems (elektromotorisk spänning) och inre resistans 5. äxelspänning MÅLSÄTTNING: hantera universalinstrument/multimetrar förstå kopplingsschema klargöra innebörden av Ohms lag förstå begreppet inre resistans - skillnad mellan analoga och digitala multimetrar förstå sambandet mellan en spänningskällas polspänning, elektromotorisk spänning och inre resistans förstå innebörden av växelspänning och växelström Titta på ett modernt oscilloskop Namn: Datum:.. Handledarens underskrift:....

2 Kurs NBA010 Sidan 2 av 12 MINNESREGLER ID KOPPLING A ELEKTRISKA KRETSAR 1. Koppla komponenter amperemeter (med lämpligt inställt mätområde!). Amperemetern kopplas alltid i serie! lämpligt inställt mätområde = ett mätområde som ger så stort utslag som möjligt. (Det är ofta olämpligt att byta mätområde då man gör en mätserie - börja därför med största mätvärdet och behåll mätområdet så länge det går!) A 2. Koppla sedan in voltmeter (lämpligt mätområde!). oltmetern kopplas alltid parallellt! Likspänningsinstrument (ampere- och voltmeter) kopplas så att rätt polkontakt är vänd mot den sida av kretsen som har högre potential. Denna polkontakt är vanligen märkt med ett -tecken och är rödfärgad. (Detta är speciellt viktigt för analoga instrument eftersom visaren annars vrids åt fel håll!) A 3. Spänningskällan kopplas alltid in sist (när du är säker på att övriga kretsen är korrekt kopplad) med spänningsratten nedvriden till minimum. A Då du kommer till labplatsen i ET-labbet, se till att all apparatur är avstängd INNAN du börjar. (Föregående grupp kan ha slarvat med att slå av strömbrytare till något aggregat!) OBS! Inga sladdar får stickas in i stickkontaktuttagen märkta 220 (den orangefärgade uttagslisten)! LISFARLIGT! 2

3 Kurs NBA010 Sidan 3 av 12 Uppgift 1a. RESISTANS I RESISTOR - OHMS LAG Bakgrund: Resistans (eller en komponents ovilja att leda ström) definieras som förhållandet mellan spänning och ström, R U I. För en ideal resistor är resistansen oberoende av vilken ström som passerar. En ideal resistor lyder sålunda under Ohms lag som ofta skrivs: U R I, där R = konstant. Avsikt: Bestäm sambandet mellan ström och spänning för en verklig resistor (ett motstånd) och beräkna dess resistans. Utrustning: Likspänningsaggregat (HP E3611A), motstånd 120, två analoga universalinstrument, krokodilklämmor, sladdar. Koppla samman en krets enligt figurens schema motståndet fästs i en kopplingsplint. Gör en mätserie där spänning- och strömvärden anges i tabellform och därefter i ett diagram. älj lämpliga mätområden hos volt- och amperemeter. Tänk på att kontrollera (och eventuellt justera) visarens nollställning på mätinstrumentet före inkoppling. R A Spänning U () 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Ström I ( ) Gäller Ohms lag? Någon mätbar avvikelse? 3

4 Kurs NBA010 Sidan 4 av 12 Uppgift 1b. RESISTANS I RESISTOR - RESISTIITET Bakgrund: Ett motstånd består ofta av ett mycket tunt kol- eller metallskikt. Skiktets resistans beror av dess längd och tvärsnittsarea samt vilket material skiktet utgörs av. Resistansen kan skrivas: R l A, där l = längd, A = tvärsnittsarea och = materialets resistivitet. Med ohmmetern mäter man på ett enkelt sätt resistans. Ohmmetern består i princip av en spänningskälla (t.ex. batteri) kopplad i serie med en amperemeter, där man graderat om mätskalan från ampere till ohm via Ohms lag. Du finner ohmmetern på din multimeter genom att ställa in ratten på -mätning. Avsikt: Bestäm resistiviteten för en resistanstråd med hjälp av en ohmmeter. Utrustning: Ohmmeter, ca 5 dm resistanstråd (som du får från labassistenten), krokodilklämmor, sladdar. Mät resistans, längd och tvärsnittsarea. Bestäm resistiviteten för resistanstråden: R A l m Jämför detta med värdet i labbhandledarens tabell. Stämmer det?. Notera! För en bra resistanstråd bör temperaturkoefficienten vara liten, dvs. motståndet skall ha ungefär samma värde oavsett om man mäter vid 20 C eller 50 C. Enligt en gymnasietabell är temperaturkoefficienten för resistansen hos koppar a Cu 4, K 1. Det innebär att ett kopparmotstånd ökar sin resistans med 13% när temperaturen ökar med 30 C enligt följande formel (som beskriver resistansens temperaturberoende): R( T ) R20C 1 a T, där R 20 C = resistansvärde vid 20 C a = temperaturkoefficienten T = temperaturavvikelse från 20 C Slå upp temperaturkoefficienten för din resistanstråd i handledarens tabell! Resultat: a = K 1 Hur många procent ökar resistansen i ett motstånd baserat på detta material om temperaturökningen är 30 C (jämför med koppar ovan)? % 4

5 Kurs NBA010 Sidan 5 av 12 Uppgift 2. RESISTANS I GLÖDLAMPSTRÅD avvikelse från Ohms lag Bakgrund: En glödlampstråd består av en tunn spiral av volfram som har extremt hög smälttemperatur (3380 C). Eftersom temperaturen varierar kraftigt med den pålagda spänningen så är även resistansen kraftigt spänningsberoende. Avsikt: Att undersöka sambandet mellan spänning och ström för en glödlampa. Utrustning: Likspänningsaggregat, lamphållare, glödlampa 6/0,3W, två analoga universalinstrument, sladdar. Koppla följande krets: Gör en mätserie (fyll i tabellen nedan) och åskådliggör i ett diagram. OBS! Öka inte spänningen över 10 (Då smälter glödtråden!). älj lämpliga mätområden hos volt- och amperemeter. A Spänning U () 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 Ström I ( ) Gäller Ohms lag för glödtråden i det uppmätta intervallet? Förklara varför (jämför med uppgift 1)?... Beräkna det spänningsberoende resistansvärdet R vid spänningarna 4, 5 och 6 : R 4 = R 5 = R 6 = 5

6 Kurs NBA010 Sidan 6 av 12 Uppgift 3. RESISTANSBESTÄMNING Bakgrund: Ett voltmeter stör den elektriska kretsen på så vis att en del av strömmen passerar (oönskat) genom mätinstrumentet. Hur mycket den stör beror av voltmeterns inre resistans. Den bör vara så stor som möjligt eftersom den kopplas parallellt (en ideal voltmeter har R i = ). En amperemeter stör också kretsen på grund av sin inre resistans. Amperemeterns inre resistans bör vara så liten som möjligt eftersom den kopplas seriellt (en ideal amperemeter har R i = 0 ). Avsikt: Att bestämma resistans genom samtidigt avläsning av volt- och amperemeter och att i samband med detta få en inblick i de mätproblem som kan finnas på grund av begränsningar i mätinstrumentens prestanda. Utrustning: Likspänningsaggregat, ett 100 koch ett motstånd, två enkla DMM, en bra DMM, sladdar. Tänk på att voltmetern kopplas parallellt och amperemetern i serie! Koppla en krets enligt figurens schema. Du skall kontrollmäta 100 k och 1Mmotstånden. i) Koppla in 100 k. Avläs volt- och amperemeter och beräkna Dekad A resistansen. R 100 k = (OBS Metcix MX1 analog voltmeter!) ii) Ändra dekadmotståndet till 1 M. Avläs volt- och amperemeter och beräkna resistansen. R 1 M = (OBS analog voltmeter!) iii) Observera amperemeterns utslag, då du kopplar in respektive ur voltmetern. Gör detta både för 100 k och 1 M. Förklara din observation? iv) Upprepa återigen punkterna i)-iii) men nu med en digital multimeter som voltmeter. R 100 k = (OBS digital voltmeter!) U 7 Philips Service R 1M = (OBS digital voltmeter!) 6

7 Kurs NBA010 Sidan 7 av 12 Uppgift 4. Förklara skillnaden från din observation i punkt iii)? EMS (ELEKTROMOTORISK SPÄNNING) OCH INRE RESISTANS Bakgrund: Ett batteri har en inre resistans som begränsar dess möjlighet att leverera hög ström. Batteriets polspänning kan enkelt beskrivas av Ohms andra lag: U E Ri I, där E = elektromotorisk spänning (ems), enhet = volt R i = batteriets inre resistans I = uttagen ström. Den inre resistansen R i medför alltså att polspänningen sjunker när man belastar ( tar ut ström ur) batteriet och bör därför vara så liten som möjligt. I ett belastat batteri utvecklas värmeenergi vilket är relaterat till den inre resistansen R i. Batteriets ems E bestäms av batteritypen (dvs typ av elektrokemiska reaktioner). Avsikt: Att undersöka hur ett batteris polspänning påverkas av strömuttagets storlek. Utrustning: Stavbatteri i hållare, trådlindat variabelt motstånd (0-250 ), två digitala multimetrar, sladdar. Koppla enligt figurens schema. Håll inte kretsen sluten längre tid än vad som behövs för avläsning. Annars laddar batteriet snabbt ur. Ställ in värden på belastningsströmmen enligt tabellen nedan genom att reglera resistansen R. Avläs motsvarande polspänning på voltmetern med 2 decimaler. Rita diagram (för batterikarakteristik avsätts normalt polspänning U som funktion av belastningsström I). R DMM E R i Batteri A isarinstrument 7

8 Kurs NBA010 Sidan 8 av 12 Belastningsström I (ma) Polspänning U () Hur stor är batteriets ems? E = Bestäm batteriets inre resistans ur diagrammet! R i = 8

9 Kurs NBA010 Sidan 9 av 12 Uppgift 5. ÄXELSPÄNNING Bakgrund: En växelspänning är ett periodiskt förlopp där spänningen växlar tecken. Kurvan kan t.ex. vara fyrkant-, trekant- eller sinusformad. Sinusspänningen är vanligast och det är också den typen som utgör elnätets växelspänning (i detta fall är frekvensen 50 Hz dvs. 50 perioder/s). Matematiskt kan tidsberoendet för en sinusspänning beskrivas på följande vis: u( t) uˆ sin2 f t där û är amplituden och f är frekvensen. Notera att man använder normalt liten symbol, u, för att markera tidsberoendet. Då man ansluter en resistor till en växelspänning kommer en växelström att flyta i resistorn. Det betyder att strömmen byter riktning två gånger under en hel period. Avsikt: Att åskådliggöra samt förstå innebörden av växelström. Utrustning: Funktionsgenerator, glödlampa (6 / 0,3 W) med hållare, DMM, 1st koaxialkabel, 1st koaxial/banankontakt, 1st koaxial T-delare, sladdar. Utnyttja en koaxialkabel för att ansluta glödlampa och digital voltmeter till funktionsgeneratorn enligt figuren! oltmetern ska vara inställd i växelspänningsläge (AC alternativt ~)! I detta läge mäts ett slags medelvärde av den varierande spänningen, det s.k. effektivvärdet. Koppla in oscilloskopet till funktionsgeneratorn med hjälp av en T-delare. ~ Ställ funktionsgeneratorns kurvform i sinusläge (~) med frekvensen 1000 Hz och öka spänningen till ca 5! Lampan bör nu lysa med ett till synes fast sken. För att ögat skall uppfatta ett kontinuerligt ljussken krävs att frekvensen är tillräckligt hög. Detta fenomen är även viktigt för att man ska uppfatta en sekvens av stillbilder såsom rörlig film (biografer, T, datorer etc.). Den kritiska uppdateringsfrekvensen ligger på ca 20 Hz, men mycket beror på vad det är för slags bilder som visas. På näthinnan är tapparna ögats färgsensorer medan man med stavarna förnimmer svart-vitt! När en kort ljus punkt uppfattas av ögat tar det ca 0,25 s för stavarna att nå maximal respons. Tapparna reagerar ungefär fyra gånger så snabbt. Därför är den kritiska uppdateringsfrekvensen lägre vid nattseende! Minska frekvensen tills du kan förnimma att glödlampan faktiskt blinkar! id vilken frekvens sker detta? Hz Ställ nu in frekvensen på 0,02 Hz (dvs. 1/50 Hz). Det betyder att en hel period fullbordas på 50 s. Ändra samtidigt voltmetern till likspänningsläge (DC alternativt =) för att kunna avbilda tidsberoendet. Det kan vara enklare att avläsa volt- 9

10 relativ intensitet u(t) () Kurs NBA010 Sidan 10 av 12 metern om du väljer ett mätområde där endast en decimal syns. Mät tidpunkterna för växelspänningens extrempunkter för att avbilda en hel period. Utgå från första nollgenomgången mot maximal positiv spänning och notera tid och spänning. Uppskatta även lampans intensitet och för in i tabellen. t (s) u(t) () Lampans intensitet 1:a nollgenomgången 0 maximal spänning 2:a nollgenomgången 0 Minimal spänning fullbordad period 0 För in resultatet av spänningen, u(t), i det övre diagrammet (nedan) och lampans uppskattade ljusintensitet i det undre diagrammet. Fyll ut de två sinuskurvorna mellan punkterna! (Notera att den undre sinusformade kurvan aldrig är negativ!) % % 50% 25% 0% t (s) ad kan man säga om frekvensen hos ljusintensiteten jämfört med frekvensen hos växelspänningen?.. (Tänk på att lampan lyser både när strömmen går framåt och bakåt!) 10

11 Kurs NBA010 Sidan 11 av 12 Hur stor är amplituden hos växelspänningen? û Skriv det matematiska uttrycket för din avbildade sinusspänning: u(t) = 11