Badanie prawa Ohma dla przewodników omowych i nieomowych

1. Zapoznanie się z aparaturą

1. W tym eksperymencie użyj komputera do zebrania danych i wykreślenia wykresów.
2. Załaduj oprogramowanie do eksperymentu, klikając dwukrotnie ikonę "Prawo Ohma" na pulpicie komputera. Po załadowaniu programu na ekranie powinien pojawić się wykres, tabela, a w prawym dolnym rogu pola z odczytami napięcia i prądu.
3. Kliknij przycisk Zero i wybierz "Wyzeruj wszystkie czujniki", aby upewnić się, że odczyty napięcia i prądu wskazują zero, gdy są niepodłączone.
4. Postępując zgodnie ze schematem obwodu w Rysunek 1, podłącz dwa przewody czujnika napięcia do zasilacza, który jest niebieskim polem. Czerwony przewód idzie do złącza + na zasilaczu, a czarny przewód idzie do - jeden.
5. Upewnij się, że czujnik prądu nie jest podłączony i upewnij się, że pokrętło prądu na zasilaczu jest obrócone na maksimum (całkowicie zgodnie z ruchem wskazówek zegara).
6. Rozpocznij zbieranie danych, naciskając ikonę zielonej strzałki (przycisk Zbierz) na komputerze.
7. Obserwuj, co się dzieje, gdy pokrętło napięcia na zasilaczu jest przesuwane między ustawieniami minimalnymi i maksymalnymi. Regulacja pokrętła pozwala na zmianę napięcia z około +0,7 V na co najmniej +5 woltów.
8. Odwróć przewody voltage czujnik (czerwony do -, czarny do +) i powtórz kroki 1.5-1.7. Tym razem regulacja pokrętła daje zakres napięcia od około −0,7 V do -5 V. Tak więc, poprzez regulację napięcia zasilania, a także odwrócenie przewodów, w tym eksperymencie dostępny jest prawie pełny zakres napięć od -5 V do +5 V. Należy zauważyć, że zasilacz użyty w tym eksperymencie nie może wytwarzać napięć poniżej 0,7 V (niezwykła cecha), ale istnieje więcej niż wystarczający zakres, aby określić interesujące nas relacje.

Rysunek 1: Ten schemat obwodu pokazuje zasilanie (oznaczone symbolami + i -) oraz czujnik napięcia (V) połączone dwoma przewodami.

2. Badanie prawa Ohma

Uwaga: W tej części eksperymentu celem jest obserwacja wykresów prądu w funkcji napięcia.

1. Aby zmienić to, co jest wyświetlane na osi, kliknij etykietę osi, zaznacz odpowiednią opcję, aby wyświetlić żądane informacje i (tylko dla osi y) usuń znaczniki dotyczące niechcianych elementów na wyświetlaczu. Ustaw wykres tak, aby pokazywał prąd na osi y i potencjał na osi x.
2. Aby prawidłowo ustawić skalę, kliknij jedną z liczb po lewej stronie osi y. Spowoduje to wyświetlenie pola, w którym należy wprowadzić minimalną wartość -0,3 i maksymalną wartość 0,3 dla skalowania ręcznego. Powtórz te czynności dla osi x, klikając liczbę poniżej osi x, aby wyświetlić pole ustawień. Tym razem wprowadź -6 jako minimum i 6 jako maksimum. Przygotowuje to wykres do wyświetlania prądów w zakresie od -0,3 do +0,3 A oraz napięć od -5 V do +5 V.
3. Postępując zgodnie ze schematem obwodu w Rysunek 2, podłącz obwód, aby zmierzyć napięcie i prąd na rezystorze 100 Ω.
4. Użyj skrzynki oporowej jako rezystora. Ustaw go na 100 Ω. Na zasilaczu przekręć zarówno prąd, jak i napięcie na maksimum.
5. Naciśnij ikonę zielonej strzałki, aby rozpocząć zbieranie danych.
6. W ciągu kilku sekund zmniejsz napięcie do minimum, a następnie szybko odwróć przewody w zasilaczu. W ciągu kilku sekund ponownie przekręć pokrętło napięcia w kierunku maksimum. Powinno to dać wykres prądu w funkcji napięcia, w zakresie od około -5 woltów do +5 woltów.
7. Powtarzaj proces, aż wykres będzie zadowalający, wybierz menu Dane i wybierz "Przechowuj ostatni przebieg".
8. Zauważ, że wykres prądu w funkcji napięcia jest linią prostą. Naciśnij przycisk Regresja, aby wykonać liniowe dopasowanie do danych i zapisać nachylenie linii.
   1. Rysunek 4 pokazuje wykres prądu w funkcji napięcia dla rezystora oznaczonego 100 Ω. Dopasowanie liniowe do danych powoduje nachylenie 0,00991 A/V. Odwrotność oporu wynosi 0,0100 A/V, co jest dobrym dopasowaniem do nachylenia.
9. Zmień rezystancję skrzynki oporowej na 200 Ω i powtórz kroki 2.6-2.9.
10. Porównaj dwie wartości nachylenia z odpowiadającymi im wartościami rezystancji i określ zależność między prądem, napięciem i rezystancją.
    1. Rysunek 5 pokazuje wykres prądu w funkcji napięcia dla rezystora oznaczonego 200 Ω. Dopasowanie liniowe do danych powoduje nachylenie 0,00510 A/V. Odwrotność oporu wynosi 0,00500 A/V, co jest dobrym dopasowaniem do nachylenia.
11. Nachylenie wykresu prądu w funkcji napięcia okazuje się być odwrotnością rezystancji. Można to zapisać jako:
    lub
    1. Prąd wysyłany przez zasilacz jest proporcjonalny do napięcia i odwrotnie proporcjonalny do rezystancji. Gdy prąd jest przedstawiony na wykresie jako funkcja napięcia, oczekuje się, że nachylenie linii będzie odwrotnością rezystancji.

Rysunek 2: Ten schemat obwodu pokazuje zasilacz podłączony do rezystora 100 Ω, z czujnikiem napięcia (V) mierzącym różnicę potencjałów na rezystorze i amperomierzem mierzącym prąd przez niego.

Rysunek 3: Na tym schemacie obwodu, rezystor został zastąpiony żarówką i dodano przełącznik. Przełącznik jest początkowo otwarty, dzięki czemu żarówka jest wyłączona na początku.

Rysunek 4: Wykres prądu w funkcji napięcia z rezystorem oznaczonym 100 Ω. Liniowe dopasowanie do danych skutkuje nachyleniem 0,00991 A/V. Zauważ, że brakujące dane w środku wykresu to po prostu artefakt konkretnego zasilacza użytego w eksperymencie, który ma niezwykłą cechę polegającą na tym, że nie wytwarza napięć poniżej około 0,7 V.
Rysunek 5: Wykres prądu w funkcji napięcia z rezystorem oznaczonym 200 Ω. Dopasowanie liniowe do danych powoduje nachylenie 0,00510 A/V.

3. Badanie żarówek

1. Zastąp rezystor z poprzedniego obwodu małą żarówką ( Rysunek 3). Powtórz eksperyment, uzyskując wykres prądu w funkcji napięcia dla żarówki. Zwróć uwagę na wszelkie różnice w formie wykresu dla żarówki w porównaniu z rezystorem.
   1. Rysunek 6 pokazuje wykres prądu w funkcji napięcia dla żarówki. Ogólnie rzecz biorąc, prąd wzrasta wraz ze wzrostem napięcia, ale wykres nie jest tak liniowy jak wykresy dla rezystorów. Wykres pokazuje również, że prąd jest na ogół wyższy przy danym napięciu, gdy napięcie rośnie, w porównaniu z jego wartością przy tym samym napięciu, gdy prąd maleje.
2. Teraz wykreśl prąd w funkcji czasu zamiast prądu w funkcji napięcia. Aby to zrobić, kliknij etykietę "napięcie" na osi poziomej, aby wyświetlić listę zmiennych, względem których można wykreślić wykres, i wybierz czas zamiast napięcia.
3. Zwiększ napięcie, aby żarówka świeciła jasno, a następnie wyłącz zasilanie za pomocą włącznika/wyłącznika. Kliknij przycisk Collect (zielona strzałka) na ekranie, aby rozpocząć zbieranie danych i ponownie włącz zasilanie.
   1. Spójrz na wykres pokazany w Rysunek 7. Prąd płynący przez żarówkę osiąga wysoki poziom po włączeniu zasilania, a następnie spada do mniejszej stałej wartości. Jest to zupełnie inne zachowanie niż zachowanie standardowego rezystora, który zazwyczaj skacze od razu do stałej wartości po włączeniu zasilania.
   2. Wyjaśnienie obu tych obserwacji jest takie samo. Im wyższa temperatura żarnika żarówki, tym większa rezystancja. Gdy żarówka jest wyłączona ( Rysunek 7), żarnik ma temperaturę pokojową i stosunkowo niską rezystancję. Po włączeniu żarówki prąd skacze do wysokiego poziomu z powodu niskiej rezystancji, ale wraz z nagrzewaniem się żarnika i wzrostem rezystancji prąd spada. W końcu temperatura się stabilizuje, a prąd jest stały.
   3. Gdy napięcie rośnie ( Rysunek 6), żarnik się nagrzewa, więc przy chłodniejszym żarniku rezystancja jest niższa, a prąd wyższy. W drugiej połowie wykresu, gdy napięcie spada, żarnik schładza się od wyższej temperatury, a co za tym idzie, ma wyższą rezystancję i mniejszy prąd.
4. Na koniec przełącz się z powrotem na prąd w stosunku do napięcia i użyj diody LED zamiast żarówki.
5. Tak jak poprzednio, uzyskaj wykres prądu w funkcji napięcia dla diody LED. Upewnij się, że używasz zarówno dodatniej, jak i ujemnej objętościtage, aby zobaczyć pełny zakres zachowania obwodu z diodą LED.
   1. Rysunek 8 pokazuje wykres prądu w funkcji napięcia dla diody LED. Dioda nie pozwala na przepływ prądu w jednym kierunku, gdy napięcie jest ujemne; Jednak gdy napięcie jest dodatnie i przekracza pewien próg, prąd płynie i rośnie tak szybko, jak rośnie napięcie. W ten sposób dioda działa jak jednokierunkowy zawór prądu. Zauważ, że żarnik żarówki i rezystory nie wykazują takiej kierunkowości.

Rysunek 6: Wykres prądu w funkcji napięcia dla żarówki. Wykres zaczyna się w lewym dolnym rogu, a następnie podążał za górnym torem, gdy napięcie wzrosło, a żarówka stała się bardzo jasna. Napięcie zostało następnie zmniejszone, a wykres podążał za dolną ścieżką z powrotem w dół do lewego dolnego rogu.

Rysunek 7: Wykres prądu w funkcji czasu dla żarówki. Żarówka była wyłączona, a następnie napięcie zostało włączone po około 1,4 sekundy i utrzymywane na stałym poziomie. Prąd osiągnął szczyt na poziomie około 0,57 A, a następnie spadł do stałej wartości około 0,27 A.

Rysunek 8: Wykres prądu w funkcji napięcia dla diody. Dioda w pewnym sensie działa jak zawór jednokierunkowy dla prądu. Dioda nie pozwala na przepływ prądu, gdy napięcie jest ujemne, ale gdy napięcie jest dodatnie i przekracza pewien próg, prąd płynie i rośnie tak szybko, jak napięcie rośnie w jednym kierunku.