Name: measuring voltage, current, and resistance
Uploaded: 2023-04-30T06:39:57.000Z
Duration: 12 min 41 s
Channel: JoVE

K12 Standards

Arizona Science Standards

High School

Physical Science

HS+Phy.P4

HS+Phy.P4U1.8

investigation-ohm-s-law-for-ohmic-and-nonohmic-conductors

Investigation Ohm's Law for Ohmic and Nonohmic Conductors

1. Знакомство с аппаратом
<ol>
	<li>Для этого эксперимента используйте компьютер для сбора данных и построения графиков.</li>
	<li>Загрузите программное обеспечение для эксперимента, дважды щелкнув по значку «Закон Ома» на рабочем столе компьютера. Когда программа загрузится, на экране должен появиться график, таблица, а в правом нижнем углу — окошки с показаниями напряжения и тока.</li>
	<li>Нажмите кнопку «Ноль» и выберите «Обнулить все датчики», чтобы убедиться, что показания напряжения и тока показывают ноль, когда они отключены.</li>
	<li>Следуя принципиальной схеме в Рисунок 1, подключите два провода на датчике напряжения к источнику питания, который представляет собой синюю коробку. Красный провод идет на соединение + на блоке питания, а черный — на -один.</li>
	<li>Убедитесь, что датчик тока не подключен, и убедитесь, что ручка тока на блоке питания повернута на максимум (полностью по часовой стрелке).</li>
	<li>Начните сбор данных, нажав на значок зеленой стрелки (кнопка «Собрать») на компьютере.</li>
	<li>Обратите внимание на то, что происходит, когда ручка напряжения на блоке питания перемещается между минимальным и максимальным значениями. Регулировка ручки позволяет изменять напряжение от примерно +0,7 В до как минимум +5 вольт.</li>
	<li>Поменяйте местами провода датчика напряжения (красный на -, черный на +), и повторите шаги 1,5-1,7. На этот раз регулировка ручки дает диапазон напряжения от −0.7 В до -5 В. Таким образом, путем регулировки напряжения питания, а также реверсирования проводов, в данном эксперименте доступен практически полный диапазон напряжений от -5 В до +5 В. Обратите внимание, что источник питания, используемый в этом эксперименте, не может выдавать напряжение ниже 0,7 вольт (необычная особенность), но его диапазон более чем достаточен для определения интересующих его соотношений.</li>
</ol>
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig1.jpg">
Рисунок 1: На этой схеме показан источник питания (отмеченный символами + и -) и датчик напряжения (В), соединенные двумя проводами.
2. Исследование закона Ома
Примечание: В этой части эксперимента цель состоит в том, чтобы наблюдать графики зависимости тока от напряжения.
<ol>
	<li>Чтобы изменить то, что отображается на оси, нажмите на метку оси, отметьте соответствующую опцию для отображения нужной информации и (только для оси Y) снимите флажки для нежелательных элементов на дисплее. Настройте график так, чтобы на нем отображался ток по оси y и потенциал по оси x.</li>
	<li>Чтобы правильно настроить шкалы, нажмите на одну из цифр слева от оси y. Это приведет к появлению поля для ввода минимума -0,3 и максимума 0,3 для ручного масштабирования. Повторите то же самое для оси x, щелкнув по числу под осью x, чтобы открыть окно настроек. На этот раз введите -6 в качестве минимума и 6 в качестве максимума. Это подготавливает график для отображения токов в диапазоне от −0,3 до +0,3 А и напряжений в диапазоне от -5 В до +5 В.</li>
	<li>Следуя схеме в Рисунок 2, подключите цепь для измерения напряжения и тока на 100 Ω резисторе.</li>
	<li>В качестве резистора используйте резистивную коробку. Установите его на 100 Ω. На блоке питания включите и ток, и напряжение на максимум.</li>
	<li>Нажмите на значок зеленой стрелки, чтобы начать сбор данных.</li>
	<li>В течение нескольких секунд уменьшите напряжение до минимума, затем быстро поменяйте местами провода на источнике питания. В течение нескольких секунд снова поверните ручку напряжения в сторону максимума. Это должно привести к построению графика зависимости тока от напряжения в диапазоне от -5 вольт до +5 вольт.</li>
	<li>Повторяйте этот процесс, пока не будете удовлетворены графиком, выберите меню «Данные» и выберите «Сохранить последний запуск».</li>
	<li>Обратите внимание, что график зависимости тока от напряжения представляет собой прямую линию. Нажмите кнопку Регрессия, чтобы выполнить линейную подгонку к данным и записать наклон линии.
	<ol>
		<li>На рисунке 4 показан график зависимости тока от напряжения для резистора с маркировкой 100 Ω. Линейная аппроксимация данных приводит к наклону 0,00991 А/В. Обратное сопротивление составляет 0,0100 А/В, что хорошо соответствует наклону.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Измените сопротивление коробки сопротивления на 200 Ω, и повторите шаги 2.6-2.9.</li>
	<li>Сравните два значения наклона с соответствующими значениями сопротивления и определите взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением.
	<ol>
		<li>На рисунке 5 показан график зависимости тока от напряжения для резистора с маркировкой 200 Ω. Линейная подгонка к данным приводит к наклону 0,00510 А/В. Обратное сопротивление составляет 0,00500 А/В, что хорошо соответствует наклону.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Наклон графика зависимости тока от напряжения оказывается обратным сопротивлению. Это можно записать как: 
	<img alt="Уравнение 1" src="/files/ftp_upload/10116/10116eq1.jpg"> или <img alt="Уравнение 2" src="/files/ftp_upload/10116/10116eq2.jpg">
	<ol>
		<li>Ток, посылаемый источником питания, пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Когда ток отображается на графике как функция напряжения, ожидается, что наклон линии будет обратно пропорциональным сопротивлению.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
 
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig2.jpg"> 
Рисунок 2: Эта принципиальная схема показывает источник питания, подключенный к резистору 100 Ω, с датчиком напряжения (В), измеряющим разность потенциалов на резисторе, и амперметром, измеряющим ток через него.
 
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig3.jpg"> 
Рисунок 3: На этой схеме резистор заменен на лампочку, а также добавлен переключатель. Выключатель изначально разомкнут, так что лампочка не гаснет при запуске. 
<img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig4.jpg"> 
Рисунок 4: График зависимости тока от напряжения с резистором, отмеченным на 100 Ω. Линейная подгонка к данным приводит к наклону 0,00991 А/В. Обратите внимание, что отсутствующие данные в центре графика — это просто артефакт конкретного источника питания, используемого в эксперименте, который имеет необычную особенность не производить напряжения ниже примерно 0,7 В. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig5.jpg"> 
Рисунок 5: График зависимости тока от напряжения с резистором с маркировкой 200 Ω. Линейная подгонка к данным приводит к наклону 0,00510 А/В.
3. Исследование лампочек
<ol>
	<li>Замените резистор из предыдущей схемы на маленькую лампочку накаливания ( Рисунок 3). Повторите эксперимент, получив график тока в зависимости от напряжения для лампочки. Обратите внимание на любые различия в форме графика для лампочки по сравнению с резистором.
	<ol>
		<li>На рисунке 6 показан график зависимости тока от напряжения для лампы накаливания. Как правило, ток увеличивается с увеличением напряжения, но график далеко не так линеен, как графики резисторов. График также показывает, что ток, как правило, выше при данном напряжении, когда напряжение увеличивается, по сравнению с его значением при том же напряжении, когда ток уменьшается.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Теперь построите график зависимости тока от времени, а не тока от напряжения. Для этого нажмите на метку «напряжение» на горизонтальной оси, чтобы отобразить список переменных, относительно которых может быть построен график, и выберите время вместо напряжения.</li>
	<li>Увеличьте напряжение, чтобы лампочка ярко светилась, а затем выключите блок питания с помощью переключателя включения/выключения. Нажмите кнопку «Сбор» (зеленая стрелка) на экране, чтобы начать сбор данных, и снова включите источник питания.
	<ol>
		<li>Посмотрите на график, показанный на рисунке Рисунок 7. Ток через лампочку при включении электропитания достигает высокого уровня, а затем падает до меньшего постоянного значения. Это сильно отличается от поведения стандартного резистора, который обычно переходит к постоянному значению при включении источника питания.</li>
		<li>Объяснение обоим этим наблюдениям одно и то же. Чем выше температура нити накаливания лампочки, тем больше сопротивление. Когда колба выключена ( Рисунок 7), нить накала находится при комнатной температуре с относительно низким сопротивлением. Когда лампочка затем включается, ток подскакивает до высокого уровня из-за низкого сопротивления, но по мере нагрева нити накаливания и увеличения сопротивления ток падает. В конце концов, температура стабилизируется, и ток становится постоянным.</li>
		<li>Когда напряжение увеличивается ( Рисунок 6), нить нагревается, поэтому с более холодной нитью сопротивление ниже, а ток выше. Во второй половине графика, когда напряжение падает, нить накаливания охлаждается от более высокой температуры и, таким образом, имеет более высокое сопротивление и меньший ток.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Наконец, переключитесь обратно на зависимость тока от напряжения и используйте светодиод вместо лампочки.</li>
	<li>Как и раньше, получите график тока в зависимости от напряжения для светодиода. Обязательно используйте как положительное, так и отрицательное напряжение, чтобы увидеть полный диапазон поведения схемы с помощью светодиода.
	<ol>
		<li>На рисунке 8 показан график зависимости тока от напряжения для светодиода. Диод не позволяет току течь в одном направлении, когда напряжение отрицательное; Однако, когда напряжение положительное и превышает определенный порог, ток протекает и увеличивается так же быстро, как увеличивается напряжение. Таким образом, диод действует как односторонний клапан для тока. Обратите внимание, что нить накаливания лампочки накаливания и резисторы не демонстрируют такой направленности.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig6.jpg"> 
Рисунок 6: График зависимости тока от напряжения для лампы накаливания. График начинается слева внизу, затем следует верхняя дорожка, когда напряжение увеличивается, и лампочка становится очень яркой. Затем напряжение было снижено, и график последовал за нижним треком обратно в нижний левый угол.
<img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig7.jpg"> 
Рисунок 7: График зависимости тока от времени для лампы накаливания. Лампочка была выключена, а затем напряжение включалось примерно на отметке 1,4 секунды и поддерживалось на постоянном значении. Ток достиг пика на отметке около 0,57 А, а затем опустился до постоянного значения около 0,27 А.
<img alt="Figure 8" src="/files/ftp_upload/10116/10116fig8.jpg"> 
Рисунок 8: График зависимости тока от напряжения для диода. Диод, в некотором смысле, действует как односторонний клапан для тока. Диод не пропускает ток при отрицательном напряжении, но когда напряжение положительное и превышает определенный порог, ток течет и увеличивается так же быстро, как напряжение увеличивается в одном направлении.

Электронные гаджеты вездесущи в современном мире, и закон Ома играет свою роль в каждом из этих гаджетов. Например, фонарь, предназначенный для работы от двух 1,5-вольтовых батареек последовательно (всего 3 вольта), должен иметь лампочку с соответствующим сопротивлением, чтобы батарейки подавали соответствующее количество тока, позволяющее лампочке ярко светить, не перегорая. Закон Ома помогает в выборе лампочки. 
Еще одно применение — трехсторонняя лампочка, которая может светить с тремя разн...

Исследование закона Ома для омических и неомических проводников

Источник: Эндрю Даффи, доктор философии, факультет физики, Бостонский университет, Бостон, Массачусетс
В этом эксперименте исследуется закон Ома, который связывает ток, напряжение и сопротивление. 
Одной из целей эксперимента является ознакомление с принципиальными схемами и терминологией, используемой в основных схемах, таких как резистор, сопротивление, ток, напряжение и источник питания. К концу эксперимента вы узнаете, как подключить цепь и как измерить как ток, проходящий через компонент цепи, так и разность потенциалов, или напряжение, проходящее через нее. 
В цепи батарея или источник питания подает напряжение, измеряемое в вольтах (В), которое приводит в движение заряд. Другие элементы схемы, такие как лампочки или резисторы (которые часто представляют собой просто длинные узкие провода, намотанные в катушки), ограничивают скорость потока заряда. Скорость потока заряда известна как ток, измеряемый в амперах (А) или амперах для краткости, а степень, в которой резисторы и нити накаливания лампочки ограничивают поток, известна как их сопротивление, измеряемое в омах (Ω). Этот эксперимент включает в себя исследование закона Ома, который связывает напряжение, ток и сопротивление. 
В этом эксперименте также исследуется разница между основным компонентом схемы, называемым резистором, и лампочкой и светодиодом (LED). Лампочки и светодиоды входят в состав многих распространенных устройств и используются для различных осветительных приборов, поэтому полезно понимать, как они работают.

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment investigates Ohm's law, which relates current, voltage, ...

Закон Ома связывает напряжение, ток и сопротивление для электрического компонента или цепи. Напряжение, В, ток, I и сопротивление, R, имеют основополагающее значение для работы всех электронных устройств, таких как радиоприемники, музыкальные плееры и компьютеры, а также для более простых электрических приложений, таких как домашняя проводка, предохранители и домашнее освещение. Схемы во всех этих случаях ведут себя предсказуемо и могут быть спроектированы рационально благодаря закону Ома. В этом видео мы познакомимся с терминологией, символами и схемами, а затем продемонстрируем, как подключить простую цепь. Кроме того, будет измеряться ток через компонент и напряжение на компоненте. Выход блока питания или аккумулятора имеет как положительные, так и отрицательные клеммы, которые соответственно определяют высокие и низкие значения величины, называемой электрическим потенциалом. Разность этого электрического потенциала и есть напряжение, измеряемое в вольтах. Чтобы узнать больше об этих терминах, посмотрите видео об электрическом потенциале в этой коллекции. Цепь — это сеть компонентов, соединенных вместе для выполнения определенной функции. Ток — это движение заряда в секунду и измеряется в амперах, или сокращенно амперах. Интересно, что только электроны, которые имеют отрицательный заряд, движутся по проводам в цепи. Из-за отрицательного заряда электроны текут в направлении, противоположном текущему. Электрический ток может протекать только по проводам и компонентам, соединенным в полный контур, подобно тому, как ток воды из резервуара через насос попадает в водяное колесо и обратно в резервуар. В той или иной степени все электрические элементы препятствуют протоку тока, подобно узкому месту в трубе, которое уменьшает поток воды. Сопротивление описывает это явление и измеряется в Омах. Закон Ома определяет сопротивление как напряжение на компоненте, деленное на ток через компонент. Для компонентов, специально называемых резисторами, сопротивление является примерно постоянным. Резистор на обычной печатной плате обычно представляет собой небольшой цилиндрический объект с полосами, представляющими цветовой код сопротивления. По закону Ома ток при постоянном сопротивлении прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. В действительности стойкость большинства материалов обычно увеличивается с повышением температуры. Сопротивление некоторых устройств, таких как диоды, также зависит от условий эксплуатации, то есть напряжения и тока, а также от других факторов. Диод — это устройство, которое в очень хорошем приближении позволяет току течь только в одном направлении. В результате он ведет себя как односторонний клапан, пропуская ток через очень низкое сопротивление в «прямом» направлении и запрещающий ток с чрезвычайно высоким сопротивлением в «обратном». Светоизлучающий диод, также известный как «LED», представляет собой диод, который загорается потоком прямого тока. Как и простой диод, светодиод не пропускает ток в обратном направлении, в этом случае он не загорается. При простом соотношении между напряжением, током и сопротивлением закон Ома, часто выражаемый как V равно I умноженному на R, позволяет рассчитать любую из этих величин, если известны две другие. В этом видео показано, что напряжение на компоненте и ток через него можно легко измерить. Эти эксперименты также продемонстрируют закон Ома в различных цепях и проиллюстрируют взаимосвязь между током и напряжением для резистора, лампочки и светоизлучающего диода. Измерительная аппаратура состоит из датчика напряжения, датчика тока, источника питания, измерительной системы с компьютерным управлением и проверяемых компонентов. Чтобы загрузить измерительное программное обеспечение, дважды щелкните по значку «Закон Ома» на рабочем столе компьютера. После загрузки программы на экране должен появиться график, таблица и в левом нижнем углу окошки с измерениями напряжения и тока. Нажмите кнопку «Ноль» и выберите «Обнулить все датчики», чтобы удалить смещения в системе сбора данных. Показания напряжения и тока должны быть нулевыми, когда выводы к аппарату ни к чему не подключены. Выберите данные, которые будут построены, кликнув по метке оси и отметив нужный вариант. Только для оси Y снимите флажки с элементов, которые не будут отображаться на графике. Установите график так, чтобы показать ток по оси y и напряжение по оси x. Затем установите шкалу оси Y на отрицательные 0,3 на положительные 0,3 ампера, а шкалу по оси X установите на отрицательные 5 до положительных 5 вольт. Блок сопротивления, который может быть установлен для различных значений сопротивления, используется в первом эксперименте для наблюдения за тем, как ток изменяется в зависимости от напряжения резистора. Установите блок сопротивления на 100 Ом. Затем соедините блок питания, датчики напряжения и тока, а также блок сопротивления, как показано на схеме. Наконец, установите выходы тока и напряжения блока питания на максимальные значения. Нажмите на значок зеленой стрелки, чтобы начать сбор данных. Медленно снижайте напряжение питания до минимального значения. Затем поменяйте местами провода на блоке питания и медленно увеличьте напряжение до максимального значения. В результате должен получиться график зависимости тока от напряжения, охватывающий диапазон от -5 до +5 вольт. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока на графике не будет шума, а затем сохраните данные. Для сопротивления 100 Ом график зависимости тока от напряжения представляет собой прямую линию. Выполните линейную подгонку к данным и запишите наклон линии. Наклон должен быть очень близок к 0,0100 ампер/вольт, обратному сопротивлению. Теперь установите блок сопротивления на 200 Ом и повторите эксперимент, чтобы получить еще один график зависимости тока от напряжения в диапазоне от -5 до +5 вольт. На этот раз наклон должен быть очень близок к 0,00500 ампер/вольт, опять же обратное сопротивлению. Для постоянного сопротивления закон Ома гласит, что ток через резистор пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Это очевидно из данных для резисторов на 100 Ом и 200 Ом. Для следующего эксперимента замените резисторную коробку на маленькую лампочку накаливания, как показано на схеме. Установите регулятор напряжения на блоке питания на максимум и начните сбор данных. Медленно снижайте напряжение до минимального значения, затем медленно увеличивайте напряжение обратно до максимума. Компьютер отобразит график зависимости тока от напряжения в диапазоне от +0,7 до +5 вольт. Поменяйте местами провода питания, установите регулятор напряжения на максимум и повторите процесс снижения напряжения до минимального значения и снова его увеличения до максимального значения. Компьютер отобразит график зависимости тока от напряжения в диапазоне от -0,7 до -5 вольт. График зависимости тока от напряжения для лампочки не так линеен, как для резисторов. График также показывает, что в общем случае ток выше при данном напряжении при повышении напряжения, по сравнению с тем, какой он имеет при том же напряжении при снижении напряжения. Когда напряжение увеличивается, происходит прогрев нити накаливания. С нитью накаливания, которая начинает охлаждаться, сопротивление ниже, а ток выше. Когда напряжение снижается, нить накала охлаждается от более высокой температуры, поэтому она имеет более высокое сопротивление и меньший ток в той же рабочей точке. Теперь стройте график зависимости тока от времени, а не тока от напряжения. Для этого нужно изменить горизонтальную ось для измерения времени. Отрегулируйте напряжение на максимум, чтобы лампочка ярко светилась. Затем выключите блок питания. Нажмите на зеленую стрелку, чтобы начать сбор данных, а затем снова включите блок питания. Ток через лампочку повышается сразу после включения источника питания, затем падает до более низкого, постоянного значения. Пока лампочка выключена, нить накаливания находится при комнатной температуре и имеет относительно низкое сопротивление. Когда лампочка впервые включается, ток подскакивает до высокого уровня из-за этого низкого сопротивления. Однако сопротивление нити значительно увеличивается с температурой – по мере нагрева нити сопротивление растет, а ток падает. Со временем его температура стабилизируется, а ток становится постоянным. Наконец, снова установите ось для отображения зависимости тока от напряжения и используйте светодиод — «светодиод» — вместо лампочки. Максимальный ток для обычных светодиодов составляет около 30 мА, поэтому необходимо тщательно контролировать ток, чтобы предотвратить перегорание светодиода. Используйте процедуру из предыдущих экспериментов для получения графика тока в зависимости от напряжения светодиода. Сначала подайте положительное напряжение на светодиод и отрегулируйте напряжение питания от максимального до минимального. Затем поменяйте местами провода источника питания и отрегулируйте напряжение от минимального до максимального, чтобы наблюдать за направленностью светодиода. Полученный график показывает, что светодиод пропускает ток только тогда, когда напряжение положительное и превышает определенный порог. Как только диод «включается», ток быстро увеличивается по мере увеличения напряжения. Однако при отрицательном напряжении ток не протекает. Это поведение демонстрирует, как светодиод действует как односторонний клапан для тока. Электронные гаджеты вездесущи в современном мире, и закон Ома играет свою роль в каждом из этих гаджетов. Например, лампочка в фонарике рассчитана на последовательную работу от двух 1,5-вольтовых батареек. Поэтому необходимо выбирать лампочку с подходящим сопротивлением, чтобы батарейки подавали соответствующее количество тока, чтобы лампочка ярко светила, не перегорая. Закон Ома помогает в выборе лампочки. Еще одно применение закона Ома заключается в ограничении тока, подаваемого на конкретное устройство, возможно, для снижения риска поражения электрическим током или для защиты самого устройства. Закон Ома говорит нам, что для данного напряжения, чем выше сопротивление, тем меньше ток. Таким образом, размещая сопротивление последовательно с устройством, мы можем ограничить ток, протекающий через устройство, и, таким образом, предотвратить любые потенциальные повреждения. Вы только что посмотрели введение JoVE в закон Ома. Теперь вы должны понять взаимосвязь между напряжением на электрическом компоненте, его сопротивлением и результирующим током через него, а также различия в электрических характеристиках резисторов, лампочек и светодиодов. Спасибо за просмотр!

Education

JoVE Science Education

Physics

Физика

Physics II

Физика II

measuring voltage, current, and resistance

This experiment measures voltage, current, and resistance in basic electric circuits. It also builds skill with circuit diagrams and the terms resistor, resistance, current, voltage, and power supply.

Students learn how to wire a circuit and how to measure current through a circuit component. They also measure the potential difference, or voltage, across a component. These steps help connect circuit symbols with real parts in the lab.

A power supply or battery provides voltage, measured in volts (V), that drives charge through the circuit. Circuit parts such as resistors and light bulbs limit how fast the charge flows. Current is measured in amperes (A), or amps, and resistance is measured in ohms (Ω).

The experiment also compares a basic resistor with a light bulb and a light-emitting diode, or LED. Light bulbs and LEDs appear in many common devices and lighting applications. Studying them helps explain how these parts work in everyday circuits.

Measuring Voltage, Current, and Resistance

electric fields

Visualizing Electric Field Lines

Electric field lines show how a charged object affects the space around it. A source charge creates an electric field, and that field can exert electric force on another charged object called the test charge. The electric field is a vector at each point in space, so it has both size and direction. The electric field is the electric force per unit test charge placed at a point. If a charge is placed in that field, the force on it equals the charge times the electric field. This makes electric...

electric potential

Voltage, Fields, and Equipotential Surfaces

Voltage, or electric potential, describes electric potential energy per unit charge. It is a scalar quantity, and it helps explain many electrical effects. In practice, the difference in electric potential is what matters most. Changes in electric potential across space are linked to the electric field. That field can produce an electric force on a charge. In a resistor, the difference in electric potential between two points drives electric current flow. This experiment uses a volt meter and...

magnetic fields

Magnetic Fields from Magnets and Currents

Magnetic fields come from moving electric charges and from magnetic materials such as bar magnets. A current is one example of moving charge. The magnetic field made by a current can be calculated with the Maxwell equation. Bar magnets also create magnetic fields. In magnetic materials, the field comes from tiny charge movements inside the material. These fields can be shown with small compass needle magnets, which turn to line up with the magnetic field. Magnetic fields push on other moving...

electric charge in a magnetic field

Measuring the Electron’s Charge-to-Mass Ratio

Measuring the electron’s charge-to-mass ratio is the focus of this physics experiment. It recreates J. J. Thomson’s famous experiment from the end of the 19th century. Thomson used it to measure the charge-to-mass ratio of the electron. This work also connects to Robert A. Millikan’s oil-drop experiment a few years later. Millikan’s result gave a value for the charge of the electron. Together, these experiments let scientists determine the electron’s mass and charge for the first time. Those...

investigation ohm's law for ohmic and nonohmic conductors

This experiment measures voltage, current, and resistance in basic electric circuits. It also builds skill with circuit diagrams and the terms resistor, resistance, current, voltage, and power supply. Students learn how to wire a circuit and how to measure current through a circuit component. They also measure the potential difference, or voltage, across a component. These steps help connect circuit symbols with real parts in the lab. A power supply or battery provides voltage, measured in...

series and parallel resistors

How Resistance Changes in Circuit Paths

Series and parallel resistor connections change how current and voltage behave in a circuit. This experiment shows how to find the total, or effective, resistance for each setup. It also uses Ohm’s law to relate voltage and current when the resistance is known. In a series circuit, resistors are wired one after the other. The same current flows through each resistor. Their voltages add together to make the total voltage, so the effective resistance is the sum of the individual resistances.

capacitance

Measuring Charge Storage in Capacitors

Capacitors store opposite charges on two conductors, such as two metal plates. This charge separation creates a potential difference, or voltage drop, between the conductors. In this experiment, commercial capacitors and a parallel plate capacitor are used to show how capacitance links charge and voltage. Capacitance is the proportionality factor between the amount of charge on each conductor and the voltage drop across it. When the voltage changes with time, the current flowing into the...

inductance

Magnetic Induction in Coils

Magnetic induction in coils is demonstrated with inductive coils and a voltmeter. A rod magnet is inserted into or pulled away from the core of a coil to create a brief electromotive force, or emf, in the coil. The voltmeter measures the resulting voltage change. The experiment also shows mutual inductance between two coils. When current in one coil is turned on or off, it can induce an emf in a nearby second coil. This makes the link between changing current and a voltage response clear. <br...

rc/rl/lc circuits

How RC, RL, and LC Circuits Change Over Time

RC, RL, and LC circuits show how current and voltage can change over time. These circuits combine resistors, capacitors, and inductors, which each behave differently in an electric circuit. A resistor dissipates energy and follows Ohm’s law, so its voltage is proportional to its current. A capacitor stores electrical energy. In a capacitor, current depends on how fast the voltage changes. An inductor stores magnetic energy. In an inductor, voltage depends on how fast the current changes. When...

semiconductors

Doping Silicon for p- and n-Types

Semiconductors conduct electricity in ways that depend on temperature and impurity level. Crystalline silicon is the most common semiconductor material. Pure semiconductors are usually not strong conductors, so they are often combined with a small amount of impurity to improve conductivity. This process is called doping. Donor impurities, such as phosphorus and arsenic, add electrons to silicon. Acceptor impurities, such as boron and aluminum, remove electrons from silicon. When acceptors take...

photoelectric effect

UV Light and Electron Emission

Photoelectric effect is the emission of electrons from a metal when light shines on it. The key idea is that the light must have a high enough frequency for its photons to carry enough energy. That energy increases with light frequency. This experiment shows the photoelectric effect with a charged zinc metal plate. The zinc is connected to an electroscope, which is an instrument that shows the presence and relative amount of charge. The plate is then exposed to either a regular lamp or...

reflection and refraction

Bending Light in Lenses and Materials

Light changes speed when it moves through different materials. When it crosses from one material to another, it may slow down or speed up. That change in speed makes the light bend. This bending is called refraction. Some of the light is also reflected at the boundary between the two materials. In special cases, the light can bend so sharply that it is completely reflected back into the material it came from. The lab explores the basic law of refraction and shows how this behavior affects...

interference and diffraction

Laser Slits Reveal Wave Patterns

Laser light can reveal wave behavior through interference and diffraction. These are common wave effects seen in many settings, from water waves to electromagnetic waves such as light. Interference happens when two waves of the same kind overlap. Their combined wave creates a repeating pattern of larger and smaller amplitude. Diffraction happens when a wave passes through an opening or moves around an object. In that case, different parts of the wave can interfere and produce a similar pattern...

standing waves

Standing Waves on a Slinky

Standing waves on a slinky show how wave superposition and reflection can create stable patterns. These waves, also called stationary waves, appear to stay in place even though the material is moving up and down. They are formed when two waves travel in opposite directions with the same frequency and amplitude. Standing waves are easy to spot in finite media. A plucked guitar string is a common example. Water in a lake and air in a room can also show this behavior. On a string fixed at both...

sound waves and doppler shift

Measuring Sound Speed with Motion

Sound waves and motion are the focus of this high school physics experiment. The lesson connects how sound travels through air with how the sound changes when the source moves. It also shows how to measure the speed of sound in air. Waves are disturbances that move through a material medium or through empty space. Light waves can travel through a vacuum and through some forms of matter. They are transverse waves, which means the oscillations are perpendicular to the direction of travel. Sound...

physics ii

This collection explores topics including electrostatics, magnetism, optics, wave-based oscillations, and electrical circuits; explaining underlying principles behind physical phenomena that have changed our world.

Measure voltage, current, and resistance in basic circuits while learning circuit diagrams, wiring, and how resistors, light bulbs, and LEDs behave.

Measuring Voltage, Current, and Resistance | JoVE K12

Andrew Duffy

Overview

Principles of Ohm&#8217;s law

Investigating Ohm&#8217;s Law for Ohmic Resistors

Investigating Ohm&#8217;s Law for Nonohmic Resistors

Applications

Summary

Energy and Work

Source: Ketron Mitchell-Wynne, PhD,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of ...

Power and Energy

Energy is the total work required to drive the current through the circuit.
A rise in voltage results in more work done, passing more current, resulting ...

Heat Flow and Specific Heat

Heat is a type of energy transfer that is caused by a temperature difference, and it can change the temperature of an object. Since heat is a form of ...

Mechanisms of Heat Transfer I

Just as interesting as the effects of heat transfer on a system are the methods by which the heat transfer occur. Whenever there is a temperature ...

Mechanisms of Heat Transfer II

In convection, thermal energy is carried by the large-scale flow of matter. Ocean currents and large-scale atmospheric circulation, which result from the ...

conduction-convection-and-radiation-problem-solving

Conduction, Convection and Radiation: Problem Solving

There are three methods by which heat transfer can take place: conduction, convection, and radiation. Each method has unique and interesting ...

testing-the-heat-transfer-efficiency-of-a-finned-tube-heat-exchanger

Testing the Heat Transfer Efficiency of a Finned-tube Heat Exchanger

Source: Michael G. Benton and Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Heat exchangers transfer ...

using-tray-dryer-to-investigate-convective-conductive-heat

Using a Tray Dryer to Investigate Convective and Conductive Heat Transfer

Source: Michael G. Benton and Kerry M. Dooley, Department of Chemical Engineering, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Dryers are utilized in ...

Transformers

A device that transforms voltages from one value to another using induction is called a transformer. A transformer consists of two separate coils, or ...

conservation-of-energy-approach-to-system-analysis

Conservation of Energy Approach to System Analysis

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
The purpose of ...

Dye-sensitized Solar Cells

Source: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A&#38;M University
Today&#39;s modern world requires the use of a large amount of energy. While ...

Batteries and Fuel Cells

A battery is a galvanic cell that is used as a source of electrical power for specific applications. Modern batteries exist in a multitude of forms to ...

Design, evaluate, and refine a device that works within given constraints to transfer energy within a system.

HS+Phy.P4U2.7

What is Energy?

The universe is composed of matter in different forms, and all forms of matter contain energy. &#xA0;The different forms of energy on Earth originate from ...

Thermodynamic Systems

A thermodynamic system is a set of objects whose thermodynamic properties are of interest. The system is considered to be embedded in its surroundings or ...

Work

Work is done when energy is transferred from one object to another. In other words, work is when a force acts on something that undergoes a displacement ...

Kinetic Energy - I

It&#8217;s plausible to suppose that the greater the velocity of a body, the greater effect it could have on other bodies. This does not depend on the ...

Gravitational Potential Energy

Potential energy is not just a property of each object, but also a property of the interactions between objects in a chosen system. For each type of ...

Elastic Potential Energy

Elastic potential energy is the energy stored as a result of the deformation of an elastic object, such as the stretching of a spring. An object is ...

Work-energy Theorem

According to Newton&#x2019;s second law of motion, the sum of all the forces acting on a particle (net force) determines the rate of change in the ...

Power

The concept of work involves force and displacement; meanwhile, the work-energy theorem relates the net work done on a body to the difference in its ...

Phase Changes

Phase transitions play an important theoretical and practical role in the study of heat flow. In melting or fusion, a solid turns into a liquid; the ...

Heating and Cooling Curves

When a substance&#8212;isolated from its environment&#8212;is subjected to heat changes, corresponding changes in temperature and phase of the substance ...

Calorimetry

When objects at different temperatures are placed in contact with each other but isolated from everything else, they attain thermal equilibrium. A ...

Constant Volume Calorimetry

Calorimeters are useful to determine the heat released or absorbed by a chemical reaction. Coffee cup calorimeters are designed to operate at constant ...

Constant Pressure Calorimetry

Calorimetry is a technique used to measure the amount of heat involved in a chemical or physical process or to measure the heat transferred to or from a ...

Internal Energy

The internal energy of a thermodynamic system is the sum of the kinetic and potential energies of all the molecules or entities in the system. The kinetic ...

Enthalpy

Chemists ordinarily use a property known as enthalpy (H) to describe the thermodynamics of chemical and physical processes. Enthalpy is defined as the sum ...

First Law of Thermodynamics

A change in the internal energy of a system depends on the the net heat transfer into the system and the net work done by the system. The first law of ...

first-law-of-thermodynamics-problem-solving

First Law Of Thermodynamics: Problem-Solving

The first law of thermodynamics states that the change in internal energy of the system is equal to the net heat transfer into the system minus the net ...

using-differential-scanning-calorimetry-to-measure-changes-in-enthalpy

Using Differential Scanning Calorimetry to Measure Changes in Enthalpy

Source: Laboratory of Dr. Terry Tritt &#8212; Clemson University
Differential Scanning Calorimetry (DSC) is a method of thermodynamic analysis based on ...

Analyze and interpret data to quantitatively describe changes in energy within a system and/or energy flows in and out of a system.

HS+Phy.P4U1.6

Gel Purification

Gel purification is used to recover DNA fragments after electrophoretic separation. DNA recovery from an agarose gel includes three basic steps: binding, ...

Voltage

The movement of electrons in a conductor requires some form of energy or work, usually provided by an external force, like a battery. This force is called ...

Electrical Current

Electrical current is defined as the rate at which charge flows. When there is a large current present, such as that used to run a refrigerator, a large ...

Ohm's Law

Many materials exhibit a simple relationship between the values of current, voltage, and resistance, known as Ohm&#8217;s law. The current that flows ...

Resistance

When a current moves through any conductor, the conductor causes some level of difficulty for the current to flow. The measure of that difficulty is known ...

Electrical Power

Electric power is the product of current and voltage, represented in units of joules per second, or watts. For example, cars often have one or more ...

Energy Transfer in Chemical Reactions

Chemical reactions require sufficient energy to cause the matter to collide with enough precision and force that old chemical bonds can be broken and new ...

power-dissipated-in-a-circuit-problem-solving

Power Dissipated in a Circuit: Problem Solving

The equivalent resistance of a combination of resistors depends on their values and how they are connected.
The simplest combinations of resistors are ...

Kirchhoff's Current Law

Kirchhoff&#39;s current law, or KCL, is based on the law of charge conservation. It states that the total current entering and leaving a node in a circuit ...

Kirchhoff's Voltage Law

Kirchhoff&#39;s voltage law, or KVL, is based on the principle of energy conservation.
It states that the algebraic sum of all voltages around a closed ...

Resistors In Series

A resistor is an ohmic device that limits the flow of charge in a circuit. Most circuits have more than one resistor. If several resistors are connected ...

Resistors In Parallel

Resistors are in parallel when one end of all the resistors are connected to a continuous wire of negligible resistance and the other end of all the ...

Combination Of Resistors

Electrical devices in any circuit can be connected either by series or parallel connections. Additionally, circuits can be connected involving both of ...

Equivalent Resistance

In circuit analysis, situations often arise where resistors are neither in series nor parallel configurations. To tackle such scenarios, three-terminal ...

Use mathematics and computational thinking to explain the relationships between power, current, voltage, and resistance.

Measuring Voltage, Current, and Resistance

Description

Transcript

More videos by Standards