(חוק אוהם) מעגל חשמלי
76 ניסוי : 10 נושאי מעגל חשמלי )חוק אוה(. לניסוי :זר חשמלי ,מעגל חשמלי ,חוק אוה ,מוליכות והתנגדות ,גורמי ההתנגדות, חיבורי נגדי בטור ובמקביל ,מכשירי חשמליי. מטרות הניסוי: .1בחירת המעגל האופטימלי למציאת התנגדויות הנגדי הנתוני. .2חקירת אופיי! חשמלי של נגדי קבועי. .3חקירת אופיי! חשמלי של נורה. רקע תאורטי. מעגל חשמלי. R מעגל חשמלי פשוט הוא מעגל חשמלי המורכב מלולאת זר בודדת הכוללת מקור מתח ,ועומס חיצוני בעל התנגדות .Rעומס יכול להיות :נורה ,תנור ,מנוע חשמלי, I נגד או כל התק! המנצל אנרגיה חשמלית. ראה תרשי .1 התנגדות חשמלית מוגדרת כיחס בי! המתח על פני קצוות העומס לבי! הזר העובר תרשים 1 V דרכו: I את המתח על פניו ואת הזר העובר דרכו. ≡ , Rכלומר כדי למדוד את התנגדות העומס )הנגד בתרשי (1יש למדוד הגר #שמתאר את התלות הזר Iבמתח Vנקרא גר #אופיי! וזה הגר #שנשרטט בניסוי זה. שי לב! ההתנגדות היא היחס בי! המתח לזר עבור מתח מסוי ולא שינוי במתח חלקי שינוי בזר % ! R ≠ ∆V ∆I כלומר ,לפי ההגדרה לא נית! לקבל את Rמשיפוע גר #האופיי!! כדי למדוד את הזר והמתח במעגל חשמלי משתמשי במכשירי מדידה: מד זר )אמפרמטר( ומד מתח )וולטמטר(. מכיוו! שמד זר )אמפרמטר( מודד את הזר העובר דרכו ,מחברי אותו בטור לעומס )נגד( ,כ& שימדוד את הזר שעובר בעומס. מכיוו! שמד מתח )וולטמטר( מודד את הפרש הפוטנציאלי )המתח( בי! שתי נקודות אליו הוא מחובר ,מחברי אותו במקביל לעומס )תרשי – 2מעגל א'(. ההתנגדות העומס תחושב כיחס בי! קריאת הוולטמטר לקריאת האמפרמטר: vVoltmeter I Ampermeter = .R למכשירי המדידה ממשיי )בניגוד למכשירי אידיאליי( יש התנגדות פנימית אשר יכולה להשפיע על הגדלי הנמדדי במעגל בזמ! השימוש בה. לדוגמה בתרשי 2הזר היוצא ממקור מתח עובר דר& האמפרמטר ,א& מתפצל ועובר דר& הוולטמטר וג דר& נגד העומס .לכ! הזר הנמדד באמפרמטר אינו מייצג את הזר בעומס בלבד ,אלא את סכו הזרמי הזורמי דר& העומס ודר& הוולטמטר. 77 כדי שהזר הנמדד באמפרמטר ייצג את הזר העובר בעומס ,נדרש שהתנגדות הוולטמטר תהיה גדולה מאוד ביחס לעומס )בסדר גודל אחד לפחות ,רצוי בשני סדרי גודל(. בתרשי ) 3מעגל ב'( הזר שמודד האמפרמטר הוא אכ! הזר העובר דר& העומס ,א& המתח שמודד הוולטמטר אינו המתח על העומס ,אלא נוס #אליו ג המתח על האמפרמטר. כדי שהמתח שמודד הוולטמטר יהיה המתח של העומס בלבד נדרש שהתנגדות האמפרמטר תהיה קטנה מאוד ביחס להתנגדות העומס )בסדר גודל אחד לפחות ,רצוי בשני סדרי גודל( ,כדי שהמתח הנופל עליו יהיה קט! מאד ביחס למתח על העומס. נסכ: מכשיר מדידה "טוב" ,כלומר ,מתאי לשימוש במעבדה הוא מכשיר שהכנסתו למעגל חשמלי לא משפיעה על ערכי הזר והמתח במעגל. במהל& הניסוי יש לבנות מעגל חשמלי שיאפשר את מציאת התנגדות שני נגדי שוני והתנגדות נורה ,ע"י מדידת זרמי ומתחי. לש כ& אפשר להשתמש באחד משני המעגלי החשמליי – א' או ב' .כיצד נדע באיזה מעגל לבחור? זה תלוי בגודל התנגדות של העומס יחסית להתנגדויות מכשירי המדידה שנשתמש בה. כדי לבחור מעגל אופטימאלי יש לבנות את מעגל א' )תרשי (2ולשנות אותו למעגל ב' ע"י העברת חיבור הוולטמטר מנקודה Bאל נקודה ) Cתרשי ,(3א קריאות המכשירי לא ישתנו ,זה אומר ,ששני המעגלי מתאימי באותה מידה. במעגל ב' מדידת המתח היא לא רק על פני העומס אלא ג על פני האמפרמטר. א במעבר ממעגל א' למעגל ב' גדלה קריאת הוולטמטר באופ! משמעותי ,הרי שלפי הגדרת ההתנגדות נית! להסיק שהתנגדות האמפרמטר איננה זניחה ביחס להתנגדות העומס. במקרה כזה לא נוכל לקבל תוצאה נכונה של התנגדות העומס על ידי שימוש במעגל ב'. במעגל א' האמפרמטר מודד את סכו הזרמי של העומס והוולטמטר. א במעבר ממעגל ב' למעגל א' גדלה קריאת האמפרמטר באופ! משמעותי ,נית! להסיק שההתנגדות הפנימית של הוולטמטר איננה גדולה מספיק ביחס להתנגדות העומס. במקרה כזה לא נוכל לקבל תוצאה נכונה של התנגדות העומס על ידי שימוש במעגל א'. כאמור ,ממדידת הזר והמתח אפשר לחשב את התנגדות העומס. יש מקרי שהתנגדות זו מקיימת חוק מסוי: "חוק" אוה קובע שהיחס בי! המתח לזר במולי& הוא קבוע ,כלומר ההתנגדות איננה משתנה ע שינוי המתח. חוק אוה הוא חוק ניסויי ומתקיי רק בתנאי מוגבלי ,כגו! בחומרי מסויימי )בד"כ מתכות( ,בתחומי תנאי פיזיקליי צרי או קבועי )טמפרטורה ,שדה מגנטי ,אור וכו'( ובתחומי מתח וזר מסוימי. אלמנט אוהמי הוא אלמנט )למשל ,נגד( שהאופיי! החשמלי שלו ליניארי ועובר דר& ראשית הצירי ,כלומר אלמנט המקיי את חוק אוה. שאלת הכנה )הראה ע"י נוסחאות בדו"ח הכנה(. 78 כאשר מחלקי את קריאת הוולטמטר Vבקריאת האמפרמטר :I .1מהי ההתנגדות R ′ = Vאליה מתייחסת המדידה המבוצעת על פי מעגל א'? I .2מהי ההתנגדות אליה מתייחסת המדידה המבוצעת על פי מעגל ב'? בטא את תשובותי& בעזרת התנגדות הנגד ,R %התנגדות פנימית של מד המתח ,RV % התנגדות פנימית של מד הזר .RA % .3באיזה מעגל תוצאת החישוב התנגדות הנמדדת 'R גדולה מ R%האמיתי ובאיזה קטנה ממנו? .4נתו! , R=200Ω :התנגדות הוולטמטר RV=1400Ωוהתנגדות האמפרמטר . RA=5Ω במידה ונעבור ממעגל א' אל מעגל ב' ע"י שינוי חיבור הוולטמטר מנקודה Bאל נקודה ) Cתרשי (3 הא קריאת האמפרמטר או קריאת הוולטמטר תשתנה בצורה משמעותית? .5בהתא לתוצאה שקיבלת בשאלה ,4איזה מעגל תעדי #לבחור ,מעגל א' או מעגל ב' עבור מצב הנתו!? הסבר. מהל& הניסוי. חלק .Iבחירת המעגל האופטימלי למציאת התנגדויות הנגדי הנתוני. .1ביצוע מדידות מתח וזר עבור מעגלי שוני )זמן מומלץ 20דקות(. א .הרכב את המעגל החשמלי א' עבור הנגד ) R1רשו עליו( ,כשהאמפרמטר נמצא בתחו המדידה של ) mAכפתור סיבוב במצב mAוחוט חשמלי מחובר לשקע .(mA וודא שכפתורי הוויסות בספק מסובבי שמאלה עד הסו.# אל תפעיל את הספק עד שמדרי& יבדוק את חיבור המעגל. ב .הפעל את הספק כמקור מתח לפי הוראות הפעלה בפרק "מכשירי חשמליי". סובב את כפתור וויסות המתח עד לקבלת קריאות משמעותיות על מכשירי המדידה בתחו mAשל האמפרמטר .אי! לעבור על זר של ! 200mAאחרת הנתי& של המודד יישר.# רשו את הקריאות בטבלה 1עבור מעגל א'. ג .שנה את מעגל א' למעגל ב' ע"י העברת חיבור הוולטמטר מהנקודה Bאל נקודה ,Cורשו את הקריאות החדשות בטבלה מס' :1 מעגל ב' מעגל א' ] [מתח ] [ זר תחו של mA ] [מתח ] [ זר תחו של A ד .שנה תחו המדידה של האמפרמטר ל) A %כפתור סיבוב במצב Aוחוט חשמלי מחובר לשקע .(10Aרשו את קריאות מתח וזר במצב זה בשורות מתאימות של טבלה מס' 1ג עבור מעגל א' וג עבור מעגל ב'. .2ניתוח תוצאות ומסקנות )זמן מומלץ 10דקות(. א .השווה את תוצאות המדידה במעגל א' ע התוצאות במעגל ב' בשני התחומי. 79 לאיזה פרמטר )זר או מתח( ובאיזה מקרה )תחו האמפרמטר( התקבלו השינויי הניכרי ביותר במעבר בי! המעגלי? ת! הסבר לשינויי בהתא להסבר בחלק תיאורטי. ב .בהתא לתשובת& לסעי #א' בחר את המעגל האופטימאלי למציאת התנגדות הנגד . R1 .3ביצוע מדידות התנגדות ע"י אוהטר )זמן מומלץ 20דקות(. כדי לוודא תוצאות מדידה טבלה 1ובחירת המעגל האופטימלי בסעי2 #ב' נמדוד באופ! ישיר )ע"י אוהמטר( את התנגדויות מכשירי המדידה ואת הנגדי R1ו. R2% לש כ&: א .חבר שני מכשירי מדידה ביניה )לפי תרשי ,(4 כאשר העליו! מבי! השניי מכוו! כמד התנגדות והתחתו! מכוו! כמד זר במצב .10Aמדוד µA mA 5.88 Ω V r an g e A ורשו בטבלה 2את התנגדות מד הזר במצב זה. AC V µ AmA Ω m V co m 1 0A AC+DC ב .שנה את המצב ל mA%ע"י העברת החוט לשקע המתאי ,וסיבוב כפתור בורר התחו בהתא. רשו את הגודל ההתנגדות בשורה הבאה בטבלה .2 µA mA 88.88 Ω V r an g e A AC V co m µ AmA Ω m V 1 0A AC+DC ג .השל את הטבלה עבור כל תחומי המדידה הנוספי של מד הזר ומד המתח. תרשי 4 טבלה מספר :2 אמפרמטר תחום מדידה וולטמטר התנגדות ] [ תחום מדידה התנגדות ] [ נגד R1 נגד R2 התנגדות ] [ התנגדות ] [ ד .כמו ח! מדוד ע"י אוהמטר את התנגדויות הנגדי הקבועי R1ו R2 %ורשו את התוצאות בטבלה .2 .4ניתוח תוצאות ומסקנות )זמן מומלץ 10דקות(. א .הא תוצאות המדידות בסעי 3 #מסבירות את השינויי במתח והזר כפי שהתקבלו בטבלה ?1הסבר. ב .הא תוצאות המדידות בסעי 3 #מצדיקות את בחירת המעגל בסעי2 #ב' ? נמק. ג .הא המעגל שבחרת כאופטימאלי לנגד R1יתאי ג לנגד השני ? R2נמק תשובת&. חלק .IIחקירת אופיי! חשמלי של נגדי קבועי. .1ביצוע מדידות )זמן מומלץ 30דקות(. 80 א .חבר את המעגל החשמלי שבחרת כאופטימאלי בחלק Iעבור נגד .R1קבע את תחו האמפרמטר "."mA שנה 5פעמי את המתח ומדוד את הזר בהתאמה. עבור נגד ) R1בעל התנגדות קטנה יותר ( נית! לעלות זר עד ,200mAא& לא לעבור את הגודל ,אחרת נתי& של המודד יישר!# סכ את תוצאותי& בטבלה מס' ,3וחשב את ערכי ההתנגדות לפי כל מדידה: ] [ Vמתח ] [ Iזר ] [ Rהתנגדות ] [ Rממוצעת ב .בצורה דומה בצע מדידות הזר והמתח עבור הנגד השני ) R2בעל התנגדות גדולה יותר (. הערה: בחר תחו מי מתח וזר משותפי לשני הנגדי ,כ& שנית! יהיה לעלות את תוצאות המדידות של שני הנגדי בצורה טובה על מערכת צירי אחת )גר #אחד לשני הנגדי(. לש כ& בחר זר מקסימלי עבור נגד ) R2טבלה (4כשליש מהזר המקסימלי שהיה עבור ) R1טבלה .(3 ערו& טבלה מס' % 4זהה לטבלה מס' .3 .2ניתוח תוצאות ומסקנות )זמן מומלץ 10דקות(. א .שרטט גר #אופיי! מס' 1של הזר Iכנגד המתח Vעבור שני הנגדי על מערכת צירי אחת. לש כ& בנה גר #מטבלה 3והוס #אל הגר #נתוני מטבלה , 4כלומר ,הוס #סדרה חדשה ע"י בחירה ) Source Dataבעזרת קליק ימני של עכבר( ⇐ .Add ⇐ Series ב .קבע את גודל שגיאת המדידה שמתאי לפיזור הנקודות באחוזי .מה מסקנת& לגבי דיוק הגר #והקשר בי! המתח והזר? ג .חשב את ההתנגדות הממוצעת של כל נגד )ע"י פונקציה AVERAGEבאקסל( והשווה למדידות ישירות של ההתנגדויות בחלק . Iמצא את הסטייה באחוזי. זכור – לפי ההגדרה לא נית! לקבוע ער& ההתנגדות Rמשיפוע הגר!# חלק .IIIחקירת אופיי! חשמלי של נורת להט. .1קביעת התנגדות הנורה במצבי שוני )זמן מומלץ 10דקות(. א .מדוד בעזרת אוהמטר את התנגדות הנורה ורשו את Rנמדד בטבלה מס' .5 81 ב .חשב את התנגדות הנורה על סמ& הנתוני הרשומי עליה )הראה את החישוב( – אלה ערכי העבודה של הנורה ,כאשר היא דולקת. רשו בטבלה מס' 5ג את Rמחושב : ] ] .2מדידות מתח וזר עבור אופיי! הנורה )זמן מומלץ Rנמדד [ [ Rמחושב 20דקות(. א .חבר את הנורה במקו הנגדי במעגל הנבחר )נמק את הבחירה(. ב .ערו& סדרת מדידות של מתח וזר עבור הנורה בכל תחו המותר )עד המתח הרשו עליה(. פזר את מדידותי& כ& ,שעל גר #האופיי! יהיו נקודות מדידה צפופות יותר באזור הזר הנמו&. שי לב למתח הרשו על הנורה ואל תעבור מתח זה ,כי הדבר יגרו לשריפת הנורה! ג .סכ את התוצאות בטבלה מס' 6וחשב את התנגדות הנורה עבור כל מתח: ] [ Vמתח ] [ Iזר ] [ Rהתנגדות .3ניתוח תוצאות ומסקנות )זמן מומלץ 10דקות(. א .שרטט את גר #האופיי! של הנורה ,כלומר :גר #של Iכנגד ) Vגר #מס' .(2 חבר נקודות המדידה של הגר #ע"י קו ללא התאמת פונקציה ) .(smoothed lineלש כ& כוו! עכבר על הנקודות וע"י קליק ימני של עכבר בחר בתפריט אפשרות Format data seriesובלשונית patterns סמ! את האפשרויות automaticו) smoothed line %קו מוחלק(. ב .מהי ההתנגדות הנורה לפי טבלה 6עבור הזר הנמו& ביותר שנית! היה למדודR ,זר נמו& ? מהי ההתנגדות הנורה לפי טבלה 6עבור הזר הגבוה ביותר שנית! למדוד בניסויR ,זר גבוה ? ג .השווה בי! תוצאות סעי #ב' ובי! הנתוני בטבלה .5מה! מסקנותי& מההשוואה? ד .הסבר את ההבדל בי! ההתנגדות הנמדדת וההתנגדות המחושבת בטבלה .5 )סה"כ זמן עבודה 140דקות נטו(.
© Copyright 2024