Исследование закона Ома для омических и неомических проводников

1. Знакомство с аппаратом

1. Для этого эксперимента используйте компьютер для сбора данных и построения графиков.
2. 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.
3. Нажмите кнопку «Ноль» и выберите «Обнулить все датчики», чтобы убедиться, что показания напряжения и тока показывают ноль, когда они отключены.
4. 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.
5. Убедитесь, что датчик тока не подключен, и убедитесь, что ручка тока на блоке питания повернута на максимум (полностью по часовой стрелке).
6. Начните сбор данных, нажав на значок зеленой стрелки (кнопка «Собрать») на компьютере.
7. 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.
8. 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.

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.

1. 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.
2. 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.
3. Следуя схеме в Рисунок 2, подключите цепь для измерения напряжения и тока на 100 Ω резисторе.
4. В качестве резистора используйте резистивную коробку. Установите его на 100 Ω. На блоке питания включите и ток, и напряжение на максимум.
5. Нажмите на значок зеленой стрелки, чтобы начать сбор данных.
6. 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.
7. Повторяйте этот процесс, пока не будете удовлетворены графиком, выберите меню «Данные» и выберите «Сохранить последний запуск».
8. 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.
   1. 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.
9. Измените сопротивление коробки сопротивления на 200 Ω, и повторите шаги 2.6-2.9.
10. Сравните два значения наклона с соответствующими значениями сопротивления и определите взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением.
    1. 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.
11. Наклон графика зависимости тока от напряжения оказывается обратным сопротивлению. Это можно записать как:
    или
    1. 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.

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.

Рисунок 3: На этой схеме резистор заменен на лампочку, а также добавлен переключатель. Выключатель изначально разомкнут, так что лампочка не гаснет при запуске.

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.
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

1. 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.
   1. 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.
2. 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.
3. 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.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
4. Наконец, переключитесь обратно на зависимость тока от напряжения и используйте светодиод вместо лампочки.
5. 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.
   1. 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.

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.

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.

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.