Vaje: Električni tokovi

Barbara Rovšek, Bojan Golli, Ana Gostinčar Blagotinšek Vaje: Električni tokovi 1 Merjenje toka in napetosti Naloga: Izmerite tok, ki teče skozi žarnico, ter napetost na žarnici Za izvedbo vaje potrebujete žarnico za 6 V in 4 ma (z modro oznako), žice, baterije, ampermeter in voltmeter Žarnico povežite z baterijskim koritom tako, da boste zajeli vse štiri galvanske člene, ki so v koritu Napetost vira (baterije) je tedaj 4 1,5 V = 6 V Opazujte, kako žarnica sveti Potem premestite eno od žic na koritu tako, da zajamete v baterijo le tri galvanske člene in je napetost baterije samo 4,5 V Kako zdaj sveti žarnica, močneje ali šibkeje? Ponovite meritve še z napetostima baterije 3 V in 1,5 V Opažanja strnite in vpišite v tabelo 1 napetost na bateriji [V] 6 4,5 3 1,5 Tabela 1 žarnica sveti priključek baterije in žarnico (slika 1, A 2 ) A 1 A 2 Slika 1: Merjenje toka skozi žarnico in baterijo Ampermeter lahko vežemo na dve mesti v krogu Vežite ampermeter na mesto 1 in izmerite tokove skozi žarnico pri različnih napetostih baterije Potem prestavite ampermeter na mesto 2 in izmerite tokove še tu Vse meritve vpišite v tabelo 2 Ali lahko rečemo, da žarnica tok porablja? Na podlagi vaših opažanj in meritev zapišite izjavo, v kateri uporabite zvezo Čim, tem, in ki pove zvezo med tokom skozi žarnico in žarenjem žarnice [V] I 1 [ma] I 2 [ma] U z [V] [V] 6 4,5 3 1,5 Tok, ki teče po krogu, izmerimo z ampermetrom Ampermeter vežemo zaporedno - tako, da teče skozenj isti tok kot skozi porabnik (ali baterijo) V krog z baterijo in žarnico lahko vežemo ampermeter na dve različni mesti - med pozitivni priključek baterije in žarnico (slika 1, A 1 ), ali pa med negativni Čim Tabela 2 1

2 Izmerimo še napetosti na žarnici in bateriji Uporabili bomo voltmeter, ki ga porabniku ali bateriji vežemo vzporedno, kot kaže slika 2 Voltmeter V 1 meri napetost U z na žarnici, voltmeter V 2 pa napetost na bateriji Meritve vpišite v zadnja dva stolpca tabele 2 Kaj opazite? V 1 V 2 Slika 2: Merjenje napetosti na žarnici in bateriji Kako ovržemo domnevo, da se električni tok porablja? Kako lahko razumemo predpis, da ampermeter v krog vežemo zaporedno? Kolikšna je napetost na porabniku, ki je sam vezan na baterijo? 2 Zaporedna vezava porabnikov Naloga: Preverite, ali je tok skozi vse dele enostavnega vezja enak Preverite tudi, ali je vsota napetosti na porabnikih enaka gonilni napetosti baterije Za izvedbo vaje potrebujete dve žarnici za 6 V in 4 ma (z modro oznako), eno žarnico za 6 V in 1 ma (z rdečo oznako), žice, baterije, ampermeter in voltmeter Po shemi na sliki 3 zvežite v električni krog zaporedno baterijo z gonilno napetostjo 6 V in dve enaki žarnici z modro oznako Primerjajte žarenje obeh žarnic med seboj Kaj se zgodi, če eno žarnico odvijete iz ovratnika? Kaj se zgodi, če eno žarnico zamenjate z žico? Slika 3: Shema zaporedne vezave dveh žarnic Zamenjano žarnico vstavite nazaj v vezje, kot na začetku Na različna mesta v krogu vežite ampermeter (A 1, A 2, A 3 ), kot kaže slika 4, in izmerite tokove skozi obe žarnici I 1 (skozi prvo), I 2 (skozi drugo) ter tok skozi baterijo I g (z ampermetrom A 3 ) Izmerjene tokove vpišite v prvo vrstico tabele 3 (primer a) Potem izmerite še napetosti na vsaki od žarnic U 1 in U 2 ter gonilno napetost baterije Tudi te meritve vpišite v prvo vrstico tabele 3 Primerjajte vsoto napetosti na posameznih žarnicah U 1 + U 2 z gonilno napetostjo baterije (z voltmetrom V 3 ) V 1 A 3 V 2 A 1 A 2 V 3 Slika 4: Vezava ampermetra in voltmetra na različna mesta v krogu Ampermeter vežemo zaporedno, voltmeter pa vzporedno tistemu porabniku (ali bateriji), na katerem merimo napetost

3 Vzporedna vezava porabnikov 3 Eno od dveh enakih žarnic z modro oznako zamenjajte z drugačno žarnico z rdečo oznako Kako zdaj žarita žarnici? Ponovite meritve tokov in napetosti ter rezultate vpišite v drugo vrstico tabele 3 (primer b) primer I 1 [ma] I 2 [ma] I g [ma] U 1 [V] U 2 [V] U 1 +U 2 [V] [V] a b Tabela 3 Kaj lahko povemo o toku skozi baterijo in porabnike, ki so vezani zaporedno? Kaj lahko povemo o vsoti napetosti na porabnikih, ki so vezani v električnem krogu zaporedno? Ali lahko iz žarenja žarnic sklepamo na tok skoznje? Če da, v katerem primeru? Če ne, zakaj ne? 3 Vzporedna vezava porabnikov Naloga: Preverite, ali je vsota tokov, ki pritekajo v razvejišče, enaka vsoti tokov, ki od tam odtekajo Preverite tudi, ali je napetost na vsakem od porabnikov, ki so na baterijo vezani vzporedno, enaka gonilni napetosti baterije Za izvedbo vaje potrebujete dve žarnici za 6 V in 4 ma (z modro oznako), eno žarnico za 6 V in 1 ma (z rdečo oznako), žice, baterije, ampermeter in voltmeter Po shemi na sliki 5 zvežite v električni krog dve enaki žarnici z modro oznako in baterijo Žarnici sta v tem primeru na baterijo vezani vzporedno Primerjajte žarenje obeh žarnic med seboj Kaj se zgodi, če eno žarnico odvijete iz ovratnika? (Pri tej vezavi žarnice ne bomo nadomestili z žico, ker bi s tem povzročili kratek stik na bateriji) Odvito žarnico vstavite nazaj v vezje, kot na začetku V vezje vežite na različna mesta ampermeter, kot kaže slika 6, ter izmerite tokova skozi obe žarnici I 1 (skozi prvo) in I 2 (skozi drugo) ter tok skozi baterijo I g (z ampermetrom A 3 ) Izmerjene tokove vpišite v prvo vrstico tabele 4 (primer a) Potem izmerite še napetosti na vsaki od žarnic U 1 in U 2 ter gonilno napetost baterije Tudi te meritve vpišite v prvo vrstico tabele 4 Primerjajte vsoto tokov skozi posamezni žarnici I 1 + I 2 s tokom skozi baterijo I g Primerjajte napetosti na posameznih žarnicah z napetostjo baterije V A 1 A 2 A 3 Slika 6: Vezava ampermetra na različna mesta v krogu Slika 5: Shema vzporedne vezave dveh žarnic Eno od enakih žarnic z modro oznako zamenjajte z drugačno žarnico z rdečo oznako Ponovite meritve tokov in napetosti ter jih vpišite v drugo vrstico tabele 4 (primer b) Kako žarita obe žarnici v tem primeru? Kaj se zgodi, če eno odvijete iz ovratnika?

4 primer I 1 [ma] I 2 [ma] I 1 + I 2 [ma] I g [ma] U 1 [V] U 2 [V] [V] a b Tabela 4 Kaj lahko povemo o tokovih skozi baterijo in porabnike, ki so na baterijo vezani vzporedno? Ko so na baterijo porabniki vezani vzporedno, je tok skozi baterijo večji, kot če je vezan nanjo samo en od porabnikov V katerem primeru se bo baterija prej iztrošila? Kdaj je moč, ki jo daje, večja? Kaj lahko povemo o napetostih na porabnikih, ki so v električnem krogu na baterijo vezani vzporedno? Kako lahko ugotovimo, ali so porabniki vezani zaporedno ali vzporedno? 4 Notranji upor baterije Naloga: Izmerite notranji upor baterije Za izvedbo vaje potrebujete upore za 5 Ω, 1 Ω, 22 Ω in 1 Ω, žice, baterijo, ampermeter in voltmeter Zvežite v električni krog en galvanski člen in upornik za 5 Ω Izmerite tok I skozi upornik in napetost U R na njem Nadomestite upor z naslednjim večjim in ponovite meritvi Rezultate meritev vpišite v tabelo 5 R [Ω] I [A] U R [V] 5 1 22 1 Tabela 5 Narišite graf, ki kaže, kako je napetost na porabniku U R odvisna od toka skozi baterijo I, torej U R (I) Notranji upor baterije določite kot koeficient premice v grafu Vsaka realna baterija ima določen notranji upor Ko je nova, je njen notranji upor majhen, s časom pa se veča in ko postane prevelik, je baterija iztrošena Realno baterijo si lahko predstavljamo kot zaporedno vezavo idealne baterije z gonilno napetostjo U in njenega notranjega upora R n, kot kaže slika 7 - realna baterija + R n Slika 7: Shema realne baterije z notranjim uporom R V A R n U Slika 8: Shema vezave, s katero merimo tok skozi baterijo in napetost na njej Ko na realno baterijo vežemo zunanji upornik R, steče po električnem krogu tok I Napetost med obema priključkoma realne baterije pa je zaradi notranjega upora baterije odvisna od toka I in je manjša od napetosti U Razmere v krogu so take, kot bi bila na idealno baterijo z gonilno napetostjo U

4 Notranji upor baterije 5 zaporedno vezana dva porabnika prvi je notranji upor baterije R n, drugi pa zunanji upornik R Med napetostmi velja zveza U = U Rn +U R = IR n +U R, kjer je U Rn napetost na notranjem uporu baterije, U R pa napetost na zunanjem uporniku R Vidimo, da je napetost U R na zunanjem uporniku v vsakem trenutku enaka U R = U R n I (1) Upoštevali smo, da tudi za notranji upor baterije velja Ohmov zakon, ki pravi, da je napetost na porabniku sorazmerna toku, ki teče skozenj, sorazmernostni koeficient pa je ravno upor porabnika (v tem primeru notranji upor baterije), U Rn = IR n U R U U 1 U 2 (I 1, U 1 ) I 1 I 2 (I 2, U 2 ) I Slika 9: Graf, ki kaže, kako je napetost na porabniku U R odvisna od toka skozi baterijo V enačbi (1) prepoznamo enačbo premice v obliki y = n + kx, (2) kjer je y odvisna spremenljivka, ki ustreza napetosti na uporu U R, n konstanta, ki ustreza gonilni napetosti idealne baterije U, k smerni koeficient premice, ki ustreza negativnemu notranjemu uporu baterije R n, x pa neodvisna spremenljivka, ki ustreza toku I V splošnem določimo smerni koeficient k premice (2) iz enačbe k = y 2 y 1 x 2 x 1, kjer je y 1 vrednost y pri x 1, y 2 pa vrednost y pri x 2 V našem primeru to pomeni R n = k = U 2 U 1 I 2 I 1 (3) Notranji upor realne baterije določimo iz grafa U R (I) (slika 9) odčitamo dva para vrednosti (tok I, napetost U R ) in uporabimo enačbo (3), po kateri izračunamo R n Notranji upor uporabljene baterije je Od katerih količin je odvisen največji tok, ki ga lahko po električnem krogu žene realna baterija? Kako povečanje notranjega upora baterije vpliva na tokove, ki jih lahko poganja?