A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése.

Átírás

1 A kísérlet, mérés megnevezése célkitűzései: Váltakozó áramú körök vizsgálata, induktív ellenállás mérése, induktivitás értelmezése. Eszközszükséglet: tanulói tápegység funkcionál generátor tekercsek digitális multiméterek vezetékek izzó foglalatban 1. ábra Kísérleti eszközök Eszközismertető Ennél a mérésnél egy olyan tápegységet is fogunk használni, amely váltakozó feszültséget szolgáltat, de a feszültség nagyságán kívül a annak frekvenciáját is tudjuk változtatni. 2. ábra Funkcionál generátor 1. oldal

2 Ha változtatni szeretnéd a feszültség paramétereit, akkor a kijelző mellett található nyomó és tekerő gombok segítségével teheted ezt meg. Ha a frekvenciát szeretnéd változtatni, akkor a nyomógombot a Freq. állásba kell kapcsolni (ezt a felirat mellett világító zöld LED mutatja), majd a tekerő gomb segítségévet tudod növelni vagy csökkenteni a frekvencia értéket. Az aktuális frekvenciát a kijelzőről leolvasható. Ha a feszültség nagyságát szeretnéd változtatni, akkor a nyomógombot az Ampl. állásba kell kapcsolni (ezt a felirat mellett világító zöld LED mutatja), majd a tekerő gomb segítségével tudod növelni vagy csökkenteni a feszültség nagyságát. Ebben az esetben nem tudod leolvasni a kijelzőről a feszültség nagyságát, mert ott csak egy százalékos érték fog megjelenni. Balesetvédelmi figyelmeztetés Az elektromos eszközök szakszerűtlen használata életveszélyes! Az elkészített elektromos áramkör csak akkor helyezhető áram alá, ha előtte a laboratóriumi szaktanár megnézte azt! A mérés elméleti háttere A váltakozó áramú áramkörökben az ellenállásoknak többféle típusa is létezik. Ezek mindegyikét az effektív feszültség és az effektív áramerősség hányadosával jellemezzük, közös néven impedanciának nevezzük és Z -vel jelöljük: Z = U eff I eff Váltakozó áram esetén az áramerősség az időnek szinuszos függvénye. Az áram pozitív félperiódusában a töltéshordozók a vezetőben az egyik irányban, a negatív félperiódus alatt pedig a másik irányban mozognak. Tetszőleges irányú mozgás esetén a fémes vezető kristályrácsa ugyanúgy akadályozza a töltéshordozók szabad áramlását. A vezető tehát váltakozó áramú áramkörben is rendelkezik ugyanolyan ellenállással, mint egyenáramú áramkörben. Ezt ohmos ellenállásnak nevezzük. Ha egy tekercsnek megmérjük az ellenállását egyenáramú, majd váltakozó áramú körben, akkor azt tapasztaljuk, hogy váltakozó árammal szemben nagyobb lesz az ellenállása. A tekercs ellenállásának azt a részét, mely csak váltakozó árammal szemben jelentkezik, induktív ellenállásnak nevezzük. Jele: X L, mértékegysége: Ω. 2. oldal

3 Az induktív ellenállás befolyásolja az áramkör áramerősség viszonyait, de az ohmos ellenállással ellentétben nem fogyaszt elektromos energiát. Az induktív ellenállása függ a rákapcsolt váltakozó feszültség körfrekvenciájától és a tekercs önindukciós együtthatójától: X L = L ω Tehát egy valódi tekercs impedanciája (ellenállása) (Z) két részből tevődik össze: ohmos ellenállásból (R) és induktív ellenállásból (X L ). Ezek között következő a kapcsolat: Z = X L 2 + R 2 = (L ω) 2 + R 2 Mérés menete 1. feladat Állítsd össze a 3. ábrán látható áramkört az 1600 menetes tekerccsel! Változtasd a tápegység feszültségét, mérd a tekercsen eső feszültségét és a körben folyó áramot is! Mérési eredményeidet foglald az 1. táblázatba! Számítsd ki a tekercs ohmos ellenállását! 3. ábra Mérési elrendezés N=1600 U (V) I (A) R (Ω) R átlag (Ω) 1. táblázat A tekercs ohmos ellenállása függ a vezeték oldal

4 2. feladat Induktív ellenállás Állítsd össze a 3. ábrán látható kapcsolást az 1600 menetes tekerccsel, de most a tápegység váltakozó áramú kivezetéseit használd! Állandó frekvencia mellett változtasd a feszültség nagyságát és a mérési adataidat írd be a 2. táblázatba! f= Hz U (V) I (A) Z (Ω) Z átlag (Ω) 2. táblázat Hasonlítsd össze az előző feladatban kapott ellenállás értékekkel az itt kapottakat! Mit tapasztalsz?... Mi ennek a magyarázata?... Vizsgáld meg, mitől függ a tekercs induktív ellenállása! 3. feladat Mérési eredményeidet felhasználva számítsd ki a tekercs induktív ellenállását! X L = Z 2 R 2 = 4. feladat Végezd el most az előző mérést úgy, hogy az áramforrás feszültségének nagyságát állandó, de a frekvenciáját változtatod! Mérési eredményeidet foglald a 3. táblázatba, számítsd ki a hiányzó adatokat! 4. oldal

5 f (Hz) U (V) I (A) Z (Ω) X L (Ω) 3. táblázat Hogyan függ a tekercs induktív ellenállása a váltakozó áram frekvenciájától? Ábrázold az induktív ellenállást a frekvencia függvényében! 1. grafikon Az induktív ellenállás... arányos a frekvenciával. 5. oldal

6 5. feladat Készítsd el a 4. ábrán látható kapcsolást!az áramforrás feszültségét úgy állítsd be, hogy az izzó (4,5 V-os) világítson! Ezután told be a tekercsbe a vasmagot! Mit tapasztalsz? ábra Mi ennek a magyarázata?... Az ismeretek ellenőrzése: 1. Mit nevezünk váltakozó áramnak? 2. Miért van nagyobb ellenállása egy tekercsnek a váltakozó árammal szemben? 3. Hogyan szól Lenz törvénye? 4. Mit nevezünk induktív ellenállásnak? 5. Mi az impedancia? Felhasznált szakirodalom: Fizika 11., Mozaik kiadó, 2012 Szeged 6. oldal