E 1.1 Az elektromos áramkör

Átírás

1 E 1.1 Az elektromos áramkör 1 PIB telep (akku), 1.2 V 1 PIB izzófoglalat, E10 1 izzólámpa, E10, 2.5V/0.2A Mi szükséges ahhoz, hogy az elektromos áram kigyújtsa az izzólámpát? A kísérlet összeállítása. Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A foglalatba csavarozzuk be az izzót. A satírozással jelölt PIB elem helyét egyelőre hagyjuk üresen. 1. kísérlet A satírozással jelölt helyre dugaszoljunk be egy PIB összekötő vezetéket. Az áramkör záródik, és az izzó kigyullad. 2. kísérlet A satírozással jelölt helyre dugaszoljunk most egy ki-/be kapcsolóval ellátott PIB elemet. A kapcsolót OFF (ki) állásba kapcsolva az izzó kialszik, a kapcsolót ON (be) állásba kapcsolva az izzó kigyullad. : Egy áramkörhöz a következő elemek szükségesek: Áramforrás (teljesítményforrás) (a kísérletben a telep) Fogyasztó (a kísérletben az izzó) Összekötő vezetékek. Ezeken kívül az áramkör tartalmazhat különböző kapcsolókat is.

2 E 1.2 A kettős (alternatív) kapcsoló 1 PIB telep (akku), 1.2 V 1 PIB izzófoglalat, E10 2 PIB hárompontos váltókapcsoló 1 izzólámpa, E10, 2.5V/0.2A A ki-/be kapcsolót már ismerjük. Néha szükség lehet arra, hogy egy fogyasztót két helyről tudjunk kapcsolni (pl. egy szoba). Ez egy u.n. kétpontos kapcsolást kíván meg. A kísérlet összeállítása. Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A foglalatba csavarozzuk be az izzót. A kísérlet kezdetén a két váltókapcsolót állítsuk olyan helyzetbe, hogy az izzó ne világítson. Kísérlet. Működtessük felváltva a kapcsolókat. Azt tapasztaljuk, hogy az izzó mindkét kapcsolóval ki- ill. bekapcsolható, függetlenül attól, hogy a másik kapcsoló milyen helyzetben van. Egy izzó (fogyasztó) ki- ill. bekapcsolható két külön helyről is váltókapcsolók alkalmazása esetén. Egyik kapcsoló sem befolyásolja a másik kapcsoló működését.

3 E 1.3 A feszültség 1 PIB telep (akku), 1.2 V 1 mérőműszer 2 mérővezeték Az elektromos áramot csak a kifejtett hatása alapján tudjuk érzékelni. Az elektromos áram (feszültség) jelenlétét mérőműszerrel tudjuk kimutatni. Ebben a kísérletben egy elektromos áramforrás feszültségét mérjük meg. A kísérlet összeállítása. Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A méréshez a mérőműszert kapcsoljuk a 3 V DC méréshatárba. (DC = egyenfeszültség/áram) Kísérlet. A kapcsolót ON (bekapcsolt) állásba kapcsolva, a mérőműszer a telep feszültségét méri. A telep feszültsége:... V. A feszültségmérő közvetlenül a telep sarkaira is csatlakoztatható, a méréshez fogyasztó nem szükséges. : A feszültséget feszültségmérővel mérjük. A feszültség mértékegysége a V (Volt).

4 E 1.4 Feszültségforrások soros kapcsolása 1 PIB telep (akku), 1.2 V 1 mérőműszer 2 mérővezeték A feszültségforrások sorba köthetők. A feszültségforrásokat úgy kell sorba kötni, hogy az egyik feszültségforrás negatív pólusát a másik feszültségforrás pozitív pólusához kötjük (lásd ábra). A kísérlet összeállítása. Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A vezetékezést úgy alakítjuk ki, hogy a felső feszültségforrás negatív pólusa az alsó feszültségforrás pozitív pólusával legyen összekötve. A mérőműszert 3V DC méréshatárba kapcsoljuk. 1. kísérlet. Először az A-B pontok, majd a B-C pontok végül az A-C pontok közötti feszültséget mérjük meg. A mért eredményeket beírjuk a táblázatba. Mérőpontok A-B pontok (felső telep feszültsége) B-C pontok (alsó telep feszültsége) A-C pontok (a két sorba kötött telep feszültsége) Mért érték : A teljes feszültség (A-C) a két telep feszültségének az összege. 2. kísérlet. Az alsó feszültségforrást 180 -al elfordítva dugaszoljuk be. (ahogy a satírozott rész mutatja). Most a két negatív pólus van összekötve. Mérjük meg a feszültséget az A-C pontok között. Feszültség az A-C pontok között: U =... V Ha két azonos feszültségű feszültségforrást azonos pólusaikkal kötünk sorba, az eredő feszültség nulla lesz! : Ha a két feszültségforrás feszültsége különböző, az eredő feszültség NEM lesz nulla!

5 E 1.5 Feszültségforrások párhuzamos kapcsolása 1 PIB telep (akku), 1.2 V 1 mérőműszer 2 mérővezeték Feszültségforrások párhuzamos kapcsolásánál a feszültségforrások azonos pólusait kötjük össze (negatív a negatívhoz, pozitív a pozitívhoz). A kísérlet összeállítása Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A kísérlet kezdetén a satírozással jelölt PIB telepet NE dugaszoljuk be az áramkörbe. Kapcsoljuk a mérőműszert 3 V DC méréshatárba. Kísérlet Kapcsoljuk a kapcsolót ON (be) állásba. A mérőműszer az A-B pontokon a telep feszültségét méri. U 1 =... V Kapcsoljuk a kapcsolót OFF (ki) állásba és a második telepet dugaszoljuk be az áramkörbe az ábrának megfelelő módon. Mérjük meg ismét a feszültséget az A-B pontokon. U 2 =... V Most kapcsoljuk a kapcsolót ON (be) állásba és ismét olvassuk le a mért értéket a feszültségmérőn: A teljes feszültség, U =... V Ha azonos feszültségű telepeket kapcsolunk párhuzamosan, az eredő feszültség azonos az egyes telepek feszültségével. Ha a telepek feszültsége különböző, a nagyobb feszültségű telep feszültsége érvényesül (ez mérhető a kimeneten).

6 E 1.6 Az áramerősség 1 PIB telep (akku), 1.2 V 1 PIB izzófoglalat, E10 1 izzó, E10, 2.5V/0.2A 1 mérőműszer 2 mérővezeték A hétköznapi életben használt elektromos fogyasztó kifejezés sajnos félrevezető. Ha az elektromosságot a fogyasztó fogyasztja, felmerül a kérdés, hogy vajon az elektromos áram erőssége a fogyasztón történő áthaladás után csökken-e. A kísérlet összeállítása Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A mérőműszert kapcsoljuk 0.3 A DC méréshatárba. Kísérlet A kapcsolót kapcsoljuk ON (be) állásba. A műszer az A ponton méri az áram erősségét. Áramérősség az A ponton, I =... A Most cseréljük meg az A és B ponthoz tartozó PIB elemeket (az A mérőpont a fogyasztó utáni helyre kerül), kapcsoljuk a kapcsolót ON (be) állásba. A műszer az A ponton méri az áramerősséget a fogyasztó után. Áramérősség az A ponton, I =... A 1. Az áramerősség pontosan ugyanakkora a fogyasztó előtt és a fogyasztó után. 2. Amit a fogyasztó fogyaszt, az nem elektromosság, hanem energia. 3. Az áram erőssége árammérővel mérhető. 4. Áramméréshez az árammérőt a fogyasztóval sorba kell kötni!

7 E 1.7 Vezetők és nem-vezetők (szigetelők) 1 PIB telep (akku), 1.2V 1 PIB izzófoglalat, E10 1 izzó, E10, 2.5V/0.2A 2 krokodilcsipesz banándugóval 1 készlet vezető és szigetelő 1 elektróda készlet Azokat az anyagokat, amelyek vezetik az elektromos áramot, elektromosan vezetőknek vagy röviden vezetőknek, amelyek nem vezetik az elektromos áramot, szigetelőknek nevezzük. A kísérlet összeállítása Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. Csíptessünk a krokodilcsipeszek közé különböző anyagokat (papír, műanyag, fa, szén, különböző fémek). Ha bekapcsoljuk a kapcsolót, az izzó kigyulladása jelzi, hogy melyik anyag vezeti az áramot. Ha az anyag nem vezeti az áramot (szigetelő) az izzó nem gyullad ki. A fémek, és a szén vezeti az áramot, azaz elektromosan vezető, a papír, a műanyag, a fa nem vezetik az áramot, azaz szigetelők.

8 E 1.8 Vezetik-e a folyadékok az elektromos áramot? 2 PIB telep (akku), 1.2V 2 PIB adapter 2 krokodilcsipesz banándugóval 1 készlet szénelektróda 1 elektrolízis tartály 1 mérőműszer 2 bekötő vezeték A kísérlettel azt kívánjuk vizsgálni, hogy a folyadékok vezetik-e az elektromos áramot. A kísérlet összeállítása Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. Töltsük fel az elektrolízis kádat majdnem teljesen vízzel. A csavaros tartórészekbe fogjuk be a krokodil csipeszeket. A szénelektródákat a krokodil csipeszek tartják. Az elektrolízis tartályt tegyük közvetlenül az áramkör mellé, hogy a szénelektródák bemeríthetők legyenek a vízbe. Mérőműszernek 30 ma DC méréstartománnyal rendelkező műszert használjunk. A sorba-között telepek adják a feszültségforrást. 1. kísérlet A kapcsolóval kapcsoljuk be az áramkört. A mérőműszer azt mutatja, hogy igen kicsi áram folyik. Kapcsoljuk ki a kacsolót! 2. kísérlet Szórjunk közönséges konyhasót a vízbe, várjuk meg, amíg a só feloldódik, majd néhányszor keverjük meg a vizet. Kapcsoljuk be ismét a kapcsolót és nézzük meg, hogy most mit mutat a mérőműszer. Elég nagy-e most az áram ahhoz, hogy kigyújtson egy 2,5V-os izzólámpát? A tiszta víz rosszul vezeti az elektromos áramot. Közönséges sóoldatok (továbbá savak és alkáli oldatok) sokkal jobban vezetik az elektromos áramot, mint a víz

9 E 2.1 Ohm törvénye 2 PIB akku, 1,2V 2 krokodilcsipesz csatlakozó dugóval 1 biztosító huzal, 0,1mm, piros 1 mérőműszer 4 bekötő vezeték A különböző vezetők ellenállása különböző. Azonos feszültségek mellett az áramerősségek különböző értékűek lesznek a vezető ellenállásától függően. Jelen kísérletben a feszültség-áram és ellenállás közötti összefüggést vizsgáljuk. A kísérlet összeállítása Építsük fel az áramkört az ábrán látható módon. A csatlakozó dugókkal ellátott krokodil csipeszeket csatlakoztassuk a két PIB csatlakozóhoz. A biztosító huzalt (hossz kb. 13 cm) csatlakoztassuk a krokodil csipeszekhez. Először használjunk egy PIB akkut (1,2 V) feszültségforrásként. A második PIB akkumulátor helyébe egyelőre kössünk be agy PIB átkötő egységet. A feszültségmérő (3 V DC méréshatárral) fogja mutatni a feszültséget. Az árammérő (beállított méréshatár 300 ma DC) fogja mérni az áram erősségét. Kísérlet Kapcsoljuk be a kapcsolót. A műszerek mutatják a feszültség és áram értékét. Határozzuk meg a feszültség és áram hányadosát. Az eredmény a huzal ellenállásának értéke lesz. Az ellenállás mértékegysége az Ohm, jele a görög Ω. Mért feszültség értéke, U=..V. Mért áramerősség, I=.mA =..A Az ellenállás kiszámítása: Feszültség U... V R = = = =... Ω Áram I... A Most a satírozással jelölt PIB átkötő elem helyébe rakjuk be a második akkumulátort. Most a rendelkezésre álló feszültség kétszer akkora, mint előzőleg volt. Olvassuk le ismét az áramerősség és feszültség értékét. Számítsuk ki ismét az ellenállás értékét az új adatokkal. Mért feszültség értéke, U=..V. Mért áramerősség, I=.mA =..A Az ellenállás kiszámítása: Feszültség U... V R = = = =... Ω Áram I... A A feszültség és áram hányadosa nem változott. Az áramerősség arányos az alkalmazott feszültséggel. A feszültség és áram hányadosa pedig mindig az ellenállás értékét adja. Ezt az összefüggést nevezzük Ohmtörvénynek. Azaz: U R = I Vagy ha a feszültséget akarjuk kifejezni: U=R*I

10 E Mérések az Ohm-törvény igazolására 1 IB ki-/be kapcsoló 2 krokodilcsipesz csatlakozó dugóval 1 biztosító huzal, 0,1 mm, piros 2 mérőműszer 6 bekötő vezeték 1 tápegység Egy huzal ellenállását fogjuk mérni különböző feszültségek mellett. A kapott értéknek mindig ugyanannyinak kell lennie. A kísérlet összeállítása Az ábra szerint. A DC (egyenáramú) tápegységen először állítsunk be 1V-t. A feszültségmérő méréshatárát állítsuk 10V-ra, az árammérő méréshatárát pedig 300mA-re. A mért értékeket ábrázoljuk diagramban. Kísérlet Kapcsoljuk be a kapcsolót, a tápegység feszültségét állítsuk be pontosan 1V ra. Olvassuk le az áramerősség értékét és írjuk be az alábbi táblázatba. Ezután egymás után állítsuk be a táblázatban megadott feszültség értékeket a tápegységen, és a hozzájuk tartozó áramerősség értékeket írjuk be a táblázatba. Számítsuk ki az ellenállás értékeket, és szintén írjuk be a táblázatba. Feszültség, U Áramerősség, I Ellenállás, R=U/I 1V.mA =.A... Ω 2V.mA =.A... Ω 3V.mA =.A... Ω 4V.mA =.A... Ω 5V.mA =.A... Ω Az áramerősség értéke arányos az alkalmazott feszültség értékével. A feszültség és áram hányadosa, azaz az ellenállás értéke pedig azonos marad.

11 E 2.2 Az Ohm-törvény alkalmazása 2 PIB akku (1,2V) 1 PIB ellenállás, 100 Ω 1 PIB ellenállás, 500 Ω 2 mérőműszer 4 bekötő vezeték Az Ohm-törvény alkalmazásával az áramerősség egy adott áramkörben előre kiszámítható. A fenti ábra szerinti áramkörben először kiszámítjuk a várható áramerősséget, majd méréssel ellenőrizzük a számítás helyességét. A számításokat és méréseket két ellenállással, 100 és 500Ω-al végezzük el. A mérés összeállítása: az ábra szerint. Először a 100Ω-al jelölt elemet dugaszoljuk be a mérőkörbe. A feszültségmérővel (méréshatár 3V) az A és B pont közötti feszültséget, azaz az ellenálláson eső feszültséget fogjuk mérni. Az árammérő, amely az ellenállással sorba van kötve (méréshatár 30 ma DC), az ellenálláson átfolyó áramot fogja mérni. Számítás, ellenőrzés Kapcsoljuk be a kapcsolót! Mérjük meg a feszültséget az A-B pontok között. A bedugaszolt ellenállás értékének ismeretében számítsuk ki a várható áramerősség értékét és írjuk be az alábbi táblázatba. Hasonlítsuk össze a számított és mért áramerősség értékét! Bedugaszolt ellenállás értéke Mért feszültség Számított áramerősség Mért áramerősség 100 Ω A= ma ma 500 Ω A= ma ma Cseréljük ki a 100Ω-os ellenállást 500 Ω-ra és ismételjük meg a számítást és az ellenőrző mérést! Ha előre ismerjük az ellenálláson eső feszültség és az ellenállás értéket, az Ohm-törvény alapján előre ki tudjuk számítani a várható áramerősség értékét. Az ellenállás értéke megfelelő műszerrel közvetlenül megmérhető. A mérőműszerek az ellenállás értékének méréséhez szintén az Ohm-törvényt használják.

12 E 2.3 Huzalok ellenállása 2 PIB akku (1,2V) 3 krokodilcsipesz csatlakozó dugóval 1 tekercs biztosítóhuzal, 0,1 mm, piros 1 tekercs ellenálláshuzal 0,2 mm, kék 1 mérőműszer 2 bekötő vezeték A kísérlet során meghatározzuk, hogy egy huzal ellenállásának értéke hogyan függ össze a huzal hosszával és keresztmetszetével. A mérés során két különböző anyagú huzal ellenállását hasonlítjuk össze. Az Ohm-törvénynek megfelelően az áramérősség értéke annál kisebb minél nagyobb az ellenállás értéke. A kísérlet összeállítása Az ábra szerint. A feszültségmérővel (méréshatár 3V DC) először az A és D pont között mérjük meg a feszültséget. A csatlakozó dugóval ellátott krokodil csipeszeket az A, B és C pontokba dugaszoljuk be. A biztosító huzalból kb. 25 cm hosszúságút a három krokodil csipeszbe fogunk (l. ábra). A biztosító huzalból egy másik ugyanekkora darabot készítünk elő. A satírozással jelölt helyek közül először csak az 1-sel jelölt helyen van egy PIB átkötő elem bedugaszolva. Az árammérőt 300mA DC méréshatárba állítjuk. 1. kísérlet A fenti összeállításban először a huzal A és B pont közötti szakaszának ellenállását mérjük. A kapcsolót kapcsoljuk be rövid időre (egyébként a kis ellenállás miatt a telep gyorsan kimerül!!) és olvassuk le a mért áramerősség értékét. Az ellenállás értéke a mért áram és feszültség értékéből az Ohmtörvény alapján kiszámítható. Töltsük ki az alábbi táblázatot! Mért feszültség értéke, U Mért áram értéke, I Ellenállás, R=U/I (Ω) ma= A Vegyük ki az 1-es helyen lévő dugaszolható elemet és dugaszoljuk át a 2-vel jelölt helyre. Így most a huzal A-C pont közötti szakaszának ellenállását fogjuk mérni, amely kétszer akkora lesz, mint az előző mérésben. Rövid időre kapcsoljuk be ismét a kapcsolót, a mért áram és feszültség értékeket írjuk be az alábbi táblázatba, és számítsuk ki a huzal ellenállásának értékét! Mért feszültség értéke, U Mért áram értéke, I Ellenállás, R=U/I (Ω) ma= Most az előkészített másik biztosító huzalt az előző huzal mellé fogjuk be a krokodil csipeszekbe. Ezzel a módszerrel a huzal keresztmetszetét megdupláztuk. Ismételjük meg az előző két mérést és töltsük ki az alábbi táblázatot! Mért feszültség PIB elem helyzete értéke, U Mért áram értéke, I Ellenállás, R=U/I (Ω) 1 2 A (folytatás a következő oldalon)

13 2. kísérlet Vegyük ki a biztosító huzalokat a krokodil csipeszekből és ismételjük meg a fenti kísérletet a (kék) ellenállás huzallal. A mért és számított értékeket írjuk be az alábbi táblázatba! Egy huzal befogva az A-B-C pontokon léző krokodilcsipeszekbe PIB elem helyzete Mért feszültség értéke, U Mért áram értéke, I Ellenállás, R=U/I (Ω) 1 2 Két huzal befogva az A-B-C pontokon léző krokodilcsipeszekbe PIB elem helyzete Mért feszültség értéke, U Mért áram értéke, I Ellenállás, R=U/I (Ω) 1 2 ek: 1. Ha a huzal hosszát kétszeresére növeljük, az ellenállás értéke is kétszeresére nő. 2. Ha a huzal keresztmetszetét kétszeresére növeljük, az ellenállás értéke a felére csökken. 3. Az ellenállás értéke függ a huzal anyagától is!

14 E Huzalok fajlagos ellenállása 3 krokodilcsipesz csatlakozó dugóval 1 tekercs rézhuzal, 0,2 mm, fekete 1 tekercs ellenálláshuzal 0,2 mm, kék 2 mérőműszer 1 tápegység A kísérlet segítségével két különböző anyagú huzalok fajlagos ellenállását határozzuk meg. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A krokodil csipesszel ellátott banándugókat az A és B pontba csatlakoztatjuk. A krokodil csipeszek közé egy Ø0,2 mm, kb. 25cm hosszúságú rézhuzalt fogunk be. Ellenálláshuzalból előkészítünk szintén egy Ø0,2 mm, kb. 25cm hosszúságú darabot. Az árammérő műszer méréshatárát 1A-re, a feszültségmérő műszer méréshatárát 10V DC-re állítjuk be. A tápegységen 5V DC feszültséget állítunk be. 1. kísérlet A feszültségmérővel a C és D pontok között mérjük a feszültséget. A kapcsolót rövid időre bekapcsoljuk, és a feszültségmérő műszer segítségével a tápegységen a C és D pont között pontosan 5V feszültséget állítunk be. A mért feszültség és áram értékét írjuk be az alábbi táblázatba. A kapcsolót kapcsoljuk ki. 2. kísérlet A rézhuzalt cseréljük ki az ellenálláshuzalra és ismételjük meg az 1. számú kísérletet. Kiértékelés. A huzal ellenállásának értékét a mért áram és feszültség értékéből kiszámítjuk. A huzal hosszát a krokodil csipeszek távolsága egyértelműen meghatározza. A huzal keresztmetszete a huzal átmérőjének ismeretében kiszámítható, azaz 0,1*0,1*π = 3,14*10-8 m 2. A fajlagos ellenállás (ρ), ami nem más, mint az 1m hosszú, 1mm 2 keresztmetszetű huzal ellenállása, az alábbi egyenlettel határozható meg: R * A ρ = Ωm l ahol: ρ = a fajlagos ellenállás R = a huzal ellenállása A = a huzal keresztmetszete L = a huzal hossza Számítások Kísérlet Feszültség (V) Áram Ellenállás (Ω) Fajlagos ellenállás (Ωm) 1..mA =..A 2..mA =..A ek Egy huzal fajlagos ellenállása a huzal hosszának, ellenállásának és keresztmetszetének ismeretében kiszámítható. A rézhuzal fajlagos ellenállása kb. 2*10-8 Ωm, az ellenálláshuzal fajlagos ellenállása kb. 1*10-6 Ωm. Azt is mondhatjuk, hogy a rézhuzal vezetőképessége kb. 50-szer jobb, mint az ellenálláshuzalé.

15 E 2.4 Az ohmos ellenállás 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB ellenállás, 1 kω 2 mérőműszer 6 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység Azokat az ellenállásokat, melyeknek értéke nem változik meg a rajtuk átfolyó áram hatására, Ohmos ellenállás -oknak nevezzük. Az ilyen ellenállásokon az áramerősség értéke egyenesen arányos az ellenállásra kapcsolt feszültség értékével. Ez pl. réz és vashuzalok esetén nincs így, azaz a réz és vashuzal ellenállása változik a rákapcsolt feszültség értékétől. Az olyan ötvözetek esetében, mint a kostantán, ez igaz, azaz a konstantán ellenállása a rákapcsolt feszültségtől függetlenül mindig ugyanaz marad. Ebben a gyakorlatban különböző alkatrészek ellenállását fogjuk meghatározni. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. Az ellenálláson eső feszültséget az A és B pont között mérjük egy 10 V DC méréshatárba kapcsolt feszültségmérővel. Az ellenálláson átfolyó áramot egy 30 ma DC méréshatárba kapcsolt árammérő műszer méri. Kísérlet Először az 500Ω-os ellenállást dugaszoljuk be. A méréseket a tápegység 1V, 5V és 10V-os állásában végezzük el. Bekapcsoljuk a kapcsolót, és az alábbi táblázatba beírjuk mért értékeket. Most a kapcsolót kikapcsoljuk, az 500Ω-os ellenállás helyébe az 1kΩ-os ellenállást dugaszoljuk be és megismételjük a méréseket. A mért értékeket beírjuk a táblázatba. Számítások. A mért értékekből kiszámítjuk az ellenállás értékeket. Ellenállás értéke (Ω) 500 Ω 1 kω Értékeljük ki a mérést! Mért feszültség (V) Mért áramerősség 1 V ma = A 5 V ma = A 10 V ma = A 1 V ma = A 5 V ma = A 10 V ma = A Számított ellenállás (Ω)

16 E 2.5 Az izzólámpa nem ohmos ellenállás 1 PIB izzó foglalat, E10 1 izzó, E10, 10V/0,05 A 2 mérőműszer 6 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység A kísérletben egy izzólámpa ellenállását határozzuk meg különböző feszültségek mellett. Vajon az izzószál hőmérséklete befolyásolja-e az izzószál ellenállását? A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. Az izzólámpán eső feszültséget egy 10V DC méréshatárba kapcsolt feszültségmérő méri az A és B ponton. Az árammérő műszert 1mA DC méréshatárba kapcsoljuk. Kísérlet Állítsuk be a táblázat szerinti értékeket a tápegységen és írjuk be a táblázatba a mért áramerősség értékét! Láthatóan az izzó kis feszültségnél alig világít, teljes fénnyel csak 10V-nál világít, azaz az izzószál hőmérséklete 10V-nál a legnagyobb. Számítsuk ki az ellenállás értékeket! Beállított feszültség Mért áramérősség Számított ellenállás (R=U/I) 1 V.mA =.A Ω 3 V.mA =.A Ω 5 V.mA =.A Ω 7 V.mA =.A Ω 10 V.mA =.A Ω (Ha lehet, ábrázoljuk az ellenállás értékeket diagramban! (X tengely = feszültség, Y tengely = áramerősség) ek Egy izzólámpa ellenállása a rajta átfolyó áram (az izzószál hőmérsékletének) növekedésével nő, azaz az izzólámpa nem ohmos ellenállás. Az ilyen tulajdonsággal rendelkező fém izzószálra azt mondjuk, hogy pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik.

17 E 2.6 Izzólámpák sorba kapcsolása 1 PIB izzó foglalat, E10 1 izzó, E10, 10V/0,05A 2 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység Két (vagy több) izzólámpát sorba vagy párhuzamosan köthetünk egymáshoz. Ebben a kísérletben két sorba kötött izzólámpával foglalkozunk. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. Először csak az egyik izzót dugaszoljuk a helyére. Kísérlet A tápegységen 6V DC feszültséget állítunk be. Bekapcsoljuk a kapcsolót és megfigyeljük, hogy az izzó mekkora fénnyel világít. Kikapcsoljuk a kapcsolót, és a kapcsolás satírozott helyén lévő átkötő elem helyébe a második izzót dugaszoljuk be. Ismét bekapcsoljuk a kapcsolót. Azt látjuk, hogy a két izzó most lényegesen kisebb fénnyel világít, mint az előbb, amikor csak az egyik izzó volt az áramkörben. Ha most a feszültséget a tápegységen 12V DC-re növeljük, láthatóan mindkét izzó fényereje akkorára nő, mint az előbb, amikor csak az egyik izzó volt az áramkörben. Mi történik, ha az egyik izzót kivesszük a foglalatból? Két izzót sorba kötve, kétszeres feszültség szükséges ahhoz, hogy az izzók ugyanakkora fényerővel világítsanak, mint amikor csak egy izzó volt az áramkörben. Ha az izzót a foglalatból kivesszük, az áramkör megszakad, a foglalatban maradt izzó sem világít.. Ha egy lakásban az egyik izzó kiég, a többi izzó tovább világít. Mi lehet a magyarázat?

18 E 2.7 Ohmos ellenállások sorba kapcsolása 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB ellenállás, 1 kω 1 mérőműszer 4 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység : PIB elem = dugaszolható egység Két ellenállást, egy 500Ω-os és egy 1kΩ-os ellenállást sorba kötünk. Mekkora lesz a teljes ellenállás értéke? A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységen pontosan 10 V DC feszültséget állítunk be. A 10 V DC méréshatárba kapcsolt feszültségmérő az A és B ponton méri a feszültséget. Az árammérő műszer méréshatárát 30 ma-re állítjuk be. 1. kísérlet Kapcsoljuk be a kapcsolót. Az elektromos áram áthalad az 500Ω-os ellenálláson és az árammérőn. A mért áramerősség értéke:.ma =.A 2. kísérlet Az 500Ω-os ellenállás helyébe dugaszoljuk be az 1 kω-os ellenállást, és ismét mérjük meg az ellenálláson áthaladó áram értékét. A mért áramerősség értéke:.ma =.A 3. kísérlet Most a satírozással jelölt PIB átkötő elem helyébe dugaszoljuk be az 500Ω-os ellenállást! A két ellenállás így sorba lesz kötve. Ugyanaz az elektromos áram halad át mindkét ellenálláson és az árammérő műszeren. A mért áramerősség értéke:.ma =.A A teljes ellenállás értéke: 10V R = =... Ω... A Adjuk most össze a két ellenállás értékét (1,5 kω) és hasonlítsuk össze a kiszámított értékkel! Ellenállások sorba kapcsolása esetén a teljes (eredő) ellenállás értéke az ellenállások értékének öszszegével lesz egyenlő, azaz az ellenállás értékek összeadódnak. Reredő = R1+R2

19 E 2.8 A feszültségosztó 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB ellenállás, 1 kω 1 mérőműszer 4 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység Ha két ellenállást sorba kapcsolunk, a rajtuk eső feszültségek összege egyenlő lesz a két ellenállásra kapcsolt feszültség értékével. Hogyan tudjuk meghatározni az egyes ellenállásokon eső feszültségek értékét? A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. Kísérlet Bekapcsoljuk a kapcsolót. Mérjük meg a két ellenálláson eső teljes feszültséget az A és C pont között! A teljes feszültség értéke: U =.V Mérjük meg a feszültséget az 500Ω-os (R 1 ) ellenálláson (A és B pont): U 1 =.V Mérjük meg a feszültséget az 1kΩ-os (R 2 ) ellenálláson (B és C pont): U 2 =.V Adjuk össze az U 1 és U 2 értékét és hasonlítsuk össze a mért U értékkel! 1. A két feszültség értéke (U 1 +U 2 ) egyenlő az U feszültség értékével. 2. A nagyobb értékű ellenálláson nagyobb feszültség esik, mint a kisebb értékű ellenálláson.

20 E A változtatható ellenállás 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB változtatható ellenállás, 10 kω 1 mérőműszer 4 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység : PIB elem = dugaszolható egység Egy változtatható ellenállást vizsgálunk meg. Az ellenállás értéke egy forgatógomb segítségével 0 és 10 kω között változtatható. Az ellenállás változásának kimutatására a feszültségosztó elvét használjuk fel és megnézzük, hogy mekkora a feszültség a változtatható ellenálláson az ellenállás 0, és az ellenállás 10kΩ-os értékénél. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységet 10V DC állásba, a feszültségmérő műszer méréshatárát szintén 10 V DC méréshatárba állítjuk. A feszültségmérő műszer a B és C pont között méri a változtatható ellenálláson eső feszültséget. Kísérlet A változtatható ellenállás forgatógombját az óra járásával megegyező irányban ütközésig forgatjuk, majd leolvassuk a műszer által mutatott értéket. Ez a B és C pont között mért, a változtatható ellenálláson eső feszültség. A feszültség értéke: U=.V Most a forgatógombot az óra járásával ellentétes irányban ütközésig forgatjuk, majd ismét leolvassuk a műszer által mutatott értéket. A feszültség értéke: U=.V Ha a változtatható ellenállás gombját az óra járásával megegyező irányba ütközésig elforgatjuk, az ellenálláson feszültség esik. Ekkor a változtatható ellenállás értéke 10 kω. Ha a gombot az óra járásával ellentétes irányba forgatjuk ütközésig, az ellenálláson nem esik feszültség, azaz az ellenállás értéke nulla.

21 E 2.9 Izzólámpák párhuzamos kapcsolása 2 PIB izzó foglalat, E10 2 PIB izzólámpa, E10, 10V/0,05A 1 mérőműszer 4 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység Megvizsgáljuk, hogy mi történik, ha izzólámpákat párhuzamosan kapcsolunk. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységet 6 V DC állásba, az árammérő műszer méréshatárát 100 ma DC méréshatárba állítjuk. A kísérlet megkezdése előtt a kapcsolási rajzon satírozással jelölt helyre a második izzót NEM dugaszoljuk be. Kísérlet Bekapcsoljuk a kapcsolót és megfigyeljük, hogy az izzólámpa mekkora fényerővel világít. Az árammérő műszer által mutatott értéket feljegyezzük. Most a kapcsolót kikapcsoljuk, és a satírozással jelölt helyre bedugaszoljuk a második izzót is. Bekapcsoljuk a kapcsolót. Látható, hogy mindkét lámpa ugyanolyan fényerővel világít, mint előzőleg az egy izzó világított. Megvizsgálva az árammérő által mutatott értéket, láthatjuk, hogy az áram értéke a kétszeresére nőtt. Most az egyik izzót távolítsuk el az áramkörből. Mi történik az áramkörben maradt izzóval? Világít, vagy az is kialszik? ek Párhuzamos kapcsolás esetén az áramkörben folyó áram értéke megnő, két ugyanolyan izzó alkalmazása esetén az áram a kétszeresére nő. Ha az egyik izzót eltávolítjuk, a másik lámpa tovább világít, és az áramkörben folyó áram értéke lecsökken (azonos izzók esetében a felére). ek A háztartásban az elektromos berendezések és világítótestek párhuzamosan vannak kötve. Így ha valamelyik meghibásodik, a többi zavartalanul működik tovább. Az áram értéke megnő, ha újabb készülékeket kapcsolunk a hálózatra. A biztosító arról gondoskodik, hogy ha az áram értéke egy megadott, engedélyezett érték fölé nő, akkor kiolvad, ezzel védve a hálózatot a leégéstől.

22 E 2.10 Ohmos ellenállások párhuzamos kapcsolása 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB ellenállás, 1 kω 1 mérőműszer 4 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység : A kísérletben párhuzamosan kötött Ohmos ellenállások eredő ellenállását határozzuk meg áram és feszültségmérés módszerével. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységet 9V DC állásba, az árammérő műszer méréshatárát 30mA DC méréshatárba állítjuk. 1. kísérlet Az árammérő műszer az 500Ω-os ellenálláson folyó áramot méri. Bekapcsoljuk a kapcsolót és leolvassuk a műszer által mutatott értéket. A műszer által mutatott érték: I 1 = ma = A 2. kísérlet A kapcsolót kikapcsoljuk, és a műszer csatlakozását biztosító PIB elemet az A jelű PIB elemmel megcseréljük. Így most a műszer a 1kΩ-os ellenálláson folyó áramot fogja mérni. Bekapcsoljuk a kapcsolót, és leolvassuk a műszer által mutatott értéket. A műszer által mutatott érték: I 2 = ma = A 3. kísérlet A kapcsolót kikapcsoljuk, és a műszer csatlakozását biztosító PIB elemet a B jelű PIB elemmel megcseréljük. A műszer most a két ellenálláson együttesen folyó áramot fogja mérni. Bekapcsoljuk a kapcsolót, és leolvassuk a műszer által mutatott értéket. Kapcsoljuk ki a kapcsolót! A műszer által mutatott érték: Iössz = ma = A Most adjuk össze az 500Ω-os és az 1kΩ-os ellenálláson folyó áramokat (I 1 +I 2 ) és a kapott értéket hasonlítsuk össze az áramkörben mért teljes áram (Iössz) értékével! Az áramkör teljes (eredő) ellenállását az Ohm-törvény alapján számíthatjuk ki. Utáp... V R = = =... Ω Iössz... A ek Az áramkörben mért teljes áram (Iössz) értéke megegyezik az egyes ellenállásokon folyó áramok összegével. Az eredő ellenállás értéke kisebb, mint bármelyik, az áramkörbe csatlakoztatott ellenállás értéke. Az ellenállások értékének ismeretében az eredő ellenállás az alábbi egyenlettel is kiszámítható: 1 = R 1 R1 + 1 R2 vagy átalakítva R = R1* R2 R1 + R2

23 E 2.11 Ellenállások párhuzamos-soros kapcsolása 1 PIB ellenállás, 100 Ω 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB ellenállás, 1 kω 1 mérőműszer 6 csatlakozó vezeték 1 elektronikus tápegység Mekkora az eredő ellenállása a sorosan /párhuzamosan kötött Ohmos ellenállásoknak? : A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységet 9V DC állásba, az árammérő műszer méréshatárát 30mA DC méréshatárba, a feszültségmérő műszert 10V DC méréshatárba állítjuk. A kísérlet kezdetén a 100Ω-os ellenállás nincs bedugaszolva, helyére az ábrán satírozással jelölt átkötő elemet dugaszoljuk be. Láthatóan az R1=500Ω-os és R2=1kΩ-os ellenállások párhuzamosan vannak kötve. A feszültségmérő az A és B pont között az ellenállásokon eső feszültséget méri (az árammérő a két ponton kívül helyezkedik el. A tápegység feszültségét úgy állítjuk be, hogy az ellenállásokon 9V DC feszültség essen. 1. kísérlet A kapcsolót bekapcsoljuk és leolvassuk az árammérő műszer által mutatott értéket. Kitöltjük az alábbi táblázatot. Az eredő ellenállást az Ohm-törvénnyel számítjuk ki. Kikapcsoljuk a kapcsolót. Feszültség Mért áramerősség Számított eredő ellenállás 9V DC. ma = A R=U/I=.Ω 2. kísérlet A satírozással jelölt PIB átkötő elemet most kicseréljük a 100Ω-os ellenállásra (R3). A kapcsolót ismét bekapcsoljuk és leolvassuk az árammérő műszer által mutatott értéket. Kitöltjük az alábbi táblázatot. Az eredő ellenállást az Ohm-törvénnyel számítjuk ki. Kikapcsoljuk a kapcsolót. Feszültség Mért áramerősség Számított eredő ellenállás 9V DC. ma = A R=U/I=.Ω Az így nyert eredményt összehasonlítjuk az alább számított értékkel. Először a párhuzamosan kötött ellenállások eredő ellenállását számítjuk ki: (Az eredménynek 333 Ω-nak kell lennie!) = R1* R2 R = Ω R1 + R2... Ezután alkalmazzuk a sorosan kötött ellenállásokra vonatkozó egyenletet: Re = R + R3 (433Ω) Az eredő ellenállás úgy számítható, hogy először kiszámítjuk a párhuzamosan kötött ellenállások eredő ellenállását, amivel ezután, mint sorba kötött ellenállással számolunk.

24 E 2.12 Miért kötünk feszültségforrásokat párhuzamosan? 2 PIB akku (1.2 V) 2 PIB izzó foglalat, E10 2 izzó, E10, 2.5V/0,2A : Miért kötünk feszültségforrásokat párhuzamosan, amikor tudjuk, hogy az eredő feszültség ettől nem nő meg? Ebben a kísérletben ezt a kérdést vizsgáljuk. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A két, satírozással jelölt elemet a kísérlet megkezdésekor NEM dugaszoljuk be az áramkörbe. Láthatóan az izzót a PIB akku fogja táplálni. 1. kísérlet A kapcsolót bekapcsoljuk (és bekapcsolva hagyjuk a következő kísérletekhez is). Megfigyeljük, hogy az izzó mekkora fényerővel világít. 2. kísérlet Bedugaszoljuk az áramkörbe az izzót tartalmazó második PIB elemet. Megfigyeljük, hogy az első izzó fényereje hogyan változott meg. Láthatóan a fényerő lecsökkent, jóllehet ugyanakkorának kellett volna maradnia! 3. kísérlet Most bedugaszoljuk az áramkörbe a másik akkumulátort tartalmazó PIB elemet és megfigyeljük, hogy most hogyan változott meg mindkét izzó fényereje. Láthatóan a fényerő megnőtt. Egy telep (akkumulátor) feszültsége lecsökkenhet, ha a belőle kifolyó áram egy adott érték fölé nő, azaz a terhelése nagy. Ha a feszültségforrásokat párhuzamosan kötjük, akkor a telepek (akkumulátorok nagyobb áramot tudnak szolgáltatni, azt mondjuk, hogy nagyobb árammal terhelhetők.

25 E 2.13 A potenciométer 1 PIB ellenállás, 100 Ω 2 banándugóval ellátott krokodil csipesz 1 tekercs biztosítóhuzal, 0,1 mm, piros 1 feszültségmérő 1 feszültségmérő 4 bekötő vezeték 1 elektronikus tápegység : Egy potenciométer segítségével a potenciométeren bármilyen feszültség beállítható 0 és a maximum között. A kísérletben azt vizsgáljuk, hogy hogyan működik a potenciométer. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A feszültségmérőt állítsuk 3 V DC méréshatárba. A tápegységen állítsunk be 10V DC feszültséget. A banándugóval ellátott krokodilcsipeszeket az A és C pontokba dugaszoljuk. A biztosító huzalból levágunk kb. 25 cm-t és a krokodil csipeszek közé fogjuk. A 100Ω-os ellenállás terhelésként működik, ennek megfelelően az ellenálláshuzalon csak a tápfeszültség egy része esik. A maximális feszültség az ellenálláshuzal két vége között mérhető. Ha a mérőműszer másik bemenetét az ellenálláshuzal különböző pontjaira csatlakoztatjuk, különböző feszültségeket mérhetünk. Ha mindkét bemenetet az A pontra csatlakoztatjuk, a mért feszültség nulla lesz. Ahogy a másik bemenetet csúsztatjuk az ellenálláshuzalon, a feszültség egy adott maximális értékig folyamatosan nő. A legnagyobb feszültséget a C pontban mérhetjük. Az előzőek alapján egy potenciométernek három kivezetésének kell lennie. Kísérlet Kapcsoljuk be a kapcsolót. A feszültségmérő műszer ábrán látható mérővezetékének banándugóját lassan csúsztassuk az A ponttól a C pontig. A műszer által mutatott érték folyamatosan változik 0 és a maximum, kb. 2 V DC között. Potenciométer használatával adott feszültségeket tudunk beállítani.

26 E Izzó fényerejének szabályozása potenciométerrel 1 PIB izzófoglalat, E10 1 PIB izzó, E10, 10V/0,05A 1 PIB potenciométer, 470 Ω 2 bekötő vezeték 1 elektronikus tápegység : A kísérletben egy izzó fényerejét változtatjuk egy potenciométer segítségével. A potenciométer segítségével tulajdonképpen az izzón eső feszültséget változtatjuk. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységen beállított 10V DC feszültség teljes egészében a potenciométeren esik. A potenciométernek három kivezetése közül a középső kivezetésre csatlakoztatjuk az izzót. Ha a potenciométer forgatógombját az óra járásával ellentétes irányba ütközésig elforgatjuk, az izzón eső feszültségértéke nulla lesz, azaz nem esik rajta feszültség, következésképpen az izzó nem világít. Ha a potenciométer forgatógombját az óra járásával megegyező irányba ütközésig elforgatjuk, az izzón eső feszültségértéke maximum lesz (10V DC), azaz a teljes feszültség az izzón esik, következésképpen az izzó teljes fénnyel világít. A kísérlet kezdetén a potenciométer forgatógombját forgassuk az óra járásával ellentétes irányba ütközésig. Kísérlet Kapcsoljuk be a kapcsolót, és a potenciométer forgatógombját lassan forgassuk az óra járásával megegyező irányba. Az izzó fényereje folyamatosan nő. Ha a forgatógombot az ellentétes irányba forgatjuk, az izzó fénye csökken, és a potenciométer véghelyzeténél (vagy kicsit már azelőtt) kialszik. Ha az izzón eső feszültséget feszültségmérővel mérjük a kísérlet közben, láthatjuk, hogy hogyan változik a feszültség az izzón. Egy terhelésen (izzón) a feszültség értéke egy potenciométer segítségével változtatható.

27 E A terheletlen potenciométer 1 PIB ellenállás, 100 Ω 1 PIB ellenállás, 500 Ω 1 PIB potenciométer, 470 Ω 1 feszültségmérő 4 bekötő vezeték 1 elektronikus tápegység : Megvizsgáljuk, hogy hogyan változtathatjuk a feszültséget egy potenciométer segítségével. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységen 10 V DC fezültséget állítunk be. A PIB potenciométert sorba kötjük egy 500Ω-os PIB ellenállással. Ily módon a tápfeszültségnek kb. a fele esik a potenciométeren. A potenciométer forgató gombját az óra járásával ellenkező irányba forgassuk el ütközésig. A 10 V DC méréshatárba állított feszültségmérőt csatlakoztassuk először az A és C pontokra. 1. kísérlet A kapcsolót bekapcsoljuk és megmérjük a feszültséget az A és C pont között. Jegyezzük fel a mért értéket, majd mérjük meg a feszültséget a B és C pont között. Így megmértük azt a feszültséget, amelyik a C pont és potenciométer csuszkája között van. A potenciométer gombját lassan forgassuk az óra járásával megegyező irányba és olvassuk le a feszültségmérő által mutatott értéket. A tápfeszültség a potenciométer és az 500Ω-os ellenállás között oszlik meg, azaz a potenciométeren kb. a tápfeszültség fele esik. 2. kísérlet Az 500Ω-os állást cseréljük ki a 100Ω-os ellenállásra. Most a tápfeszültségnek a nagyobbik része a potenciométeren esik. Mivel a potenciométer kb. 5-ször nagyobb, ezért kb. 8.3 V esik rajta (azaz 5/6- od része a 10 V-nak). A potenciométer alsó pontja és a csúszkája közötti feszültség változtatható. Magán a teljes potenciométeren eső feszültség függ a potenciométerrel sorba kapcsolt ellenállás értékétől is.

28 E A terhelt potenciométer 1 PIB izzófoglalat E10 1 PIB ellenállás, 10 kω 1 PIB potenciométer, 470 Ω 1 izzó, E10, 10V/0.05A 1 feszültségmérő 4 bekötő vezeték 1 elektronikus tápegység : Megvizsgáljuk, hogy a potenciométer csuszkája és az egyik végpontja között mekkora feszültség esik, ha e két pont közé egy terhelő ellenállást kötünk. A kísérlet összeállítása: az ábra szerint. A tápegységen 10 V DC fezültséget állítunk be. Forgassuk a potenciométer forgatógombját az óra járásával ellenkező irányba ütközésig. A 10 V DC méréshatárba kapcsolt feszültségmérőt csatlakoztassuk az A és C pontra. Az ábrán látható 10 kω helyét az A és B pont között egyelőre hagyjuk üresen. Állítsuk be a tápfeszültséget 10 V DC értékre. 1. kísérlet A kapcsolót bekapcsoljuk, és a potenciométer beállító gombját lassan az óra járásával megegyező irányba forgassuk ütközésig, amikor is a legnagyobb kimenő feszültséget kapjuk. Jegyezzük fel a mért értéket. Most a PIB izzót dugaszoljuk be az A és B pont közé. Olvassuk le ismét a feszültséget és írjuk le az értékét. A feszültség a potenciométeren a terhelő ellenállás miatt leesett. A terhelő ellenállás a potenciométer ellenállásával párhuzamosan kapcsolódik. A két párhuzamosan kapcsolt ellenállás értéke kisebb, mint az ellenállások értéke külön-külön. 2. kísérlet Az izzólámpát cseréljük ki egy 10 kω-os ellenállásra. Most a terhelő ellenállás értéke lényegesen nagyobb, mint a potenciométer számításba vehető ellenállásértéke. A mért feszültség közel akkora, mint amikor a potenciométerrel nem kapcsolódik párhuzamosan semmilyen terhelő ellenállás. Ha egy potenciométer középleágazása és egyik vége közé egy terhelő ellenállást kötünk, akkor a középleágazáson mérhető feszültség leesik. Ha a terhelő ellenállás értéke lényegesen nagyobb, mint a potenciométer figyelembe vehető ellenállásértéke, a feszültség közel akkora marad, mint amikor nem kapcsolunk potenciométerrel párhuzamosan semmilyen terhelő ellenállást.

29 MAG 1.1 Mágnesek, mágneses pólusok 1 iránytű 1 hengeres mágnesrúd Gémkapcsok A kísérletekben egy mágnes tulajdonságait vizsgáljuk. 1. kísérlet Tegyük az iránytűt az asztalra és figyeljük meg, hogy a mutató milyen irányba áll be. A mutató észak-dél irányba áll be. A mutató kékkel jelölt része észak felé mutat. Azt mondjuk, hogy a mutatónak ezt a részét északi pólusnak a másik részét déli pólusnak nevezzük. 2. kísérlet Egy gemkapoccsal közelítsünk a mágnesrúd felé. A gemkapoccsal először a mágnesrúd közepe felé majd valamelyik vége felé közelítsünk. Azt tapasztaljuk, hogy a mágnes a végeinél sokkal nagyobb erővel vonzza a gemkapcsot, mint a közepénél. 3. kísérlet A kísérletet a gémkapcsokkal végezzük. Megnézzük, hogy a gémkapcsok vonzzák-e vagy taszítják-e egymást. A kísérlethez olyan gémkapcsokat vegyünk, amelyek még nem kerültek kapcsolatba a mágnessel, azaz nem vonzzák egymást. Közelítsünk a gémkapcsokhoz a mágnesrúd egyik végével. Állítsuk sorba a gémkapcsokat és az első gémkapocshoz, közelítsünk a mágnesrúd egyik végével. Láthatóan a gémkapcsok egymáshoz tapadnak. Ha most a mágnest eltávolítjuk, a gémkapcsok továbbra is egymáshoz fognak tapadni, azaz a gémkapcsok felmágneseződtek. ek 1. Az iránytű mutatója (ami szintén mágnes) észak-dél irányba áll be. 2. A mágnes vonzza a vasat (acélt) és a vas felmágneseződik. 3. A mágnes vonzó ereje a mágnes végeinél (pólusainál) a legnagyobb.

30 MAG 1.2 Mágnesek kölcsönhatása 1 iránytű 2 hengeres rúdmágnes 1 alaplemez a rúdmágnes tartásához A kísérletben két mágnes kölcsönhatását vizsgáljuk. 1. kísérlet Az iránytűt az asztalra helyezzük, és addig forgatjuk, amíg a mutató a bejelölt észak-dél irányba nem mutat. Emlékezzünk rá, hogy a mutató kékkel jelölt része mutatja az északi irányt. Most a rúdmágnessel közelítsünk az iránytűhöz olymódon, hogy a rúdmágnes pirossal jelölt (északi) pólusa mutasson az iránytű mutatójának északi pólusa felé. Ezután a rúdmágnest fordítsuk meg és ismételjük meg a kísérletet. Soroljuk fel mit tapasztaltunk: A rúdmágnes északi pólusa és az iránytű északi pólusa taszítják egymást. A rúdmágnes északi pólusa és az iránytű déli pólusa... egymást. A rúdmágnes déli pólusa és az iránytű északi pólusa... egymást. A rúdmágnes déli pólusa és az iránytű déli pólusa... egymást. 2. kísérlet Az alaplemezbe helyezzünk be egy rúdmágnest, és az alaplemezt helyezzük az asztalra. Most a másik rúdmágnessel közelítsünk oldalról az alaplemezbe helyezett mágnes azonos pólusához. A mágnest tartó alaplemez a mágnessel együtt elmozdul. Végezzük el a kísérletet az iránytűvel végzett kísérlethez hasonlóan a pólusok cserélgetésével és figyeljük meg a hatást ill., hasonlítsuk össze az iránytűvel végzett kísérlet eredményeivel. : azonos mágneses pólusok taszítják, ellentétes mágneses pólusok vonzzák egymást.

31 MAG 1.3 A mágnes vonzó ereje 2 hengeres rúdmágnes 1 vasrudacska 1 alaplemez a rúdmágnes tartásához 1 csapágyazott tartó rúdmágneshez 1 (rúdmágnes) tartó tengellyel Gémkapcsok A kísérletben egy mágnes vonzó erejét vizsgáljuk. 1. kísérlet Tegyünk az asztalra egy gémkapcsot és a rúdmágnessel közelítsünk hozzá. Egy adott távolságon belül a mágnes a gémkapcsot magához vonzza, a gémkapocs elmozdul, és a mágneshez tapad. 2. kísérlet Helyezzük a rúdmágnest az asztalra, és felülről közelítsünk hozzá egy gemkapoccsal. Ha a távolság a gémkapocs és a rúdmágnes között már elég kicsi, a rúdmágnes felemelkedik, és a gémkapocshoz tapad. Úgy tűnik, a gémkapocs vonzza a mágnest, azaz a mágnes és az acél gémkapocs között kölcsönhatás van. 3. kísérlet A vasrudacskát helyezzük bele a tartólemezbe. Ha a rúdmágnessel oldalról közelítünk a tartólemez felé, a tartólemez a vasrudacskával együtt elmozdul a mágnes irányába. Most a mágnest tegyük a tartólemezbe, és a vasrudacskával közelítsünk oldalról a tartólemez felé. A tartólemez a benne lévő mágnessel együtt elmozdul a vasrudacska felé. 4. kísérlet Most a két rúdmágnest dugaszoljuk be a tengelyes tartóba, és a csapágyazott résszel helyezzük bele a műanyag tartódoboz erre a célra kialakított nyílásába. Közelítsünk a vasrudacskával felváltva a mágnes két pólusához. Láthatóan a vasrudacska a mágnes mindkét pólusát vonzza. A mágnesesség nem más, mint kölcsönhatás vas és mágnes között. Az, hogy a mágnes mozdítja el a vasrudacskát, vagy a vasrudacska mozdítja el a mágnest, csak attól függ, hogy melyik van rögzítve, ill. melyik tud elmozdulni.

32 MAG 1.4 A mágnes távhatása 1 tartósín, 30 cm 1 tartórúd, 25 cm 1 csúszóelem rögzítő csavarral 1 univerzális tartóelem SE 1 hengeres mágnesrúd 1 motor/generátor pólus lemez 1 olló Cérna 1 gémkapocs 1 ív papír 1 lemezkészlet (műanyag, vas) Mint azt már tudjuk, a mágnes vonzza a gémkapcsot. Az alábbi kísérletekben a mágnes vonzóerejét vizsgáljuk a távolság függvényében, valamint azt, hogy a mágneses erő áthatol-e minden anyagon. 1. kísérlet Erősítsük be a tartórudat a tartósínbe és a tartórúd felső részére, erősítsük rá az univerzális tartóelemet (lásd ábra). Az univerzális tartóelembe a rögzítő csavar segítségével erősítsük be a hengeres rúdmágnest. A csúszóelemet helyezzük a tartósínre a rúdmágnes alá. Erősítsük a gémkapcsot egy kb. 15 cm hosszú cérnaszál egyik végére, a cérnaszál másik végét erősítsük a csúszó-elem rögzítő csavarja alá (lásd ábra). A gemkapoccsal most közelítsünk a rúdmágnes felé. A mágnes magasságát úgy állítsuk be, hogy a gémkapocs ne érjen hozzá a mágneshez. Ha most a gémkapcsot elengedjük, a gémkapocs a mágnes alatt függve marad (nem esik le) a mágnes vonzóereje miatt. Más szavakkal, a mágnes vonzóereje nagyobb, mint a gémkapocs súlya által kifejtett erő. 2. kísérlet A rúdmágnest az univerzális tartóelemmel mozgassuk fölfelé. Amikor a mágnes és a gemkapocs közötti távolság egy adott érték fölé nő, a gémkapocs leesik. Azt mondhatjuk, hogy a mágnes vonzó-ereje a távolság növelésével lecsökkent, és ez már nem elég ahhoz, hogy megtartsa a gémkapocs súlyát. 3. kísérlet Állítsuk be az 1. kísérlet szerinti állapotot. Most helyezzünk a rúdmágnes és a gemkapocs közé egy műanyag lapot. Mint látható semmi sem változott, a mágneses erő áthatol a műanyag lemezen, a gémkapocs továbbra is függve marad a mágnes alatt. Most helyezzünk a rúdmágnes és a gémkapocs közé egy vaslemezkét. A gémkapocs azonnal leesik, még abban az esetben is, ha a gémkapocs és a rúdmágnes közötti távolságot csökkentjük. Megállapíthatjuk, hogy a mágneses vonzóerő a vaslemezen nem hatol át. ek 1. A mágneses erővel adott súly felemelhető. 2. A mágneses erő a mágnestől mért távolsággal csökken. Minél nagyobb a távolság, annál kisebb a mágneses erő. 3. A mágneses erő leárnyékolható egy vaslemezzel. A mágneses erő áthatol a papíron, műanyagon és számos más anyagon is (réz, ólom, cink, műanyag stb.) kivéve az u.n. mágnesezhető anyagokat.

33 MAG 2.1 A mágneses indukció 1 tartósín, 30 cm 1 tartórúd, 25 cm 1 tartórúd, 10 cm 1 univerzális tartóelem SE 1 hengeres mágnesrúd Gémkapcsok A kísérletben a vas és a mágnes közötti kölcsönhatást vizsgáljuk. Megpróbálunk magyarázatot találni erre a kölcsönhatásra. Kísérlet Erősítsük be a tartórudat a tartósínbe és a tartórúd felső részére, erősítsük rá az univerzális tartóelemet (lásd ábra). Az univerzális tartóelembe a rögzítő csavar segítségével erősítsük be a 10 cm hosszú rudat. Vegyünk a markunkba néhány gémkapcsot és tartsuk a vasrúd alá, majd a rúdmágnessel felülről közelítsünk a vasrúdhoz. Láthatjuk, hogy amint a rúdmágnes elég közel kerül a vasrúdhoz, a vasrúd mágnesessé válik, a gemkapcsok hozzátapadnak a vasrúd végéhez ill. egymáshoz. Ha most a mágnest eltávolítjuk, a vasrúdról a gemkapcsok lehullnak és akkor sem tapadnak hozzá a vasrúdhoz, ha kézzel hozzáérintjük őket. Amíg a mágnes elég közel volt a vasrúdhoz, a vasrúd és a gemkapcsok úgy viselkedtek, mintha maguk is mágnesek lennének. Ha egy vasrúd egy mágnes közelébe kerül, maga is mágnesként viselkedik. Ha a mágnest eltávolítjuk a vasrúd közeléből, a vasrúd elveszíti mágneses tulajdonságát. Ezt a jelenséget mágneses indukciónak nevezzük.

34 MAG 2.2 Mágnes készítése 1 hengeres mágnesrúd 1 hengeres vasrudacska 1 iránytű A kísérletben mágnest készítünk vasrúdból. Kísérlet. Az iránytű segítségével ellenőrizzük, hogy a vasrudacska mágneses-e vagy sem. Ehhez a vasrudacskával közelítsünk az iránytű felé. Ha az iránytű mutatójának sem az északi, sem a déli pólusát nem taszítja a vasrúd, akkor a vasrúd nem mágneses. Ha ez nem így lenne, az azért van, mert az előző kísérletek miatt a vasrúdban mágnesesség maradt. Ebben az esetben jelöljük be az iránytű mutatójának helyzetét, amikor a vasrúd az iránytű mellett van. Most mágnesezzük fel a vasrudat. Ehhez a mágnes egyik pólusát néhányszor húzzuk végig a vasrúdon. (Vigyázzunk, hogy a műveletet mindig azonos irányból végezzük!). Ha most ismét közelítünk a vasrúddal az iránytűhöz, a mutató valamelyik pólusát a vasrúd taszítani fogja. Jegyezzük meg, hogy melyik pólust taszította a vasrúd, majd a mágnes másik pólusával végezzük el ismét a vasrúd mágnesezését. Ezután közelítsünk az iránytű mutatójának másik pólusához. Azt tapasztaljuk, hogy az iránytű mutatóját ismét taszítani fogja a vasrúd, azaz a vasrudat ellentétes irányba mágneseztük fel. : Egy vasrúd egy mágnes segítségével felmágnesezhető. A mágnesesség (a vasrúd anyagától függően) hoszszabb-rövidebb ideig megmarad a vasrúdban.

35 MAG 2.3 A rúdmágnes belső felépítése 1 hengeres mágnesrúd 1 hengeres vasrudacska 1 iránytű Mi történik, ha egy mágnest kettévágunk. Ekkor egypólusok keletkeznek? Kísérlet. Csavarozzuk össze a négy menetes rudat. Az iránytű segítségével győződjünk meg róla, hogy a rudak nem mágnesesek. Ehhez az összecsavarozott vasrudakkal közelítsünk az iránytű északi ill. déli pólusa felé. Ha az iránytű mutatója mindig a vasrudacska irányába mozdul el, akkor a vasrudak nem mágnesesek. Most mágnesezzük fel a vasrudakat. Ehhez a mágnes egyik pólusát néhányszor húzzuk végig a vasrudakon. (Vigyázzunk, hogy a műveletet mindig azonos irányból végezzük!). Ha most ismét közelítünk a vasrudakkal az iránytű valamelyik pólusához, azt tapasztaljuk, hogy a mutató egyik pólusát a vasrúd taszítja. (Ha az iránytű mutatójának északi pólusához közelítve, a mutató a vasrúdtól eltávolodik, akkor az a vasrúd északi pólusa.) Most csavarozzuk szét a vasrudakat középen (két-két vasrúdból álló rúdra) és az egyes rudakkal ismét közelítsünk az iránytű mutatójának északi pólusához. Ha azt tapasztaljuk, hogy az iránytű mutatója a vasrúd felé mozdul el, fordítsuk meg a vasrudat, és ismét közelítsünk vele az iránytű mutatójának északi pólusa felé, láthatjuk, hogy az iránytű mutatója a vasrúddal ellentétes irányba mozdul el. Megállapíthatjuk, hogy a szétcsavarozás után a két vasrúdból két, északi és déli pólussal rendelkező mágnes keletkezett. Ha a vas-rudat szétcsavarozzuk a négy különálló darabra és elvégezzük a kísérletet az iránytűvel, ugyanerre a következtetésre jutunk. : Ha egy mágnest kettévágunk, két, északi és déli pólussal rendelkező mágnest kapunk. Egy-pólusú mágnest soha nem kapunk, egypólusú mágnesek nem léteznek. Egy mágnesnek mindig két pólusa (északi és déli pólusa) van.