Obrázek 1: Schema čtyřbodového zapojení (převzato z [1]) 2. Změřte odpor šesti drátů Wheatstoneovým a Thomsonovým můstkem Metra - MTW.



Podobné dokumenty
PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Praktikum II Elektřina a magnetismus

Fyzikální praktikum II

1. Změřte statickou charakteristiku termistoru pro proudy do 25 ma a graficky ji znázorněte.

Praktikum II Elektřina a magnetismus

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

1. Změřit metodou přímou závislost odporu vlákna žárovky na proudu, který jím protéká. K měření použijte stejnosměrné napětí v rozsahu do 24 V.

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V KOVECH

I Mechanika a molekulová fyzika

1. Změřte průběh intenzity magnetického pole na ose souosých kruhových magnetizačních cívek

Praktikum II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Praktikum III - Optika

1. Určete proud procházející vodičem, jestliže za jednu minutu prošel jeho průřezem náboj a) 150 C, b) 30 C.

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 11 Název: Dynamická zkouška deformace látek v tlaku

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Praktikum III - Optika

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.IV

1. Stanovte a graficky znázorněte charakteristiky vakuové diody (EZ 81) a Zenerovy diody (KZ 703).

Vycházím se studijního textu k fyzikálnímu praktiku [1]. Existují různé možnosti, jak měřit svítivost

9. MĚŘENÍ TEPELNÉ VODIVOSTI

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

2. Stanovte hodnoty aperiodizačních odporů pro dané kapacity (0,5; 1,0; 2,0; 5,0 µf). I v tomto případě stanovte velikost indukčnosti L.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

Úloha I.E... nabitá brambora

Fyzikální praktikum z elektřiny a magnetismu tvorba výukového materiálu

11. Odporový snímač teploty, měřicí systém a bezkontaktní teploměr

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Název: Chování cívky v obvodu, vlastní indukce, indukčnost

Fyzikální praktikum II

Fyzika Pracovní list č. 2 Téma: Měření elektrického proudu a napětí Mgr. Libor Lepík Student a konkurenceschopnost

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 6. Název: Měření účiníku. dne: 16.

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Elektrická vodivost elektrolytů. stud. skup.

Praktikum III - Optika

PRAKTIKUM IV Jaderná a subjaderná fyzika

9. MĚŘENÍ SÍLY TENZOMETRICKÝM MŮSTKEM

RNDr. Božena Rytířová. Základy měření (laboratorní práce)

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

Jan Perný využíváme při orientaci pomocí kompasu. Drobná odchylka mezi severním

Fyzikální praktikum...

Mikroelektronika a technologie součástek

Rozšíření rozsahu miliampérmetru a voltmetru, cejchování kompenzátorem

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Měření Poissonovy konstanty vzduchu. Abstrakt

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Charakteristiky termistoru. stud. skup.

Voltův článek, ampérmetr, voltmetr, ohmmetr

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

2 Přímé a nepřímé měření odporu

17. března Optická lavice s jezdci a držáky čoček, světelný zdroj pro optickou lavici, mikroskopický

Měření kinematické a dynamické viskozity kapalin

Laboratorní práce č. 3: Měření elektrického proudu a napětí

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

5.8 Jak se změní velikost elektrické síly mezi dvěma bodovými náboji v případě, že jejich vzdálenost a) zdvojnásobíme, b) ztrojnásobíme?

Fyzikální praktikum 1. Úloha č. 10: Tepelná vodivost pevných látek

8. TLAKOMĚRY. Úkol měření. Popis přípravků a přístrojů

LABORATORNÍ CVIČENÍ Elektrotechnika a elektronika

5. ELEKTRICKÁ MĚŘENÍ

Ohmův zákon Příklady k procvičení

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

plynu, Měření Poissonovy konstanty vzduchu

Konstrukce voltmetru a ampérmetru

Úloha 1 Multimetr. 9. Snižte napájecí napětí na 0V (otočením ovládacího knoflíku výstupního napětí zcela doleva).

17 Vlastnosti ručkových měřicích přístrojů

Fyzikální praktikum II

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu. P = 1 T

CZ.1.07/1.1.08/

Ohmův zákon, elektrický odpor, rezistory

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Název: Charakteristiky optoelektronických součástek

Technická měření v bezpečnostním inženýrství. Elektrická měření proud, napětí, odpor

Fyzikální praktikum...

Laboratorní úloha č. 1 Základní elektrická měření

E1 - Měření koncentrace kyslíku magnetickým analyzátorem

Pokud není uvedeno jinak, uvedený materiál je z vlastních zdrojů autora

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jiří Kozlík dne:

Zadání. Pracovní úkol. Pomůcky

Úloha č.: XVII Název: Zeemanův jev Vypracoval: Michal Bareš dne Posuzoval:... dne... výsledek klasifikace...

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ MĚŘENÍ VODIVOSTI KAPALIN BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

INSTITUT FYZIKY VŠB-TU OSTRAVA

Demonstrujeme teplotní vodivost

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

1. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli z protažení drátu. 2. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli a duralu nebo mosazi z průhybu trámku.

L a b o r a t o r n í c v i č e n í z f y z i k y

2. Změřte a nakreslete časové průběhy napětí u 1 (t) a u 2 (t). 3. Nakreslete převodní charakteristiku komparátoru

Praktikum II Elektřina a magnetismus

3. Diskutujte výsledky měření z hlediska platnosti Biot-Savartova zákona.

1. Okalibrujte pomocí bodu tání ledu, bodu varu vody a bodu tuhnutí cínu:

Účinnost tepelného stroje

Výtok kapaliny otvorem ve dně nádrže (výtok kapaliny z danaidy)

Laboratorní práce č. 1: Regulace proudu a napětí

Technická měření v bezpečnostním inženýrství. Elektrická měření proud, napětí, odpor

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

STUDIUM FOTOEFEKTU A STANOVENÍ PLANCKOVY KONSTANTY. 1) Na základě měření vnějšího fotoefektu stanovte velikost Planckovy konstanty h.

Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory. Úloha č. 5: Měření teploty

Základy elektrostatiky v pokusech (Coulombův zákon, kondenzátor)

Transkript:

Obrázek 1: Schema čtyřbodového zapojení (převzato z [1]) 1 Pracovní úkoly 1. Změřte průměry šesti ů na pracovní desce. 2. Změřte odpor šesti ů Wheatstoneovým a Thomsonovým můstkem Metra - MTW. Vysvětlete rozdíly ve výsledcích měření. 3. Změřte odpory ve čtyřbodovém zapojení pomocí přístroje Keithley 2010. 4. Stanovte měrný odpor jednotlivých vzorků i s příslušnou chybou výsledku. Stanovené hodnoty porovnejte s hodnotami uváděnými v tabulkách. 2 Teoretický úvod Měření malých odporů je specifickým úkolem a zásadně se liší od měření velkých odporů. Úkolem tohoto praktika je porovnat vhodnost metod pro měření odporů řádově kolem 1. Jednou metodou je přímé měření odporu ve čtyřbodovém zapojení. Schema čtyřbodového zapojení je na obr. č. 1. Vnější svorky a, a jsou proudové a vnitřní b, b jsou napěťové. Vzhledem k tomu, že odpor voltmetru je o mnoho řádu vyšší než odpor měřené součástky, tak proud protékající voltmetrem je zanedbatelný a tedy i chyba, která by vznikla samotnou povahou měření. Čtyřbodové zapojení využijeme jednak u dále zmíněného Thomsonova můstku, ale také pro přímé měření pomocí přístroje Keithley 2010. Dalším způsobem, jak měřit nízké odpory je využití můstkového zapojení. Na obr. č. 2 je Wheatstoneovo můstkové zapojení. Jedná se o jednoduchý můstek, který pokud je v rovnováze (pokud galvanometrem neteče proud), pak musí být splněna podmínka (viz. odvození v [1]) R 1 R 2 = R 3 R 1 = R 2R 3, (1) kde R 1 je hledaný odpor a R 2, R 3 a jsou známé odpory. Alternativním zapojením můstku může být Thomsonův můstek znázorněný na obr. č. 3, pro který dle odvození z [1] platí, pokud proud galvanometrem je nulový a P p = Q q R x = Q P R N, (2) kde R x je hledaný odpor a R N, p, P, q a Q jsou známé odpory. Cílem úlohy je určit měrný elektrický odpor vodičů, který je definován jako ρ = RS l = πd2 R, (3) 4l kde R je odpor vodiče, l jeho délka a S = π 4 d2 jeho průřez a d jeho průměr, za předpokladu, že má vodič stál průřez a je z homogenního materiálu. 1 / 5

Obrázek 2: Schema zapojení Wheatstoneova můstku (převzato z [1]) Obrázek 3: Schema zapojení Thomsonova můstku (převzato z [1]) 3 Měření 3.1 Chyba měření Chybu měření počítám dle [2]. Celková chyba měření σ f (pro veličinu f) je určena jako σ f = σ 2 stat + σ 2 mer, (4) kde σ stat je statistická chyba měření f a σ mer je chyba měřidla (určená obvykle jako polovina nejmenšího dílku stupnice) použitého pro měření f. Metoda přenosu chyb je pak pro veličinu vypočtenou z n jiných naměřených veličin x i σ f = n ( ) 2 f σx x 2 i (5) i 3.2 Rozměry ů i=1 Změřil jsem délku každého u pomocí délkového pásma. Naměřená hodnota mezi ryskami, kde byly y upevněny k přívodním vodičům, byla u každého u stejná a to l = (89, 8 ± 0, 1) cm (chyba je určena jako jeden celý nejmenší dílek stupnice, protože je reálná možnost, že měřidlo nebylo zcela správně napnuté). Měření průměru u jsem na každém u opakoval šestkrát na různých místech a používal jsem přitom mikrometrické měřidlo s nejmenším dílkem 0, 01. Naměřené hodnoty pro jednotlivé y jsou v tabulce č. 1 společně s jejich středními hodnotami. 2 / 5

d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d σ d wolfram 0,68 0,68 0,68 0,68 0,69 0,68 0,682 ± 0,006 měď 1,10 1,09 1,11 1,11 1,09 1,10 1,100 ± 0,010 konstantan 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,350 ± 0,005 železo 0,41 0,40 0,41 0,40 0,41 0,41 0,407 ± 0,007 mosaz 0,59 0,59 0,60 0,58 0,58 0,59 0,588 ± 0,008 chromnikl 0,99 1,00 0,99 1,01 0,99 1,00 0,997 ± 0,009 Tabulka 1: Naměřené průměry ů R W σ RW R 1 σ R1 R kor σ Rkor wolfram 167,5 0,1 0,1675 0,0001 0,1414 0,0001 měď 43,9 0,1 0,0439 0,0001 0,0178 0,0001 konstantan 5000,0 1,0 5,0000 0,0010 4,9739 0,0010 železo 1502,9 0,2 1,5029 0,0002 1,4768 0,0002 mosaz 253,0 0,1 0,2530 0,0001 0,2269 0,0001 chromnikl 1207,2 0,2 1,2072 0,0002 1,1811 0,0002 Tabulka 2: Wheatstoneův můstek 3.3 Wheatstoneův můstek Měření pomocí Wheatstoneova můstku zabudovaného v zařízení Metra MTW probíhalo s nastavením R 3 = a = 1 a = b = 1000. Hodnoty a a b nastavené na přístroji bereme jako přesné. Můstek se vyvažoval pomocí nastavení R 2 = R W na odporové dekádě zabudované v zařízení. Pro R 1 v tomto případě platí R 1 = R W 1000. Na odporové dekádě šlo nastavit odpor po 0.1, 1, 10, 100 a 1000. Chyba odporové dekády na nejmenším rozsahu je 0.1% z naměřené hodnoty a u ostatních 0, 02% z naměřené hodnoty. Protože při této metodě se negativně na měření projevují odpory přívodních vodičů R v, ale tento vliv se dá korigovat zjištěním této hodnoty a výpočtem korigované hodnoty R kor = R 1 R v. Odpory přívodních vodičů jsem naměřil na můstku a jejich hodnota je R v = (0, 0261 ± 0, 001). Správně určená hodnota odporu u je pak R kor = R 2R 3 R v. (6) Naměřené hodnoty R W, přepočítané hodnoty R 1 a korigované hodnoty R kor jsou v tabulce č. 2. 3.4 Thomsonův můstek Thomsonův můstek byl realizován pomocí zařízení Metra MTW stejně jako předchozí měření Wheatstoneova můstku. Při měření na Thomsonově můstku byl využit velmi přesný odporový normál 0, 1. Nastavení kolíků a a b na přístroji bylo takové, že oba byly nastaveny vždy na stejnou hodnotu a to 1000, nebo 100. Podle aktuálního nastavení jsem rovnou přepočítával naměřené hodnoty (vydělení 10000, nebo 1000) a zapisoval. Přepsané jsou v tabulce č. 3. Thomsonův můstek je díky způsobu zapojení přesnější než můstek Wheatstoneův, protože se neuplatní odpor přívodních vodičů. 3 / 5

R X σ RX wolfram 0,1376 0,0001 měď 0,0165 0,0001 konstantan 4,8990 0,0008 železo 1,4760 0,0002 mosaz 0,2150 0,0001 chromnikl 1,1800 0,0002 Tabulka 3: Thomsonův můstek b σ R4b R 2b σ R2b wolfram 0,1371 0,0009 0,162 0,001 měď 0,0164 0,0009 0,022 0,001 konstantan 4,902 0,001 4,981 0,001 železo 1,473 0,001 1,540 0,001 mosaz 0,2210 0,0009 0,235 0,001 chromnikl 1,178 0,001 1,203 0,001 Tabulka 4: Keithley 2010 3.5 Přímé měření odporu - Keithley 2010 Nakonec bylo provedeno přímé měření odporu pomocí přístroje Keithley 2010, který má deklarovanou chybu 120 ppm z naměřené hodnoty a 90 ppm z rozsahu. Rozsah, na kterém bylo měření prováděno, byl 10. Nejprve bylo provedeno měření pomocí čtyřbodového zapojení - viz. tabulka č. 4 - odpory takto určené jsou označené b. Tato metoda není zatížená chybou planoucí z nenulových odporů přívodních vodičů. To jsem také srovnal s dvoubodovým zapojením, které bylo také naměřeno a zaznamenáno v téže tabulce pod označením R 2b. Z naměřených hodnot je patrné, že při dvoubodovém zapojení byly naměřeny vyšší hodnoty, než při zapojení čtyřbodovém. 3.6 Rezistivita ů Z naměřených hodnot v předchozích bodech jsem vypočítal hodnoty rezistivit. Srovnání vypočítaných a tabelovaných hodnot je v tabulce č. 5. Hodnoty bez indexu jsou z tabulek [3]. Hodnoty vypočítané z korigované hodnoty odporu zjištěné pomocí Wheatstoneova můstku jsou indexovány W. Hodnoty pocházející od Thomsonova můstku mají index T a pro výpočet z měření pomocí Keithley 2010 jsou použity hodnoty ze čtyřbodového zapojení a indexovány K. 4 Diskuse Při měření délky u jsem se mohl dopustit chyby tím, že jsem nesprávně napnul pásmové délkové měřidlo - je možné, že y byly o něco prohnutější, než pásmo, nebo naopak pásmo bylo o něco prohnutější než y. Při měření průměru u jsem vybíral místa měření relativně rovnoměrně po délce u, ale je možné, že v jiných místech měl jinou šířku. Také se mohlo do měření projevit to, že není dokonale válcový, ale má trochu jiný profil. Také mohl být mírně pokroucený. 4 / 5

ρ µ m ρ W µ m σ ρw µ m ρ T µ m σ ρt µ m ρ K µ m σ ρk µ m wolfram 0,05 0,0575 0,0011 0,0559 0,0010 0,0557 0,0011 měď 0,015 0,0188 0,0003 0,0175 0,0003 0,0174 0,0008 konstantan 0,5 0,533 0,015 0,525 0,015 0,525 0,015 železo 0,086 0,214 0,007 0,213 0,007 0,213 0,007 mosaz 0,07 0,0687 0,0020 0,0651 0,0019 0,0669 0,0020 chromnikl 1,1 1,026 0,019 1,025 0,019 1,023 0,018 Tabulka 5: Rezistivity ů určené pomocí různých metod měření Zanedbali jsme možné odpory vodičů propojujících prvky uvnitř můstku. Hodnoty a a b jsme brali jako přesné. Při měření jsme zanedbali teplotní závislost elektrického odporu, která se mohla projevit jednak tím, že hodnoty jsou tabelovány na 20 C a jednak tím, že průchodem proudu skrz součástku s odporem se uvolňuje teplo a součástka se zahřívá. Přese všechny zmíněné eventuality, kde mohla vzniknout chyba měření, se výsledky všech tří metod (po provedení korekci u Wheatstoneova můstku) shodují v rámci chyby měření, resp. jsou intervaly určené jejich chybami velice blízko sebe. Na druhou stranu se naměřené hodnoty liší ve většině případů od tabelovaných - což ale mohlo být způsobeno všemi již zmíněnými vlivy. Ale ještě větší vliv může mít chemické složení ů - tj. úroveň koroze, příměsi, které se dostaly do u už při jeho tvorbě. Největší rozdíl nastává u železa, což je nejspíše právě tím, že do železa se přidávají různé příměsi a tabelovaná hodnota odpovídá relativně čistému železu. 5 Závěr Změřil jsem průměry všech šesti ů (jsou uvedeny v tabulce č. 1). Změřil jsem odpory ů pomocí Wheatstoneova a Thomsonova můstku a diskutoval jsem rozdíly mezi nimi (tabulky č. 2 a 3). Naměřil jsem hodnoty odporu ů pomocí multimetru Keithley 2010 (viz. tabulka č. 4). Vypočítal jsem hodnoty rezistivity odpovídající naměřeným hodnotám odporů a rozměrů ů (viz tabulka č 5). 6 Literatura [1] R. Bakule, J. Šternberk: Fyzikální praktikum II - Elektřina a magnetismus UK Praha, 1989 [2] J. Englich: Úvod do praktické fyziky I Matfyzpress, Praha 2006 [3] J. Mikulčák a spol.: Matematické, fyzikální a chemické tabulky a vzorce Prometheus, Praha 2006 5 / 5