Účinky elektrického proudu vzorová úloha (SŠ) Jméno Třída.. Datum.. 1. Teoretický úvod Elektrický proud jako jev je tvořen uspořádaným pohybem volných částic s elektrickým nábojem. Elektrický proud jako elektrická veličina je definován jako podíl elektrického náboje ΔQ, který projde příčným průřezem vodiče za čas Δt: ΔQ Matematicky: I = [C/s = A] Δt Elektrický proud vykazuje svým působením tzv. účinky elektrického proudu. Mohou být světelné, tepelné, magnetické. Světelné účinky elektrického proudu elektrický proud procházející vláknem žárovky je schopen toto vlákno rozžhavit a vyrobit tak světlo. Tepelné účinky elektrického proudu elektrický proud procházející vodičem způsobuje podle Joulova Lenzova zákona vznik tepla. Joulův Lenzův zákon uvádí závislost velikosti vzniklého tepla na velikosti proudu protékajícího vodičem, napětím mezi konci vodiče a času po který proud vodičem prochází. Matematicky: W = U * I * t [J, V, A, s] Odvozením: W = R * I 2 * t, případně W = t Teplo, které vzniká při průchodu ustáleného stejnosměrného proudu vodičem, je přímo úměrné součinu proudu, napětí a času, po který proud vodičem prochází. Teplo, které vznikne při průchodu proudu vodičem je přímo úměrné odporu vodiče a zvětšuje se s druhou mocninou proudu. U 2 R
Magnetické účinky elektrického proudu prochází-li vodičem elektrický proud, vytvoří se kolem vodiče magnetické pole. Obdobně prochází-li elektrický proud cívkou, vytvoří se magnetické pole uvnitř i vně cívky. U cívky lze navíc zjistit severní a jižní pól. 2. Zadání 1) Měřením proudu procházejícího žárovkou a intenzity osvětlení vydávaného žárovkou ověřte světelné účinky elektrického proudu. Zjistěte závislost intenzity osvětlení na velikosti proudu protékajícího žárovkou. Sestrojte grafickou závislost intenzity osvětlení na proudu. 2) Měřením intenzity osvětlení žárovky napájené stejnosměrným zdrojem napětí a měřením intenzity osvětlení žárovky napájené střídavým zdrojem napětí ověřte závislost časového průběhu intenzity osvětlení na druhu protékajícího proudu. Závislost intenzity osvětlení na druhu proudu graficky znázorněte. 3) Měřením magnetické indukce vzniklé průchodem stejnosměrného proudu zjistěte magnetické účinky proudu. Měření proveďte pro dvě cívky s různým počtem závitů. Zjistěte, jak závisí umístění pólů cívky na orientaci protékajícího proudu. Sestrojte grafickou závislost magnetické indukce na protékajícím proudu pro obě cívky. 4) Měřením teploty rezistoru a času zjistěte tepelné účinky elektrického proudu. Nakreslete grafickou závislost teploty na čase. Čas měření je 600s. 3. Postup práce 1. úkol K měření je využit zdroj stejnosměrného napětí s rozsahem 40V, žárovku 42V/25W, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, multimeter (ampérmetr), modul fotometr. Úlohu zapojíme podle schéma zapojení v příloze 1. Na baňku žárovky namíříme fotometr. Nastavení experimentu provedeme takto: čas měření 20s, vzorkovací frekvence 1000Hz, panel zobrazení digitální. Napětí na žárovce plynule zvyšujeme od nulové hodnoty do maximální hodnoty ( 40V) po 5V pomocí regulačního potenciometru. Na monitoru počítače sledujeme zvyšování intenzity osvětlení úměrně s rostoucím proudem. Z ampérmetru čteme proud pro jednotlivé velikosti napětí. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. 2. úkol: K měření využijeme zdroj stejnosměrného napětí s rozsahem 40V, zdroj střídavého napětí s rozsahem 40V žárovku 42V/25W, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, moduly ampérmetr a fotometr. Zapojení můžeme ponechat podle schéma z úkolu 1. Nastavení experimentu provedeme takto: čas měření: 0,1s, vzorkovací frekvence: 1000Hz, zobrazení intenzity osvětlení z fotometru na čase. Nejdříve použijeme zdroj stejnosměrného
napětí. Regulačním potenciometrem nastavíme na žárovce napětí 30V. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení žárovky. Intenzita osvětlení má lineární průběh rovnoběžný s časovou osou. Zdroje vyměníme, nyní zapojíme zdroj střídavého napětí. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení, který je sinusový. Frekvence časového průběhu je 100Hz. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. 3. úkol: K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, multimeter (ampérmetr) a měřič magnetické indukce. Zapojení úlohy provedeme podle schéma zapojení v příloze 2. Nastavení experimentu provedeme takto: měřič magnetické indukce bude na rozsahu 50mT, čas měření 20s, vzorkovací frekvence 20Hz, panel zobrazení digitální. Sondu měřiče magnetické indukce vložíme do dutiny cívky. Proud cívkou postupně zvyšujeme od nulové hodnoty po 0,1A do velikosti proudu 0,7A. Současně čteme z monitoru počítače velikost magnetické indukce a zapisujeme jednotlivé hodnoty. Vyměníme cívku a měření opakujeme. Použité cívky mají 750 závitů a 1000 závitů. Grafickou závislost zakreslíme do pracovního listu. 4. úkol: K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), rezistor a modul teploměr. Zapojení úlohy provedeme podle schéma zapojení v příloze 3. Nastavení experimentu provedeme takto: čas měření 600s, vzorkovací frekvence 300Hz, zobrazení bude ve dvou panelech. Panel zobrazení závislosti teploty z modulu teploměr na čase, panel digitální k zobrazení teploty z teploměru. Na rezistoru nastavíme napětí 10V a na monitoru počítače budeme sledovat rostoucí teplotu. Grafickou závislost zakreslíme do pracovních listů. Obrázek 1: Schéma zapojení I; zdroj: autor
Obrázek 2: Schéma zapojení II; zdroj: autor Obrázek 3: Schéma zapojení III; zdroj: autor 4. Záznam výsledků a) Tabulky naměřených a vypočtených hodnot (zdroj: autor) Cívka Cívka 2 Tabulka 1: Úkol 1; zdroj autor Tabulka 2: Úkol 3 - cívka; Tabulka 3: Úkol 3 cívka 2; zdroj autor zdroj autor U[V] I[A] Intenzita osvětlení I[A] B[mT] I[A] B[mT] 5 0,24 0,03 0,1 0,5 0,1 2 10 0,30 0,04 0,2 7 0,2 10 15 0,37 0,55 0,3 13 0,3 18 20 0,42 1,00 0,4 20 0,4 27 25 0,47 1,00 0,5 27 0,5 36 30 0,51 1,00 0,6 35 0,6 45 35 0,56 1,00 40 0,61 1,00
Tabulka 4: Úkol 4; zdroj autor čas[ s ] Teplota [ C ] čas[ s ] Teplota [ C ] 0 24,00 420 40,00 60 27,00 480 42,00 120 30,00 540 44,00 180 32,00 600 46,00 240 34,00 300 36,00 360 38,00 b) Grafické závislosti Graf 1: Graf I; zdroj autor Graf 2: Graf II; zdroj autor
Graf 3: Graf III; zdroj autor Graf 4: Graf IV; zdroj autor 5. Závěr Měřením světelných účinků elektrického proudu jsem zjistil, že čím větší proud teče žárovkou, tím je větší intenzita osvětlení. Časový průběh intenzity osvětlení při připojení střídavého proudu k žárovce je sinusový a má frekvenci 100 Hz. Magnetické účinky proudu
jsou přímo úměrné jeho velikosti a počtu závitů cívky. Tepelné účinky elektrického proudu jsou větší při větším proudu a menší při menším proudu. 6. Kontrolní otázky 1. Elektrický proud jako jev je definován jako: 2. Světelné účinky elektrického proudu se projevují: 3. Tepelné účinky elektrického proudu se projevují: 4. Magnetické účinky elektrického proudu se projevují: 5. Magnetické pole zjišťujeme: 7. Použitá a doporučená literatura LÁNÍČEK, Robert. Elektronika: obvody, součástky a děje. Praha: BEN technická literatura, 1998 BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika I. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 1997 BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika II. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 1997