Вимірювання опору провідників містковою схемою.

ЕЛЕКТРИКА

 

Лабораторна робота № 25.

Дослідження потужності і ККД електродвигуна за допомогою стрічкового гальма.

Прилади і приладдя: електродвигун, стрічкове гальмо з динамометром, лічильник обертів, електросекундомір, вольтметр на 300 В, амперметр на 1А, штангенциркуль.

Мета роботи: засвоїти один із методів вимірювання характеристик електродвигуна.

 

Коротка теорія та метод вимірювань

 

Потужність електродвигуна може бути обчислена за формулою

P = A / t, (1)

де

A = F S (2)

- робота долання сили тертя F; S - шлях, на якому діє сила тертя. Силу тертя F, що долається двигуном, можна знайти за різницею сил натягів F₁і F₂ розгалужень гальмівної стрічки, які визначаються динамометром при натягу стрічкового гальма

F = F₁- F₂ (3)

Якщо радіус шківа дорівнює r, число обертів двигуна є N, то шлях S знаходять за співвідношенням

S = 2π r N. (4)

З урахуванням співвідношень (2) – (4) із (1) одержуємо потужність електродвигуна на валі:

P = 2π r N (F₂ – F₁) / t (5)

Потужність споживаного струму визначається величиною сили струму в двигуні і напругою на ньому:

P = I U, (6)

де I - сила струму, U - напруга на двигуні.

Коефіцієнт корисної дії знайдемо як відношення потужності двигуна на валі до потужності струму, що споживається:

η = P / P_T. (7)

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть коло згідно зі схемою (рис.1). Виміряйте штангенциркулем радіус шківа r.

Рис. 1.

2. Закріпіть планку з динамометром в прорізі стояка таким чином, щоб динамометри давали рівні показання F^/₁ і F^//₂ = 1H.

3. Увімкніть електродвигун. В результаті цього динамометри дадуть різні показання F₁ і F₂. Запишіть їх в таблицю і визначте силу тертя F = F₁ – F₂.

4. Визначте за вольтметром і амперметром напругу U і силу споживаного струму I і занесіть результати відліків до таблиці.

5. Спостерігаючи за лічильником обертів, помітьте момент співпадання поділки шкали лічильника з 1000 або 2000 обертів, включіть секундомір, визначте його показання під час роботи двигуна та виключіть двигун.

6. Не вмикаючи двигуна, підніміть динамометри вище і збільшіть натяг стрічкового гальма на 0,5H. Знову проведіть виміри.

7. Збільшуючи натяг стрічкового гальма через 0,5H, повторіть дослід 4 рази. Результати дослідів занесіть до таблиці. За формулами (5) – (7) визначте шукані величини.

 

№

r

F^/

t

N

I

U

PT

F1

F2

F

P

η

…

 

Дайте відповідь на запитання:

1. На якому явищі грунтується робота електродвигуна?

2. Яка частина електричної енергії йде на нагрівання обмотки?

3. Чому при надто великому навантаженні двигун може вийте з ладу?

4. Побудуйте за даними таблиці залежність ККД від потужності електродвигуна.

 

 

Лабораторна робота № 27.

Градуювання термоелемента.

Прилади та приладдя: термопари, гальванометр, дві посудини з водою, електронагрівач.

Мета роботи: засвоїти метод вимірювання температури за допомогою термопари.

 

Коротка теорія та метод вимірювань

 

Майже вільні електрони, що знаходяться у металі в стані хаотичного руху, утримуються всередині металу електричними силами. Для виходу електрона із металу треба затратити енергію і виконати за її рахунок роботу А, що зветься роботою виходу електрона із металу. Величина роботи виходу залежить від природи металу, а також його стану. При дотику двох різних металів електрони в результаті теплового руху переходять із одного металу в інший і зворотньо в різних кількостях. Кількість електронів, що перетинають межу розділу в одиницю часу, залежить від роботи виходу і концентрації електронів в одиниці об’єму - n.

У різних металів величини A і n різні, тому перехід електронів через контактний шар відбувається в більшій кількості від металу з меншою роботою виходу і з більшою концентрацією вільних електронів. При цьому провідник з надлишком електронів набуває негативного потенціалу, а інший, що втратив частину електронів, - позитивного. Виникаюче і зростаюче при цьому електричне поле сповільнює процес переходу електронів від одного металу до іншого і призводить до рівноважнго стану, при якому потоки електронів в обох напрямках вирівнюються. Різниця потенціалів, що з’являється між металами, називається контактною різницею потенціалів. Величина її залежить від температури контакту.

Якщо укласти замкнуте коло із двох спаяних кінцями (рис.1) різнорідних металів L і M, яке називають термопарою, то в місцях спаїв 1 і 2 виникнуть протилежні за знаком контактні різниці потенціалів. При однакових температурах спаїв (T₁ – T₂) сумарна різниця потенціалів дорівнює нулеві. А при наявності різниці температури сумарна різниця потенціалів відмінна від нуля. Нехай спай 1 витримується при температурі Т₁, а спай 2 – при Т₂ і нехай Т₂ > Т₁. Позначимо контактну різницю потенціалів у спаях 1 і 2 відповідно V₁і V₂. Тоді, враховуючи протилежність V₁і V₂. сумарне падіння напруги в колі можна подати як

E = V₁ – V₂. (1)

Подана співвідношенням (1) різниця потенціалів у даному випадку відмінна від нуля і носить назву термоелектрорушійної сили. Теоретичний розгляд явища термоелектрики в квантовій фізиці приводить до такого виразу для термоЕРС:

 

E = α (T₁ – T₂) (2)

де α - так званий коефіцфіцієнт термоЕРС.

Співвідношення (2) справедливе для термоелементів у деякому інтервалі різниці температур, тому що величина α слабо залежить від температури. У вузькому інтервалі температур можна знехтувати залежністю α від температури і вважати її сталою для даного термоелементу. В цьому випадку її звуть сталою термопари. Згідно з виразом (2) величина α визначається як термоЕРС, що виникає при різниці температур у 1 К. Тобто параметр α характеризує чутливість термоелемента до температури. При наявності термоЕРС в колі виникає термоелектричний струм I, величина якого визначається за законом Ома:

I = E / (R + r), (3)

де R - зовнішній опір кола; r - опір термопари.

Як бачимо із (3), сила струму в гальванометрі пропорційна термоЕРС, а остання пропорційна різниці температур іі спаїв. На цій залежності грунтується термоелектричний метод вимірювання температури. Для цього термоелемент має бути заздалегідь проградуйованим. Результати градуювання зображують у вигляді графіка і у вигляді формули з відомим значенням α.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть установку за схемою (рис.1). Перевірте рівність температур води в посудинах. При рівності температур стрілка гальванометра має стояти на нулеві.

2. Увімкніть електронагрівач однієї з посудин.

3. За відхиленням стрілки гальванометра визначить струм у колі (ціна поділки вказана на приладі). Повільно нагрівайте воду в посудині та через 2 К записуйте значення відповідних струмів. Температуру не підвищуйте понад 90˚С.

4. Вимкніть електронагрівач і за формулою (3) визначте термоЕРС Е для одержаних значень струму I. Опір термопари r = 1,5 Ом. Значення R позначено на гальванометрі.

5. На основі дослідних даних побудуйте графік залежності E = f(ΔT). За нахилом графіка визначте величину α згідно з (2) як кутовий коефіцієнт нахилу графіка до осі температур.

 

Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці:

 

№	T1i	T2i	Δ Ti	Ii	E	α

 

Дайте відповіді на запитання:

 

1. Назвіть причини появлення контактної різниці потенціалів.

2. Які переваги і недоліки мають термоелементи в порівнянні зі звичайними термометрами?

3. Назвіть можливі застосування термоелементів у техніці, біології, сільському господарстві.

4. Чому при однакових температурах спаїв термоЕРС в колі відсутня?

 

 

Лабораторна робота № 28.

Спільним емітером.

Прилади та приладдя: установка для дослідження транзисторів, транзистор типу МП-40, джерело живлення на 3 і на 10 В.

Мета роботи: дослідження роботи транзистора, ввімкненого за схемою з загальним емітером у статичному режимі.

Коротка теорія і методика вимірювань

Транзистор – триелектродний напівпровідниковий прилад, що має два взаємодіючі електронно-діркові переходи. В транзисторі за типом провідності чергуються три області напівпровідника: р-n-р або n-р-n. Принцип роботи їх однаковий.

Розглянемо транзистор типу р-n-р (рис. 1). На схемі: 1 – емітерний р-n перехід; 2 – колекторний n-р перехід; Б – омічний контакт. Площа колекторного переходу S_к значно більша за площу емітерного переходу S_e. Товщина бази складає від часток до кількох десятків мікрометрів. Концентрація домішок в базі невелика і значно менша за їх концентрацію в областях колектора і емітера.

При вмиканні джерела напруги емітерного переходу U_e (джерело U_к вимкне-

не) в область бази з боку емітера інжектуються дірки, які порушують електричну нейтральність бази, в результаті чого потенціал бази зростає. Це сприяє притоку електронів із зовнішнього кола, які нейтралізують позитивний заряд бази, зумовлений притоком дірок з боку емітера. В колі бази тече струм бази I_Б, приблизно однаковий зі струмом емітера I_e - відкритий емітерний контакт.

При одночасному ввімкнені джерела U_e і U_к картина суттєво змінюється. Дірки, що ввійшли до бази з боку емітера, спрямовуються до колекторного переходу, тому що поле для них є прискорюючим. Втягуючись полем колекторного переходу в область колектора, дірки зумовлюють колекторний струм, рекомбінуючи з електронами, що прийшли в область колектора із зовнішнього колекторного кола. Частка дірок (приблизно 0,1%) рекомбінують у базі, що сприяє притоку електронів із зовнішнього кола бази і визначає струм I_б. Отже, струм емітера дорівнює:

I_e = I_к + I_б. (1)

В загальному випадку рівність (1) може бути подана інакше:

I_б = α I_e. (2)

Коефіцієнт α < 1 називається коефіцієнтом передачі струму бази. Крім того, у кoлі колектора протікає зворотний струм колектора I_ко, співпадаючий за напрямком зі струмом I_к. Таким чином, остаточно одержуємо

I_к = α I_e + I_ко. (3)

Розрізняють три схеми вмикання транзистора: зі спільною базою (СБ), зі спільним колектором (СК) і зі спільним емітером (СЕ). Найбільш поширеною є схема зі спільним емітером (рис. 2), яка й досліджується в даній роботі. В цій схемі спільною точкою вхідного та вихідного кола є емітер, що й зумовило назву схеми. Основним параметром схеми є коефіцієнт підсилення струму β, який визначається співвідношенням

β = I_к / I_б = I_к / (I_e - I_к ) = α / (1 - α), (4)

де α = I_к / I_e визначено співвідношенням (2). Крім коефіцієнта передачі струму, для розрахунків схем на транзисторах треба мати статичні характеристики. Cтатичною вхідною характеристикою є залежність струму бази I_б від напруги між базою та емітером при сталій напрузі між колектором та емітером, тобто I_б = f (U_вх) при U_вх=сonst. Типовий вигляд цих характеристик при різних напругах U_вх = 0, 2, 5, 8 В показано на рис.3. Статичною вихідною характеристикою схеми є залежність струму колектора I_к від напруги між колектором та емітером U_вих при сталому струмі бази, тобто I_к = f (U_вих) при I_б = const. Вигляд цих характеристик подано на рис. 3 для різних струмів I_б = 0, 20, 40, 60, 80 мкВ.

 

Порядок виконання роботи:

1. Ознайомтеся з установкою. Зберіть коло досліджень згідно зі схемою (Рис. 4) і отримайте дозвіл викладача на виконання вимірювань.

2. Зніміть експериментальні дані для побудови статичної вхідної характеристики I_б = f (U_вх) при U_вих = 0. Для цього потенціометри R₁ і R₂ виведіть в крайнє положення, щоб U₁ = U₂ = 0. Зробіть перший відлік струму бази I_б за мікроамперметром мкА. Залишаючи U₂ = 0, змінюйте за допомогою потенціометра R₁ напругу між емітером та базою транзистора U₁=U_вх, згідно з табл.1, і записуйте величину струму бази за показаннями мікроамперметра. Одержані значення струму бази занесіть до табл. 1.

3. Одержіть експериментальні дані для побудови статичної вхідної характеристики I_б = f (U_вх) при U_вих = 5 В. Для цього потенціометр R₁ виведіть в крайне положення U₁ = U_вх = 0, і за допомогою потенціометра R₂ установіть напругу між емітером та колектором U_вих = U₂ = 5 В.

Змінюючи потенціометром R₁ напругу
між базою та емітером, згідно з табл. 1, зробіть відлік струму бази за
мікроамперметром.

Рис.4.

Дані експерименту занесіть до таблиці 1.

Таблиця 1.

	Uвх = U1(мВ)
Uвих =U2=0B	Iб, мкА
Uвих =U2=5B	Iб, мкА

 

4. На міліметровому папері побудуйте дві статичні характеристики I_б=f(U_вх) при U_вих = 0 та U_вих = 5 В.

Завдання 2.

5. Отримайте експериментальні дані для побудови сімейства статичних вихідних характеристик I_к=f(U_вих) при I_б=const. З цією метою встановіть почергово I_б =50, 200, 300 мкА, у відповідності з табл. 2 змінюйте потенціометром R₂ напругу між колектором і емітером U_вих=U₂ і робіть відліки колекторного струму I_к за міліамперметром.

Одержані значення струму колектора занесіть до табл. 2.

Таблиця 2.

	Uвих = U2(В)
Iб = 50 мкА	Iк, мА
Iб = 200 мкА	Iк, мА
Iб = 300 мкА	Iк, мА

6. За експериментальними даними табл. 2 побудуйте на міліметровому папері сімейство статичних вихідних характеристик.

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Що називають транзистором?

2. Який вигляд мають статичні вхідні та вихідні характеристики?

3. Як працює транзистор р-n-р-типу?

 

 

Лабораторна робота № 32.

ОПТИКА ТА ФІЗИКА АТОМА

Лабороторна робота № 38.

ЕЛЕКТРИКА

 

Лабораторна робота № 25.

Вимірювання опору провідників містковою схемою.

Прилади та приладдя: калібровані опори (декади опорів), гальванометр, шунтуючий резистор з вимикачем, магазин опорів, джерело постійного струму (акумуляторна батарея), вимикач, вимірювальні опори.

Мета роботи: засвоїти метод вимірювання опорук із застосуванням схеми мосту постійного струму (міст Уітстона).

 

Коротка теорія і метод вимірювань

 

Електричним струмом називається спрямований рух електричних зарядів. Необхідною умовою існування електричного струму є наявність напруги або різниці потенціалів на кінцях провідника. Напруга на даній ділянці кола дорівнює сумі різниці потенціалів і електрорушійної сили (ЕРС), що діє на даній ділянці кола. У відсутності останньої напруга співпадає з різницею потенціалів на кінцях ділянки кола.

Сила струму I, згідно з законом Ома, пропорційна напрузі U на даній ділянці кола і обернено пропорційна її опорові R:

I = U / R. (1)

Електричний опір провідника R зумовлений гальмуванням носіїв електрики за допомогою їх зіткнень з коливаннями іонів у кристалічній гратці металу. Опір провідника R залежить від матеріалу провідника, від його довжини та площі поперечного перетину і температури.

Для визначення опору провідників існують методи, найточнішим із яких є міст постійного струму (місток Уітстона). Принципова схема містка подана на рис.1. Вимірювальний опір R_X та три інших змінних опори (R₀ - магазин опорів, та R_1, R₂-калібрувальні опори) з’єд’ують так, що вони утворюють замкнутий чотирикутник ACBD. В одну діагональ чотирикутника увімкнуто гальванометр (ця ділянка і є містком), а в іншу через вимикач - джерело постійного струму з ЕРС Е. При замиканні кола гальванометр покаже наявність струму на ділянці CD. Проте можна підібрати опори R₀, R₁ та R₂ такі, що потенціали точок C і D стануть рівними. Тоді струм в колі гальванометра відсутній (при замиканні ключа К стрілка гальванометра залишається на нульовій поділці). Оскільки у розгалужень AC і AD точка A спільна, а потенціали точок C і D однакові, то беручи до уваги, що в цих ділянках відсутні ЕРС, падіння напруг на них при цьому будуть, згідно з (1), однакові. Те ж саме справедливе і для розгалужень CB і DB:

I₀ R₀ = I₁ R₁; I_X R_X = I₂ R₂. (2)

 

 

Рис. 1.

Оскільки в ділянці CD струм відсутній, то по ділянці CВ іде такий же струм, як і по АС, а в розгалуженні DB, як і в AD, тобто I₀ = I_X, I₁ = I₂. Поділивши рівняння (2) і скорочуючи, згідно останнім співвідношенням для струмів, значення струмів, одержимо основне співвідношення зрівноваженного мостика:

R₀ / R_X = R₁ /R₂. (3)

Звідки знаходимо шуканий опір R_X:

R_X = R₀ (R₂ / R₁) (4)

Розглянутий метод можна застосовувати і для ланцюгів змінного струму. В розгалудженні АС можна розмістити, наприклад, замість R₀ еталонний конденсатор або індуктивність, а в розгалуженні СВ - невідому ємність або індуктивність. Досягаючи зміною співвідношення R₁ / R₂ відсутності струму в містку CD, за відомим значенням еталонної величини можна знайти невідому.

В даній роботі в ролі опору R₀ виступає магазин опорів, в ролі опорів R₁ і R₂ - калібровані опори (декади).

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть електричне коло згідно зі схемою (рис.1). Замість опору R_X ввімкніть один з реостатів з невідомим опором R^/ або R^//.

2. Встановіть однакові значення калібрувальних опорів (декад) R₁=R₂. Замкнувши шунтуючий пристрій вимикачем К^/, і коло батареї вимикачем К, підберіть опір R₀ в магазині так, щоб струм в гальванометрі зник, тобто стрілка гальванометра стояла на нульовій поділці. Розімкніть шунтуючий пристрій і доможіться відсутності струму у містку.

УВАГА! РОЗМИКАТИ ВИМИКАЧ ШУНТА ДОЗВОЛЯЄТЬСЯ ТІЛЬКИ ПІСЛЯ ГРУБОГО НАСТРОЮВАННЯ, ІНАКШЕ МОЖНА СПАЛИТИ ГАЛЬВАНОМЕТР.

3. Підставте значення опорів в (4) і знайдіть значення R^/.

4. Замініть перший реостат R^/ на другий R^// і у відповідності з пунктами 1-3 визначте його опір.

5. Ввімкніть реостати R^/ і R^// спочатку послідовно, а потім – паралельно і виміряйте опори цих з’єднань згідно пп.1-3, одержуючи значення Rпс і Rпр.

6. За відомими формулами Rпс = R^/ + R^// та 1/Rпр = 1/ R^/ + 1/ R^// обчисліть опори послідовного і паралельного сполучення реостатів та занесіть значення їх до колонки R_X таблиці:

7. Одержані дослідним шляхом результати Rпс і Rпр співставте з розрахованими значеннями і визначте їх відхилення.

8. За допомогою омметра виміряйте R^/ і R^// і результати запишіть в таблицю.

Всі дані вимірювань і розрахунків подайте в таблиці.

 

За вимірюваннями	За розрахунками
R1	R2	R0	RX	RX	Δ RX

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому опори металів збільшуються при нагріванні?

2. Від чого залежить точність вимірювань опору містковим методом?

3. Чи зміняться умови рівноваги, якщо джерело і гальванометр поміняти місцями?

 

Лабораторна робота № 26.