Ćwiczenie U.9.1 Tytuł ćwiczenia

Ćwiczenie U.9.1
Tytuł ćwiczenia:
Pomiar ładunku elektrycznego kuli umieszczonej w jednorodnym polu elektrycznym.
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się z własnościami jednorodnego pola elektrycznego.
Krótki opis ćwiczenia:
Naładowana kulka o masie m zawieszona na nici o długości l ulega odchyleniu w polu
elektrycznym
kondensatora płaskiego. Mierząc kąty odchylenia przy kilku różnych
natężeniach pola elektrycznego można wyznaczyć ładunek elektryczny kuli.
Wymagana wiedza ucznia:
- Pole elektryczne, wielkości charakteryzujące pole elektryczne
- Prawo Coulomba, ładunek elektryczny, jednostki ładunku
- Kondensatory, pojemność elektryczna kondensatora, natężenie pola między okładkami
kondensatora płaskiego
- Analiza sił działających na naładowaną kulę wahadła umieszczonego w jednorodnym polu
elektrycznym. Wyprowadzenie wzoru na ładunek kuli.
Wykonanie doświadczenia:
- Zmierzyć masę
kuli, długość
promienia kulki) oraz odległość
wahadełka ( jest ona równa sumie długości nici i
pomiędzy okładkami kondensatora płaskiego.
Uwaga: Pomiary te należy wykonać przy wyłączonym napięciu zasilającym!
- Włączyć zasilacz i ustawić wartość napięcia zasilającego.
- Doprowadzić kulkę do zetknięcia z jedną z okładek kondensatora a następnie odsunąć ją
od okładki.
- Odczytać położenie
kulki na tle skali zwierciadlanej dla danej wartości napięcia
na okładkach kondensatora. Pomiar powtórzyć kilkakrotnie przy różnych wartościach
napięcia
.
Uwaga: przednia szyba szafki mieszczącej kondensator musi być zamknięta! Dotykanie
elementów układu pomiarowego będących pod napięciem grozi porażeniem prądem
elektrycznym!
- Wyłączyć napięcie zasilające a następnie rozładować okładki kondensatora
- Zmierzyć położenie
nieodchylonej kulki.
- Obliczyć wychylenie kulki z położenia równowagi dla kolejnych wartości napięcia na
okładkach kondensatora:
.
i określić odpowiadające im kąty odchylenia. Dla małych wychyleń można skorzystać z
wzoru:
Obliczyć wartość ładunku kulki
przy każdym wychyleniu:
a następnie znaleźć średnią wartość ładunku Q.
Wskazówki do dyskusji błędów:
- Przy pomiarach wychylenia kulki z położenia równowagi unikać błędu paralaksy: nić na
której wisi kulka powinna pokrywać się ze swym odbiciem na skali zwierciadlanej.
- Błąd wartości średniej ładunku kulki można określić licząc błąd średni kwadratowy średniej
arytmetycznej.
Ćwiczenie U.9.2
Tytuł ćwiczenia
Pomiar rezystancji za pomocą mostka Wheatstone’a
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się z zasadą pomiaru oporu elektrycznego w układzie mostka
Wheatstone’a.
Krótki opis ćwiczenia:
Uczniowie zestawiają prosty układ Wheatstone’a ze struną oporową , a następnie mierzą
rezystancję pojedynczych oporników oraz układu oporów. Wyniki pomiarów porównują z
danymi uzyskanymi na mostku fabrycznym.
Wymagana wiedza ucznia:
- Prawo Ohma. Prawa Kirchhoffa.
- Układ mostka Wheatstone’a – wyprowadzenie wzoru na opór mierzony.
- Szeregowe i równoległe łączenie oporów. Opór zastępczy układu.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
Struna oporowa ze skalą i ślizgaczem, czuły miliamperomierz z zerem pośrodku skali,
opornica suwakowa 10
, bateria 4,5V, opór dekadowy, opory nieznane, przerywacz,
omomierz cyfrowy.
Wykonanie ćwiczenia:
- Połączyć układ pomiarowy według schematu:
- Nastawić opornicę suwakową na średni opór. Zamknąć przerywacz. Przesuwając ślizgacz po
strunie oporowej oraz zmieniając wartość rezystancji na oporniku dekadowym
R
doprowadzić mostek do równowagi (miliamperomierz wskazuje zero) przy położeniu
ślizgacza w pobliżu środka struny (najmniejszy błąd pomiaru).
- Uczulić mostek przez zmniejszenie do zera oporu opornicy suwakowej i ewentualnie
skorygować położenie ślizgacza. Odczytać długości l1 i l2 oraz wartość oporu R gdy mostek
jest w równowadze. Obliczyć opór nieznany Rx:
Rx
R
l1
l2
- W podobny sposób zmierzyć rezystancję kilku innych oporników , a następnie opór
całkowity przy ich połączeniu szeregowym i równoległym.
- Powtórzyć wszystkie pomiary na omomierzu cyfrowym. Porównać uzyskane wyniki z
wynikami pomiarów na mostku strunowym.
Literatura:
1. T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa 1972.
2. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna wspomagana komputerem, PWN, 2003.
Ćwiczenie U.9.3
Tytuł ćwiczenia:
Pomiary indukcji magnetycznej pola wytworzonego przez obwody z prądem
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się z pomiarem indukcji magnetycznej za pomocą osiowej sondy
Halla.
Krótki opis ćwiczenia:
Przesuwając sondę teslomierza wzdłuż osi zwojnicy, w której płynie prąd stały o znanym
natężeniu można zbadać rozkład indukcji magnetycznej na osi cewki i porównać wyniki
pomiarów z rezultatami obliczeń przeprowadzonych w oparciu o znane wzory na indukcję
magnetyczną na osi solenoidu.
Wymagana wiedza ucznia:
- Pole magnetyczne. Natężenie pola magnetycznego. Indukcja magnetyczna. Strumień
indukcji magnetycznej.
- Prawo Biota – Savarta.
- Prawo Ampere’a.
- Indukcja magnetyczna na osi kołowego przewodnika z prądem i na osi solenoidu.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
Komplet siedmiu zwojnic o różnych średnicach i liczbie zwojów, osiowa sonda Halla
z modułem pomiarowym Tesli, zasilacz uniwersalny, czujnik ruchu, czujnik natężenia prądu,
ława ze skalą liniową, przewody z zaciskami, interfejs Cobra 3.
Wykonanie doświadczenia:
1. Przeglądnąć i sprawdzić układ pomiarowy firmy Phywe zgodnie ze wskazaniami
szczegółowej instrukcji dołączonej do ćwiczenia.
2. W obecności prowadzącego ćwiczenia włączyć zasilacz ( przełącznik na tylnej ściance)
ustawiając pokrętła regulacji napięcia i natężenia na minimum. Wprowadzić okno startowe
„Cobra 3 Force/Tesla”.
3. Zmierzyć rozkład indukcji magnetycznej na osi wybranej cewki z prądem elektrycznym.
W tym celu:
- Odnotować promień R, liczbę n zwojów oraz długość l cewki.
- Podłączyć cewkę do zasilacza prądu stałego. Manipulując pokrętłami natężenia i napięcia
ustalić wartość natężenia I prądu płynącego przez cewkę.
Uwaga: nie można przekraczać maksymalnego natężenia podanego dla danej cewki
przez producenta! Najlepiej ustawić natężenie o około 20% mniejsze.
- Ustawić sondę Halla tak, aby jej koniec znalazł się w środku cewki. Sprawdzić, czy czujnik
ruchu wskazuje w tym położeniu wartość z = 0. Następnie ustawić koniec sondy na wlocie
cewki.
- Postępując zgodnie z wskazaniami instrukcji szczegółowej przesuwać sondę wzdłuż osi z
cewki mierząc w kilkunastu punktach wartość indukcji magnetycznej B. Wydrukować wykres
B(z).
4. Obliczyć wartość indukcji we środku cewki ( z = 0) ze wzoru:
B
gdzie
0
4
10
7
0
nl
4R 2
l2
,
N
jest przenikalnością magnetyczną próżni.
A2
Wyniki obliczeń porównać z danymi eksperymentalnymi dla z = 0.
5. Pomiary i obliczenia wykonane w punktach 3, 4 powtórzyć dla kilku zwojnic o innych
parametrach.
Literatura:
1. D.Halliday, R.Resnick, J.Walker, Podstawy fizyki t.3, PWN, Warszawa 2005.
2. A.K.Wróblewski, J.A.Zakrzewski, Wstęp do fizyki t.2, cz.2, PWN, Warszawa 1991.
3. H.Szydłowski, Pracownia fizyczna wspomagana komputerem, PWN, Warszawa 2003.
Ćwiczenie U.9.4
Tytuł ćwiczenia:
Badanie zjawiska histerezy magnetycznej ferromagnetyków
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się ze zjawiskiem histerezy magnetycznej.
Krótki opis ćwiczenia:
Umieszczenie ciała ferromagnetycznego w polu magnetycznym powoduje uporządkowanie
domen magnetycznych i wzrost namagnesowania. Po usunięciu pola próbka pozostaje
namagnesowana. Stosując zmienne pole magnetyczne można zaobserwować zamkniętą
krzywą zwaną pętlą histerezy magnetycznej, z której można odczytać charakterystyczne
wielkości tj. indukcję nasycenia, pozostałość magnetyczną, natężenie koercji. Do badania
pętli histerezy można wykorzystać oscyloskop, ponieważ odczytywane w układzie napięcie
U będzie proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego H i indukcji magnetycznej B.
Wymagana wiedza ucznia:
- Pole magnetyczne, wielkości charakteryzujące pole magnetyczne.
- Pole magnetyczne przewodnika z prądem, pole magnetyczne cewki.
- Klasyfikacja ciał pod względem ich własności magnetycznych.
- Ferromagnetyki, histereza magnetyczna.
- Indukcja elektromagnetyczna, współczynnik indukcji własnej cewki.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
Oscyloskop, autotransformator, dwa oporniki wzorcowe, kondensator wzorcowy, badana
próbka materiału ferromagnetycznego z nawiniętymi uzwojeniami, przymiar milimetrowy,
miernik napięcia zmiennego.
Wykonanie doświadczenia:
- Wyznaczyć wartość średniej drogi strumienia magnetycznego lśr w rdzeniu wykonanym
z badanego materiału ferromagnetycznego, oraz powierzchnię
- Zestawić układ pomiarowy według schematu:
jego przekroju poprzecznego.
Uwaga: oscyloskop (model 3502 C) powinien być przygotowany do pracy w trybie X-Y. W
tym celu należy przełączyć pokrętło TIME/DIV na pozycję X-Y. Na wejście CH-B należy
podać sygnał odchylania poziomego (X) a na wejście CH-A sygnał odchylania pionowego
(Y).
- Włączyć oscyloskop i za pomocą
pokręteł przesuwu plamki w kierunku osi x i y
oscyloskopu ustawić plamkę dokładnie w środku ekranu, w punkcie przecięcia się osi jego
układu współrzędnych.
- Pokrętło autotransformatora ATr ustawić w lewym skrajnym położeniu. Włączyć zasilanie
układu pomiarowego. Rozmagnesować próbkę badanego ferromagnetyka. W tym celu należy
dobrać za pomocą autotransformatora wartość napięcia, tak, aby przy odpowiednio dobranych
czułościach wzmacniacza X i Y uzyskać na ekranie oscyloskopu pętlę histerezy. Następnie
wolno zmniejszać autotransformatorem napięcie do zera.
- Przystosować oscyloskop do pomiaru napięć. W tym celu potencjometry płynnej regulacji
czułości wzmocnienia kanału X i Y przekręcić na pozycję CAL (do oporu zgodnie z ruchem
wskazówek zegara).
- Ustawić za pomocą autotransformatora wartość napięcia, przy którym na ekranie
oscyloskopu otrzymamy pętlę histerezy dostatecznie dużych rozmiarów. Można też
skorzystać ze skokowej regulacji czułości kanałów A i B. Pętla histerezy powinna zajmować
całą powierzchnię pomiarową oscyloskopu.
- Odczytać długości odcinków pętli histerezy odpowiadające podwojonej długości natężenia
koercji Sx , indukcji remanencji Sy , oraz indukcji nasycenia badanego ferromagnetyka Bmax .
Odnotować czułości kx i ky kanałów X i Y oscyloskopu.
- Rozmontować układ do badania pętli histerezy. Wartości oporów R1 i R2 , oraz pojemność C
kondensatora wzorcowego zmierzyć za pomocą mostka RLC.
- Obliczyć natężenie koercji Hk i indukcję remanencji Br z zależności:
Hk
S x k x z1
,
2 R1 lśr
Br
S y k y R2 C
2 z2 S
,
gdzie kx, ky - czułość kanałów X i Y oscyloskopu, a z1, z2 - ilość zwojów uzwojenia
pierwotnego i wtórnego.
- Obliczyć współczynnik dobroci badanego materiału ferromagnetycznego:
Q
Br H k
Literatura:
1. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999.
2. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3 Elektryczność i magnetyzm, PWN,
Warszawa 1980.
3. A, H. Piekara, Elektryczność i budowa materii. cz. 1, Elektryczność i magnetyzm, PWN
Warszawa 1972.
4. D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, cz. 2, PWN, Warszawa 2001.
Ćwiczenie U.9.5
Tytuł ćwiczenia:
Pomiar pojemności kondensatora i współczynnika samoindukcji metodą mostkową.
Cel dwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się ze sposobem łączenia ze sobą kondensatorów i zwojnic. Zapoznanie się z
metodą mostkową wyznaczania pojemności kondensatorów i indukcyjności zwojnic.
Krótki opis dwiczenia:
Pomiar pojemności kondensatora i indukcyjności zwojnicy może być przeprowadzony za
pomocą mostków prądu przemiennego. Uczniowie zestawiają prosty układ mostkowy ze struną
oporową, a następnie porównują mierzoną pojemność kondensatora z pojemnością znaną.
Podobna metoda jest stosowana dla zwojnicy.
Wymagana wiedza ucznia:
Pojemnośd elektryczna, definicja, jednostka w układzie SI.
Współczynnik samoindukcji zwojnicy, definicja, jednostka w układzie SI.
Kondensatory, rodzaje i sposoby ich łączenia w baterie kondensatorów, pojemnośd
zastępcza.
Zwojnice, rodzaje zwojnic, łączenie zwojnic w baterie, indukcyjnośd zastępcza.
Kondensator i zwojnica w obwodzie prądu przemiennego.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
Listwa z drutem oporowym, kondensator dekadowy, indukcyjnośd dekadowa, generator akustyczny,
badane kondensatory, badane zwojnice.
Wykonanie doświadczenia:
Pomiar pojemności kondensatora za pomocą mostka Sautego.
Zestawid układ do pomiaru pojemności kondensatorów według schematu.
Generator akustyczny nastawid na częstotliwośd, przy której ucho ludzkie ma największą
czułośd ( ~1000*Hz+).
Uwaga: W przypadku gdy wiemy, jakiego rzędu jest wartośd pojemności Cx, to wartośd pojemności Cw
należy ustawid zbliżoną do tej wartości, a następnie przesuwając ślizgacz wzdłuż drutu oporowego
doprowadzid do sytuacji, w której następuje zanik słyszanego w słuchawce dźwięku. Jeżeli punkt, w
którym to osiągnęliśmy, leży zbyt daleko od położenia środkowego ślizgacza, należy skorygowad
wartośd pojemności wzorcowej Cw i pomiary powtórzyd. W przypadku, gdy wartośd pojemności Cx nie
jest bliżej znana, należy ślizgacz ustawid w położeniu środkowym, a następnie pokręcając
gałkami kondensatora dekadowego Cw doprowadzid do częściowego zaniku słyszanego w słuchawce
dźwięku. Całkowite wyciszenie uzyskujemy przesuwając suwak wzdłuż drutu oporowego.
Po ustaleniu równowagi mostka odczytad wartośd długości l1 i 12 oraz nastawioną
wartośd kondensatora dekadowego Cw.
Obliczyd wartośd mierzonej pojemności kondensatora:
Cx
CW
l2
l1
Pomiary powtórzyd dla innych kondensatorów, a następnie po wyznaczeniu ich pojemności
wyznaczyd pojemności zastępcze układów, kondensatorów połączonych szeregowo i równolegle.
Porównad wartości pojemności zastępczych uzyskanych na drodze pomiaru i przez obliczenia
rachunkowe w oparciu o wartości poszczególnych pojemności wchodzących w skład układu
zastępczego.
Pomiar współczynnika samoindukcji za pomocą mostka Maxwella-Wiena.
Połączyd układ według schematu. Opór dodatkowy R służy do wyrównywania oporów czynnych
w mostku.
Zmieniając wartośd indukcyjności dekadowej L0 (a tym samym jej opór czynny R0), oraz
manipulując suwakiem i oporem dekadowym R znaleźd wartości L0, l1, l2, przy których następuje
wyciszenie tonu w słuchawkach. Pomiary kilkakrotnie powtórzyd.
Obliczyd wartośd mierzonej indukcyjności zwojnicy
Lx
L0
l1
l2
Zmierzyd indukcyjnośd badanych zwojnicy za pomocą mostka uniwersalnego RLC. Porównad
wynik pomiaru na mostku RLC z obliczonym wynikiem.
Literatura:
H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999.
Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3 Elektrycznośd i magnetyzm, PWN, Warszawa 1980.
A, H. Piekara, Elektrycznośd i budowa materii. cz. 1, Elektrycznośd i magnetyzm, PWN Warszawa
1972.
D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, cz. 2, PWN, Warszawa 2001.
E. Purcel, Elektrycznośd i magnetyzm, PWN, Warszawa 1975.
Ćwiczenie U.9.6
Tytuł ćwiczenia:
Indukcyjność własna i pojemność w obwodach prądu przemiennego.
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się z zależnościami fazowymi i ze zjawiskiem rezonansu w obwodach
RLC.
Krótki opis ćwiczenia:
Podczas przepływu prądu przemiennego przez obwód zawierający oporniki, kondensatory
i cewki między napięciem i natężeniem prądu powstaje przesunięcie fazowe zależne od oporu
R, pojemności C i indukcji własnej L. Wielkość przesunięcia fazowego można zaobserwować
na oscyloskopie dwukanałowym. Mierząc kąt przesunięcia fazowego można określić wartość
parametrów C i L dla różnych kondensatorów i cewek. W oparciu o otrzymane wartości C i L
można otrzymać częstotliwość rezonansową obwodu i sprawdzić ją na oscyloskopie.
Wymagana wiedza ucznia:
- Prąd sinusoidalnie zmienny, wartość skuteczna i szczytowa napięcia i natężenia prądu.
- Rola indukcyjności i pojemności w obwodach prądu zmiennego.
- Zależności amplitudowe i fazowe między napięciem i natężeniem prądu w obwodach RL,
RC, RLC.
- Zjawisko rezonansu, częstotliwość rezonansowa.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
oscyloskop dwukanałowy, opornica dekadowa, kondensator, zwojnica, generator, 2 mierniki
uniwersalne.
Wykonanie doświadczenia:
- Zestawić szeregowy obwód z indukcyjnością, oporem i źródłem sinusoidalnej siły
elektromotorycznej:
- Zmierzyć spadek napięcia U na zaciskach cewki i prąd I w obwodzie. Zanotować
częstotliwość f ustawioną na generatorze. Obliczyć indukcyjność zwojnicy:
L
U
.
2 f I
- Na ekranie oscyloskopu dwukanałowego zmierzyć przesunięcie fazowe
między napięciem
i natężeniem. Znając wartość oporu R na oporniku dekadowym obliczyć indukcyjność
zwojnicy:
L
R tg
2 f
Porównać wyniki otrzymane obiema metodami.
- W obwodzie zastąpić zwojnicę kondensatorem. Dokonać pomiaru pojemności kondensatora
dwiema metodami jak przy pomiarze indukcyjności, korzystając z wzorów:
C
2
I
f U
C
2
1
f R tg
- Zestawić analogiczny obwód z pojemnością i indukcyjnością połączonymi szeregowo.
Z danych otrzymanych z poprzednich pomiarów obliczyć częstotliwość rezonansową
obwodu:
fr
2
1
.
L C
Sprawdzić otrzymaną wartość częstości rezonansowej obserwując zależności fazowe
i amplitudowe na oscyloskopie i miernikach.
Literatura:
1. E. M. Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN, Warszawa 1975
2. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999.
3. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3 Elektryczność i magnetyzm, PWN,
Warszawa 1980.
4. D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, cz. 2, PWN, Warszawa 2001.
5. J. Orear, Fizyka cz.1. WNT Warszawa 1990
Ćwiczenie U.9.7
Tytuł ćwiczenia:
Pomiar mocy prądu zmiennego za pomocą watomierza
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się z pomiarem mocy i pracy prądu przemiennego
Krótki opis ćwiczenia:
Po zestawieniu układu pomiarowego z watomierzem można zmierzyć moc żarówki przy
różnych stopniach rozżarzenia jej włókna. Na końcu mierzymy moc żarówki przy jej napięciu
znamionowym porównując wynik z wynikiem pomiaru mocy żarówki energooszczędnej.
Wymagana wiedza ucznia:
- Praca i moc prądu sinusoidalnie zmiennego, na poszczególnych elementach obwodu, praca i
moc pozorna.
- Prąd sinusoidalnie zmienny, wielkości charakteryzujące.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
Autotransformator, watomierz, licznik energii elektrycznej, dwa mierniki uniwersalne,
żarówka.
Wykonanie doświadczenia:
1. Pomiar mocy żarówki
- Zestawić układ pomiarowy:
- Zmierzyć moc pobieraną przez żarówkę przy różnych napięciach zasilania.
- Obliczyć moc P0 czerpaną ze źródła przez żarówkę ze wzoru:
P0
Pw U 02
R RV
,
R RV
gdzie:
U0 – skuteczna wartość napięcia na zaciskach odbiornika
R – opór cewki napięciowej watomierza (15 kΩ na zakresie 100 V)
RV – opór wewnętrzny woltomierza.
Pw – moc wskazywana przez watomierz
- Obliczyć współczynnik mocy odbiornika:
cos
P0
0
U0 I0
,
gdzie
przy czym jest natężeniem prądu wskazywanym przez amperomierz.
2. Pomiar energii prądu zmiennego jednofazowego za pomocą licznika
- Zestawić układ pomiarowy według schematu:
- Zanotować początkowe wskazania licznika Lp.
- Dokonać pomiaru poboru energii przez odbiornik w ciągu czasu t=45 minut.
- Odczytać stan końcowy licznika Lk .
- Obliczyć pobór energii:
Wl=Lk-Lp .
Uwaga: Podczas łączenia i rozmontowywania obwodu, wtyczka autotransformatora
powinna być wyłączona z gniazdka sieciowego !
Literatura:
1. A. H. Piekara, Elektryczność i budowa materii. cz. 1, Elektryczność i magnetyzm, PWN
Warszawa 1972.
2. M. Łapiński, Miernictwo elektryczne, WNT, Warszawa.
Ćwiczenie U.9.8
Tytuł ćwiczenia:
Badanie transformatora
Cel ćwiczenia:
Praktyczne zapoznanie się z budową i zasadą działania transformatora.
Krótki opis ćwiczenia:
Do jednego z uzwojeń transformatora (pierwotnego) przykłada się zmienne napięcie i bada
zależność napięcia indukowanego w drugim uzwojeniu (wtórnym) oraz płynącego
w nim prądu od liczby zwojów obu uzwojeń, napięcia i prądu w uzwojeniu pierwotnym.
W oparciu o otrzymane wyniki można obliczyć przekładnię i wydajność transformatora.
Wymagana wiedza ucznia:
- Transformator, budowa i zasada działania.
- Bieg jałowy i roboczy transformatora.
- Przesunięcie fazowe napięcia i natężenia prądu w czasie biegu jałowego i roboczego
transformatora.
- Wydajność transformatora.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
autotransformator, 2 woltomierze, 2 amperomierze, 2 watomierze, opornica suwakowa,
transformator.
Wykonanie doświadczenia:
1. Badanie biegu jałowego transformatora. Wyznaczanie jego przekładni
- Połączyć obwód według schematu:
- Zmieniając napięcie U1 od o do 30 V (nie więcej) odczytać każdorazowo natężenie I0
jałowego biegu transformatora i napięcie U2 w obwodzie wtórnym (około 8-10
pomiarów).Wyniki umieścić w tabelce:
Obwód pierwotny
U1
Obwód wtórny
I0
Przekładnia
U2
Wartość średnia przekładni
-
- Sporządzić wykres zależności I0= f (U1) i obliczyć przekładnię transformatora
.
2. Badanie biegu roboczego
- Połączyć obwód według schematu:
- Nastawić opór R na maksymalną wartość.
- Zmieniając opór R , tak aby natężenie I1 zmieniło się o około 1 A, notować wskazania
amperomierzy, woltomierzy, watomierzy
- Wyniki pomiarów umieścić w tabelce:
Obwód pierwotny
Obwód wtórny
U1 I1 Mp1=I1U1 Mr1=I1U1cosφ1 cosφ1 U2
Wydajność
I2 Mp2=U2I2 Mr2=I2U2cosφ2 cosφ2 transformatora
gdzie: Mp- moc pozorna
Mr- moc rzeczywista
- Sporządzić wykres zależności U2= f (I2) napięcia od natężenia w uzwojeniu wtórnym.
- Obliczyć:
a) moc pozorną w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym: M p1
I1 U1 , oraz M p2
b) wydajność transformatora dla poszczególnych obciążeń: W
I2 U2
I2 U2
I1 U 1
c) przesunięcie fazowe między napięciem i natężeniem prądu w uzwojeniu pierwotnym i
wtórnym: cos
1
M r1
, cos
M p1
2
M r2
.
M p2
Literatura:
1. E.M. Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN Warszawa 1975.
2. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN Warszawa 1999.
3. Sz.Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3 Elektryczność i magnetyzm, PWN
Warszawa 1980.
4. A. H. Piekara, Elektryczność i budowa materii. cz. 1, Elektryczność i magnetyzm, PWN
Warszawa 1972.
Ćwiczenie U.9.9
Tytuł ćwiczenia:
Cechowanie termopary metodą pomiaru prądu termoelektrycznego
Cel ćwiczenia:
Zapoznanie się ze zjawiskiem powstawania siły termoelektrycznej w obwodach utworzonych
z dwóch różnych materiałów.
Krótki opis ćwiczenia:
Jeśli złącza dwu różnych metali umieścimy w różnych temperaturach to w obwodzie
powstanie siła termoelektryczna, między złączami wystąpi różnica potencjałów i przez obwód
popłynie prąd elektryczny. Natężenie prądu I będzie zależne od różnicy temperatur na
stykach. Pomiar pozwoli na zbadanie charakteru tej zależności.
Wymagana wiedza ucznia:
- Klasyczna teoria przewodnictwa elektrycznego metali, kontakt dwóch metali, napięcie
kontaktowe Galvaniego i Volty. Termopara.
- Zjawisko Seebecka, siła termoelektryczna.
- Szereg termoelektryczny metali.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
Pojemnik z lodem, ultratermostat, termopara, galwanometr, opornik dekadowy, przerywacz.
Wykonanie doświadczenia:
- Zestawić układ pomiarowy według schematu:
Lód
Uwaga: W czasie łączenia obwodu galwanometr powinien być zwarty kluczem K. Opór
R na oporniku dekadowym ustawiamy na 1-2 kΩ.
- Włączyć ultratermostat.
- Otworzyć klucz K.
- Na galwanometrze odczytać natężenie prądu termoelektrycznego (w działkach skali) dla
danej różnicy temperatur pomiędzy złączami L i P w odstępach co 7 –100 C.
- Gdy temperatura złącza P osiągnie 80-900C wyłączyć ultratermostat.
- Jeśli plamka świetlna na skali galwanometru osiągnie pełne wychylenie przy niższej
temperaturze złącza P można zakończyć pomiary na tej temperaturze.
- Wykreślić zależność natężenia prądu termoelektrycznego (w działkach skali) od różnicy
temperatur pomiędzy złączami L i P.
Literatura:
1. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999.
2. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3 Elektryczność i magnetyzm, PWN,
Warszawa 1980.
3. M. Skorko, Fizyka, PWN, Warszawa 1979.
4. J. Massalski, Fizyka dla inżynierów, WNT, Warszawa 1975.
Ćwiczenie U.9.10
Tytuł ćwiczenia:
Badanie zjawiska fotoelektrycznego.
Cel ćwiczenia:
Zbadanie charakterystyk: prądowo-napięciowej i oświetleniowej fotokomórki oraz fotodiody
przy polaryzacji zaporowej.
Krótki opis ćwiczenia:
Układ umożliwia sporządzenie charakterystyki prądowo- napięciowej i oświetleniowej
fotokomórki.
Wymagana wiedza ucznia:
- Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne- wzór Einsteina-Milikana.
- Fotoefekt wewnętrzny.
- Zjawisko fotoelektryczne w warstwach zaporowych.
- Fotokomórka. Charakterystyka prądowo-napięciowa i oświetleniowa fotokomórki.
Przyrządy pomiarowe i materiały:
fotokomórka, fotodioda, zasilacz prądu stałego, zasilacz do lampy, opornica, ława optyczna,
mikroamperomierz, woltomierz.
Wykonanie doświadczenia:
1. Sporządzanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotokomórki gazowanej
- Połączyć układ pomiarowy według schematu:
- Fotokomórkę i źródło światła ustawić na ławie optycznej w odległości: 0,4 - 0,9 m
Źródło światła powinno być punktowe, dlatego otworek oświetlacza nie może być szeroko
otwarty.
-Wyzerować
mikroamperomierz.
Oświetlić
fotokomórkę.
Zmieniając
napięcie
przyspieszające U od 0 do 75 V przy pomocy pokrętła regulacji płynnej odczytywać
wskazania mikroamperomierza (If).
- Powtórzyć pomiary If=f(U) przy dwu innych, ustalonych odległościach źródła światła od
fotokomórki.
2. Sporządzanie charakterystyk oświetleniowych fotokomórki gazowanej
- Ustalić wartość napięcia przyspieszającego między elektrodami.
- Zmieniać odległość L źródła światła od fotokomórki przesuwając żarówkę po ławie
optycznej. Odczytać wartości fotoprądu If odpowiadające danym odległościom pomiędzy
fotokomórką, a źródłem światła.
- Pomiary powtórzyć dla 3-5 ustalonych wartości napięcia przyśpieszającego między
elektrodami.
- Sporządzić wykresy If= f(1/L2).
3. Wyznaczanie charakterystyk prądowo- napięciowych fotodiody
- Zestawić układ według schematu:
- Wyznaczyć charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody postępując analogicznie jak dla
fotokomórki. Wartość U nie powinna przekraczać 30 V.
4. Sporządzanie charakterystyk oświetleniowych fotodiody
- Dokonać pomiaru charakterystyki oświetleniowej analogicznie jak dla fotokomórki.
- Sporządzić wykresy: I f
f
1
.
L2
Literatura:
1. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 3 Elektryczność i magnetyzm, PWN,
Warszawa 1980.
2. E. Purcell Elektrycznośc i magnetyzm, PWN, Warszawa 1975.
3. H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999.
4. D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, cz. 2, PWN, Warszawa
5. J. Orear, Fizyka cz.2. WNT Warszawa 1990.