Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Ανάλυση Κυκλωμάτων Εργαστηριακές Ασκήσεις Εργαστήριο 2 Νόμος του Ohm, Συνδέσεις αντιστάσεων σε σειρά Φ. Πλέσσας Βόλος 2015
Σκοπός Σκοπός του εργαστηρίου αυτού είναι 1. Η κατανόηση του νόμου του Ohm και επιβεβαίωση των μεταβολών ρεύματος και τάσης με πειράματα και υπολογισμούς. 2. Μετρήσεις σε κυκλώματα που αποτελούνται από στοιχεία συνδεδεμένα σε σειρά. 3. Μετρήσεις σε κυκλώματα που αποτελούνται από στοιχεία συνδεδεμένα παράλληλα. Τι θα χρειαστείτε Πολύμετρο Πηγή συνεχούς τάσης Breadboard Αντιστάσεις: 1x36 kω, 1x68 kω, 1x91 kω, 1x33 kω, 1x22 kω, 2 x 12 kω, 1x3.3 kω, 1x12 kω, 1x56 kω, 1x22 kω, 2x33 kω, 1x 330 kω. ΠΡΟΣΟΧΗ. 1. Μην προσπαθήσετε ΠΟΤΕ να μετρήσετε αντίσταση σε ένα κύκλωμα υπό τροφοδοσία. Η τάση του κυκλώματος μπορεί να βλάψει το πολύμετρο. 2. Πάντα χρησιμοποιήστε τη μετρημένη αξία της αντίστασης για όλους τους υπολογισμούς. 3. Πάντα ρυθμίστε με ακρίβεια την τάση της πηγής με το κύκλωμα συνδεδεμένο. 4. Κατά τη μέτρηση τάσης, το πολύμετρο πρέπει να συνδεθεί παράλληλα. 5. Κατά τη μέτρηση ρεύματος, πρέπει να διακόψετε το κύκλωμα στο σημείο που σας ενδιαφέρει και να τοποθετήσετε το πολύμετρο σε σειρά. 6. Όταν χρησιμοποιείτε βολτόμετρο και αμπερόμετρο ταυτόχρονα, πρέπει να είσαστε προσεκτικοί όσον αφορά σε ποια σημεία ενώνετε τα όργανα έτσι ώστε το ένα να μην επηρεάζει τη μέτρηση του άλλου. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ 1. Χρησιμοποιώντας τις θεωρητικές τιμές της τάσης και της αντίστασης του σχήματος 1.1 να υπολογίσετε το ρεύμα που διαρρέει την R 1 σύμφωνα με το νόμο του Ohm. 2. Να υπολογίσετε την νέα τιμή του ρεύματος εάν στο κύκλωμα του σχήματος 1.1 αλλάξουμε την τιμή της αντίστασης σε : α) 36Ω β) 91Ω. 3. Να υπολογίσετε τη νέα τιμή του ρεύματος εάν στο κύκλωμα του σχήματος 1.1 μεταβάλλουμε την τιμή της τάσης σε: α) 10V, β) 1V. 4. Εξηγήστε τη σχέση μεταξύ αντίστασης-ρεύματος όταν η τάση παραμένει σταθερή, τη σχέση ρεύματος-τάσης όταν παραμένει σταθερή η αντίσταση και τη σχέση μεταξύ τάσης-αντίστασης για σταθερή τιμή του ρεύματος. 5. Αναφέρετε τα χρώματα των τριών αντιστάσεων με τιμές 22kΩ, 33kΩ και 12kΩ με βάση τον χρωματικό κώδικα: R1= R2= R3= 6. Υπολογίστε θεωρητικά τη συνολική αντίσταση του σχήματος 2.1. R TOTAL = 7. Υποθέτοντας ότι η τιμή της R 1 του σχήματος 2.2 μειώνεται, απαντήστε στις παρακάτω ερωτήσεις: Τι έχει συμβεί στη συνολική αντίσταση του κυκλώματος; Γιατί; Τι έχει συμβεί στο ρεύμα του κυκλώματος; Γιατί; Τι έχει συμβεί στην τάση στα άκρα της R 2 και R 3; Γιατί; Τι έχει συμβεί στην τάση στα άκρα της R 1; Γιατί; 8. Αν αυξήσουμε την τιμή της R 2 στα 56Ω τι θα αλλάξει στις τιμές των ρευμάτων που διαρρέουν τις αντιστάσεις ;
Πειραματική Εργασία Μέρος Α (Νόμος του Ohm) Στόχοι 1. Έλεγχος του νόμου του Ohm με υπολογισμό και μετρήσεις της τάσης, του ρεύματος και της αντίστασης,, συγκρίσεις. 2. Έλεγχος τη σχέσης του νόμου του Ohm με την αύξηση ενός όρου κρατώντας το δεύτερο σταθερό και μετρώντας και υπολογίζοντας την επίδραση στον τρίτο όρο. Διαδικασία 1. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα (σχήμα 1.1) Σχήμα 1.1 2. Μετρήστε την αντίσταση 68 kω με το πολύμετρο R1measured = 3. Ρυθμίστε την τάση συνεχούς τάσης στα 15.0 V χρησιμοποιώντας το πολύμετρο στην θέση DC voltage. 4. Μετρήστε την τάση στα άκρα της αντίστασης. VR1 = 5. Μετρήστε το ρεύμα που περνά από την R 1. IR1 = 6. Εξηγήστε τους λόγους στους οποίους οφείλεται η διαφορά μεταξύ της υπολογισμένης και της μετρήσιμης τιμής του ρεύματος. 7. Μειώστε την τάση στα 10.0 volts και μετρήστε πάλι το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση. IR1 = 8. Κατασκευάστε το κύκλωμα του σχήματος 1.1, χρησιμοποιώντας αντίσταση 36 kω και τάση 15.0V. 9. Μετρήστε το ρεύμα στην R 1.
IR1 = 10. Υπολογίστε την αντίσταση R 1 χρησιμοποιώντας αυτές τις τιμές. R1 = 11. Αφαιρέστε την R 1 από το κύκλωμα. Μετρήστε και καταγράψτε την R 1 με το πολύμετρο. 12. R1 = 13. Εξηγήστε τους λόγους στους οποίους οφείλεται η διαφορά μεταξύ της υπολογισμένης και της μετρήσιμης τιμής του ρεύματος. 14. Αλλάξτε την τιμή της αντίστασης στα 68 kω, και μετρήστε πάλι το ρεύμα που τη διαρρέει. IR1 = 15. Κατασκευάστε το κύκλωμα του σχήματος 1.1, χρησιμοποιώντας αντίσταση 91 kω. 16. Μετρήστε την αντίσταση με το πολύμετρο πριν την τοποθετήσετε στο κύκλωμα. R1 = 17. Τοποθετήστε την αντίσταση στο κύκλωμα και μετρήστε το ρεύμα που τη διαρέει. I R1 = 18. Μετρήστε την τάση στα άκρα της αντίστασης. VR1 = 19. Εξηγήστε τους λόγους στους οποίους οφείλεται η διαφορά μεταξύ της υπολογισμένης και της μετρήσιμης τιμής του ρεύματος. 20. Ρυθμίστε την τάση της πηγής έτσι ώστε το ρεύμα που περνά από την αντίσταση να είναι 0.1 ma. 21. Μετρήστε την τάση. V R1 = 22. Αλλάξτε την τιμή της αντίστασης στα 68 kω. Ρυθμίστε ξανά την τάση έτσι ώστε το ρεύμα που περνά από την αντίσταση να είναι 0.1 ma. 23. Μετρήστε την τάση. V R1 =
Στόχοι Μέρος Β (Αντιστάσεις σε σειρά) 1. Διερεύνηση των χαρακτηριστικών ενός κυκλώματος σειράς. 2. Πειραματικός έλεγχος, χρησιμοποιώντας μετρήσεις και υπολογισμούς, των ακόλουθων κανόνων για κυκλώματα σειράς: Η συνολική αντίσταση κυκλωμάτων είναι ίση με το άθροισμα των μεμονωμένων αντιστάσεων. Το ρεύμα είναι το ίδιο σε όλα τα σημεία σε ένα κύκλωμα σειράς. Το άθροισμα των πτώσεων τάσης είναι ίσο με την τάση της πηγής. Καθορισμός της αλλαγής μιας αντίστασης στη συνολική αντίσταση, στο ρεύμα και στη κατανομή των πτώσεων τάσης. Σχήμα 2.1 1. Κατασκευάστε το κύκλωμα του σχήματος 2.2 χρησιμοποιώντας πηγή τάσης 15.0 volts. Σχήμα 2.2 2. Διακόψτε το κύκλωμα στο σημείο a. Συνδέστε κατάλληλα το πολύμετρο με μεγάλη προσοχή (καλό θα είναι να ρωτήσετε αν δεν είστε σίγουροι) και καταγράψτε το ρεύμα στο a. Ia = 3. Διακόψτε το κύκλωμα στο σημείο b. Συνδέστε κατάλληλα το πολύμετρο με μεγάλη προσοχή (καλό θα είναι να ρωτήσετε αν δεν είστε σίγουροι) και καταγράψτε το ρεύμα στο b. Ib = 4. Διακόψτε το κύκλωμα στο σημείο c. Συνδέστε κατάλληλα το πολύμετρο με μεγάλη προσοχή (καλό θα είναι να ρωτήσετε αν δεν είστε σίγουροι) και καταγράψτε το ρεύμα στο c. Ic =
5. Διακόψτε το κύκλωμα στο σημείο d. Συνδέστε κατάλληλα το πολύμετρο με μεγάλη προσοχή (καλό θα είναι να ρωτήσετε αν δεν είστε σίγουροι) και καταγράψτε το ρεύμα στο d. Id = 6. Στο ίδιο κύκλωμα, ρυθμίστε την πηγή τάσης στα 15.0 volts και μετρήστε την με το πολύμετρο. Μετρήστε την τάση στα άκρα κάθε αντίστασης. Vad = VR1 = VR2 = VR3 = 7. Στο ίδιο κύκλωμα, βεβαιωθείτε ότι η πηγή τάσης είναι στα 15.0 volts μετρώντας με το πολύμετρο. Μετρήστε την τάση στα άκρα κάθε αντίστασης. Προσθέστε και υπολογίστε τη συνολική τάση. V total = V R1 + V R2 + V R3 = 8. Στο ίδιο κύκλωμα, ρυθμίστε την πηγή τάσης στα 12.0V. 9. Μετρήστε το ρεύμα του κυκλώματος. I = 10. Μετρήστε την τάση στα άκρα κάθε αντίστασης. V R1 = V R2 = V R3 = 11. Αποσυνδέστε την πηγή τάσης και μετρήστε τη συνολική αντίσταση. Rtotal = 12. Αλλάξτε την τιμή της R 1 σε 12 kω. Κρατήστε τις ίδιες τιμές στην R 2 και R 3 όπως προηγουμένως. 13. Καταγράψτε τις νέες τιμές των παρακάτω μεταβλητών και επαληθεύστε το 7 ο θεωρητικό ερώτημα I = V R1 = V R2 = V R3 = R tοτal =