Füüsika II labori aruanne (0)

FÜÜSIKA LABORATOORSETE TÖÖDE ARUANNE
Õppeaine: Füüsika II
Ehitus teaduskond
Õpperühm: KEI 11/21
Üliõpilased:
Tallinn 2013
SISUKORD
Lähteülesanne
1.Voltmeetri kalibreerimine ……………………………................................………..3
2. Eritakistus ………………………..............................................................................5 3.Vooluallika kasutegur.………………………………………………………………8
1.Voltmeetri kalibreerimine
1.Töö eesmärk- Kaliibrida galvanomeeter etteantud mõõtepiirkonnaga voltmeetriks. Määrata voltmeetri täpsusklass.
2.Töövahendid-Galvanomeeter, etalonvoltmeeter, takistusmagasin, alalispingeallikas.
3.Töö teoreetilised alused-Mõõteriista kaliibrimine on protseduur , kus mõõteriista skaala jaotistega seatakse vastavusse mõõdetava suuruse väärtused etteantud mastaabis.
Galvanomeeter on analoogmõõteriist nõrkade voolude (ca 1mA) mõõtmiseks.
Selleks, et kasutada galvanomeetrit voltmeetrina, tuleb galvanomeetriga G järjestikku ühendada nn. eeltakisti Re (joon.1). Eeltakisti piirab voolu läbi galvanomeetri.
Olgu galvanomeetri maksimaalsele näidule vastav pinge Ug=IgRg, kus Ig on siis voolutugevus galvanomeetris ja Rg galvanomeetri sisetakistus .
Galvanomeetrist on vaja teha voltmeeter mõõtepiirkonnaga U. Galvanomeetrit ja eeltakistit läbib üks ja seesama voolutugevus Ig.
Avaldame siit eeltakisti väärtuse Re

Tähistame U/Ug=n, saame Re=Rg(n-1)
Järelikult galvanomeetri mõõtepiirkonna suurendamiseks n korda on vaja, et kasutatava eeltakisti takistus oleks n-1 korda suurem galvanomeetri sisetakistusest.
Töö käik
1.Protokollime mõõteriistad
2.Vastavalt juhendajalt saadud kaliibritavale pingele U arvutame eeltakisti Re ja valime selle takistumagasinil.
Eeltakisti Re arvutamine:
U=10V, Rg=3600Ω, Ig=200μA
Ig=Ug/Rg => Ug=Ig*Rg= 3600 *200*10-6= 0,72 (V)
Re=Rg(U/Ug-1)
Re=3600*(10/0,72-1)= 46 400 (Ω)
3.Reguleerime etalonvoltmeetri näidu pingele U.
4.Kui galvanomeetri osuti ei asetu viimasele jaotisele, siis tuleb täpsustada eeltakisti suurust Re katseliselt.
5.Leiame kaliibritava galvanomeetri 10-le erinevale skaalajaotisele vastavad etalonmeetri näidud kahel korral: pinge monotoonselt kasvades 0-lt U-le monotoonselt kahanedes U-lt 0-le. Jälgime, et galvanomeetri osuti liiguks valitud jaotisele ühelt poolt.
Mõõtetulemused kanname tabelisse
Tabel 1
Jrk. Nr
Galvanomeetri jaotised
U1, V kasvades
U2, V kahanedes
Uv=U1-U2, V
1.
10
0,78
0,78
0,
2.
20
1,84
1,81
0,03
3.
30
2,89
2,78
0,11
4.
40
3,86
3,71
0,15
5.
50
4,39
4,84
-0,45
6.
60
5,97
5,75
0,22
7.
70
6,98
6,78
0,2
8.
80
7,95
7,84
0,11
9.
90
8,94
8,98
-0,04
10.
100
9,98
9,98
0
6. Leidsime saadud voltmeetri põhivea ∆U
∆U=∆Ue+∆U1+1/2∆Uv
∆Uv=0,13 (V) – variatsioon , leiame tabelist
∆Ue=0,01 (V) – etalom voltmeetri absoluutne viga
∆U1=0,1/2=0,05 (V) – kaliibritava galvanomeetri lugemi viga (võetakse pool jaotise väärtusest)
∆U=0,01+0,05+1/2*0,13= 0,125 (V)
7.Arvutame taandatud vea
δ=∆U/U=0,125/10=0,0125
8.Arvutame täpsusklassi.
Täpsusklass= δ*100%
Meie täpsusklass δ=0,0125*100%=1.25%
Järeldus: kuna täpsusklass on suurem kui 1%, siis voltmeeter ei ole piisavalt täpne ja võib kasutada kui indikaator mõõteriista.
2.Eritakistus
1.Töö eesmärk- Traadi aktiivtakistuse määramine ampermeetri ja voltmeetri abil ning materjali eritakistuse leidmine.
2.Töövahendid-Seade voltmeetri ja ampermeetriga takistustraadi materjali eritakistuse määramiseks, nihik .
3.Töö teoreetilised alused-Pikkusega l ja ristlõikepindalaga S homogeense traadi takistus:
(1)
kus ρ on traadi materjali eritakistus.
Takistuse R määramiseks võib kasutada Ohmi seadust vooluringi osa kohta:
(2)
kus I on traati läbiva voolu tugevus ja U – pinge traadilõigul.
Viimased määrame ampermeetri ja voltmeetri abil.
Mõõtmisel kasutame joonisel toodud lülitussüsteemi:

Joonisel toodud lülituse korral näitab ampermeeter traati ja voltmeetrit läbivat voolutugevuste summat :
(3)
kus rv on voltmeetri sisetakistus.
Voltmeetriga järjestikkuolevate ühenduste takistust pole vajadust arvestada, kuna see on voltmeetri sisetakistusest mitu järku väiksem.
Sel juhul võime kirjutada vastavalt valemi (3) põhjal, et
(4)
Kasutades seoseid (1) ja (2), saame võrdusest (4)
(5)


Seos (5) näitab meile, et takistus R on pikkusega l lineaarselt seotud ja sõltuvuse graafikuks on sirge tõusuga
ning siit saame, et (6)
kus S on traadi ristlõike pindala.
Töö käik
1.Protokollime mõõteriistad.
2.Mõõdame kruvikuga traatide diameetrid viiest erinevast kohast ja kanname tulemused tabelisse (Tabel 1). Leiame traatide keskmised diameetrid.
Traadi diameetri mõõtmine Tabel 2
Järjekorra number
d1 (mm)
d2 (mm)
1.
0,66
1,56
2.
0,64
1,54
3.
0,68
1,58
4.
0,65
1,49
5.
0,64
1,59
d1keskmine=0,65
d2keskmine=1,54

Saadud keskmiste diameetrite abil leiame traatide ristlõike pindalad . S=Пr2=Пd2/4.
S1=0,33(mm2)=0,33*10-6(m2)
S2=1,86(mm2=1,86*10-6(m2)
3.Palume juhendajal luba skeemi (seadme) sisselülitamiseks.
4.Muutes liuguri asendit, leiame antud voolutugevuse (I) korral kaheksale erinevale l väärtusele vastavad pinged U ja kanname need tabelisse (Tabel 2 ja Tabel 3).
Kordame punkti 4 ka teise traadiga tõstes ühenduspesad ümber teisele traadile, seejuures jämedamale traadile võtame I=2,5(A) ja peenemale traadile I=1,5(A).
Leiame valemi (2) põhjal vastavad takistused R.

Traadi takistuse sõltuvus traadi pikkusest
Jäme traat Tabel 3 Peen traat Tabel 3
Jrk. Nr
l
(m)
U
(V)
R
(Ω)
0,06
0,1
0,067
2.
0,12
0,2
0,13
3.
0,18
0,27
0,18
4.
0,24
0,33
0,22
5.
0,30
0,41
0,27
6.
0,36
0,50
0,33
7.
0,42
0,57
0,38
8.
0,48
0,63
0,42
Jrk. Nr
l
(m)
U
(V)
R
(Ω)
1.
0,06
0,8
0,11
2.
0,12
0,34
0,14
3.
0,18
0,4
0,16
4.
0,24
0,49
0,2
5.
0,30
0,56
0,22
6.
0,36
0,65
0,26
7.
0,42
0,72
0,29
8.
0,48
0,8
0,32
5.Leiame arvuti abil graafik R=f(l), mõlema traadi kohta.
6.Kasutades lineaarset ekstrapoleerimist leiame graafikult funktsioon R=f(l) tõusunurga tangensi
tanα=k
7.Valemi (6) abil leiame mõlema traadi eritakistuse ρ.
kk=0,664
S1=0,33*10-6(m2)
ρ=k*S=0,664*0,33*10-6=0,21912*10-6
k=0,4008
S2=1,86*10-6(m2)
ρ=k*S=0,4008*1,86*10-6=0,745488*10-6
3.Vooluallika kasutegur
1. Töö eesmärk- Vooluallika kasuliku võimsuse ja kasuteguri määramine sõltuvalt voolutugevuse ning välis-ja sisetakistuse suhtest.
2. Töövahendid- Toiteallikas, voltmeeter, ampermeeter ja reostaadid .
3. Töö teoreetilised alused- Igat vooluringi võib vaadata koosnevana kolmest osast: vooluallikast, ühendusjuhtmest ja tarbijast (koormusest). Voolutugevus on vastavalt Ohmi seadusele määratud elektromootorjõu (emj.) ja vooluringi kogutakistusega. Kuna ühendusjuhtmed valitakse tavaliselt nii, et nende takistus on tühiselt väike, võrreldes teiste vooluringi elementide takistusega, siis võib edaspidi neid mitte arvestada, lugedes nende takistuse võrdseks nulliga. Seega on voolutugevus leitav valemist
kus R on vooluahela välistakistus, siin tarbija takistuse ja r- vooluallika sisetakistus.
Elektromootorjõu definitsioon on teada, et laengu q läbiviimisel kogu vooluringist tehakse töö
Järelikult vooluallika koguvõimsus
Samal ajal tarbijal eraldunud võimsus ehk nn. kasulik võimsus
Tarbijal eralduv võimsus on maksimaalne kui tarbija takistus R ja vooluallika sisetakistus on r on võrdsed. Kasutegur, s.o. kasuliku koguvõimsuse suhe, on leitav valemiga
Valemite 1 ja 2 analüüs näitab, et nii kasutegur kui ka kasulik võimsus on suuremad sellel vooluallikal mille sisetakistus on väiksem.
Töö käik
1. Protokollige mõõteriistad.
2.Tutvuge allpool joonisel toodud skeemiga . Punktiiriga piiratud kast kujutab endast vooluallikat.
3.Lüliti K avatud olekus registreerige voltmeetri näit, mis on sel juhul ligikaudu võrdne vooliallika elektromootorjõuga.
ε=3,29V
4.Sulgege lüliti K ning reguleerige reostaadi r abil lühisvoolu tugevus ahelas juhendaja poolt antud väärtusele. Edasises katsekäigus aga jätke reostaadi r väärtus muutumatuks.
5.Vähendage reostaadi R abil voolutugevust ahelas 10 mA kaupa kuni 10 mA – ni, registreerides volt- ja ampermeetrinäidud. Tulemused kandke tabelisse vastavatesse veergudesse. Täitke tabeli ülejäänud osa kasutades eespool toodud valemeid.
Seejuures:
Tabel 4
Jrk.
Nr.
I
mA
U
V
N1
mW
ε-u
V
r
R
R/r
1.
99,8
0,562
56,1
6
8,7
87,4
5,63
0,06
2.
90,8
1,35
122,6
14,5
7,9
87
14,9
0,17
3.
80,1
2,29
183,4
24,7
7
87,4
28,6
0,32
4.
70,1
3,14
220,1
33,8
6,1
87
44,8
0,5
5.
60,9
3,95
240,6
42,5
5,3
87
64,86
0,7
6.
50,1
4,88
244,5
52,5
4,4
87,8
97,4
1,1
7.
39,3
5,83
229,1
62,8
3,5
89
148,34
1,7
8.
29,6
6,67
197,4
67,2
2,6
87,8
225,33
2,6
9.
20,5
7,47
153,41
80,4
1,8
87,8
364,3
4,1
10.
10,47
8,31
87
89,5
0,98
93,6
793,69
8,5
6. Vastavalt tabeli andmetele joonestage graafikud N1=F (I) ja η=f (I) ühisele väljale (I-telg on ühine).
Järeldus: Voolul I= 50-60 mA on N1 maksimaalne, kasutegur η=50% ja R/r=1
11