A mérés célkitűzései: Ohm törvényének felhasználásával különböző keménységű grafitok fajlagos ellenállásának meghatározása. Eszközszükséglet: különböző keménységű grafit ceruzák digitális multiméter 2 db vezetékek Bunsen állvány kémcső fogóval tanulói tápegység tolómérő Eszközismertető 1. Áramerősség mérése A különböző erősségű áramok összehasonlításához mérnünk kell az elektromos áram erősségét. Ezt elvileg az áram bármely hatása alapján megtehetjük. Az áramerősség mérésére áramerősség-mérő műszert használunk. Az úgynevezett középállású demonstrációs műszer és a szélső állású műszer az elektromos áram mágneses hatása alapján működik, míg a digitális műszerben egy integrált áramkör "számítja ki", hogy milyen erősségű áram folyik a műszeren keresztül. 1. ábra Digitális multiméter 1. oldal
Az áramerősség-mérő mindig azt az áramot méri, ami rajta keresztül folyik, ezért úgy kell az áramkörbe kötni, hogy rajta ugyanaz az áram folyjék keresztül, mint azon az áramköri elemen, amelynek az áramát szeretnénk megmérni. Ennek érdekében megszakítjuk az adott helyen az áramkört, és erre a helyre bekötjük az árammérőt. Azt mondjuk, hogy az árammérőt sorosan kötjük be az áramkörbe. 2. ábra Ampermérő bekötése 2. A feszültség mérése 3. ábra Voltmérő bekötése 3. Mérőműszerek használata A feszültség méréséhez feszültségmérő műszert használunk. Működési elvük azonos az áramerősség méréséhez használt műszerekével. Egy műszer általában alkalmas áram és feszültség mérésére is. Természetesen ehhez a megfelelő módon kell őket használni. A feszültség két pontra vonatkozó mennyiség, a mérőműszert ehhez a két ponthoz csatlakoztatjuk. Ha egy telep feszültségét akarjuk megmérni, akkor a műszert a telep megfelelő pólusaihoz csatlakoztatjuk a helyes polaritással. Ha egy áramkörben valamely két pont között akarjuk megmérni a feszültséget, akkor a zárt áramkör ezen két pontjához csatlakoztatjuk a műszert. Erre a bekötésre azt mondjuk, hogy a műszert párhuzamosan kapcsoljuk az áramkörhöz. A tanulói (mutatós) mérőműszer szélső állású mérőműszer. Ezért ennek bekötésekor figyelni kell a polaritásra. A műszer pozitív jelű kivezetéséhez azt a vezetéket kell csatlakoztatni, amelyik az áramforrás pozitív pólusával van kapcsolatban. Az áramforrás negatív pólusát a műszer megfelelő méréshatárát jelző kivezetésével kell összekapcsolni. A műszert mindig nagyobb méréshatárra kell bekapcsolni, mint a várható érték. A méréshatár a legnagyobb kitéréshez tartozó értéket jelenti. 2. oldal
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 grafit szürkés színű, a gyémántnál alacsonyabb olvadáspontú anyag. Zsíros tapintású, a papíron nyomot hagy, vagyis puha. E tulajdonsága alapján használják fel íróeszközök gyártására. Az iparban elektródokat készítenek belőle (a közismert zsebtelepek is tartalmaznak apró grafit rudakat), mivel az elektromos áramot vezeti - szemben a gyémánttal, ami szigetelő -. 4. ábra Grafit kristályszerkezete Szerkezete jellegzetes rétegrács. A hexagonális hálózatú rétegekben az atomok távolsága (1,42 Å) kisebb, mint a gyémántrácsban (1,542 Å), míg két szomszédos réteg 3,35 Ǻ távolságra van egymástól. A réteges szerkezet felel a puhaságért is. A ceruza papírra nyomásakor a nyomóerő hatására a rétegek mentén válik el a papírra tapadó grafit a ceruzabél többi részétől. A grafitban egy szénatom három másik szénatommal kapcsolódik egyszeres kovalens kötéssel. A szénatomok negyedik vegyértékelektronja nem vesz részt kémiai kötések kialakításában. Ezek az elektronok mozgékonyak. Ennek köszönhető az, hogy a grafit vezeti az elektromos áramot, és az is, hogy a grafit fekete színű. Minden anyagnak van elektromos ellenállása, még a jó vezetőknek is. A jó vezetőkből készítik a vezetékeket. Az elektromos ellenállásuk oka, hogy a bennük haladó elektronok, nekiütköznek a vezetéket alkotó atomoknak, és ez lassítja a haladásukat. A vezetékek ellenállása három dologtól függ: - Az anyagi minőségtől: nem mindegy, hogy milyen anyagból készül a vezeték, hiszen minden anyagban más az atomok egymástól való távolsága és mérete, így nyilván más mértékben lassítja az elektronok áramlását. 3. oldal
- A vezeték hosszától (l): minél hosszabb egy vezeték, annál hosszabb utat kell az elektronnak benne haladnia, és annál több atomnak is ütközik így neki. Minél hosszabb a vezeték, annál nagyobb lesz az ellenállása. - A vezeték keresztmetszetétől (A): minél vastagabb egy vezeték, annál több elektron tud benne mozogni egyidejűleg, tehát a vezeték ellenállása a keresztmetszetével fordítottan arányos. Ezek alapján a vezeték ellenállása: ahol ρ a vezeték fajlagos ellenállása. A mérés menete R = ρ l A, 1. feladat 5. ábra Mérési összeállítás A grafit ceruza két végéről el van távolítva a faborítás. A tolómérő segítségével mérd meg mindkét végén a grafitbél átmérőjét! Mérd meg a bél azon hosszát is a tolómérőn lévő skála segítségével, melyik a vezetésben részt vesz! Állítsd össze az 5. ábrán látható mérési elrendezést! Készíts erről egy kapcsolási rajzot a szabványos áramköri elemek felhasználásával! 4. oldal
A voltmérőt 20 V-os, az ampermérőt 200 ma-es méréshatárra állítsd be! A tanulói tápegység bekapcsolása után olvasd le a műszereket! Mindhárom grafitbél típussal végezd el a mérést, eredményeidet rögzítsd a következő táblázatokba, majd számold ki a ceruzabél fajlagos ellenállását! Ceruzabél adatai: Ceruza keménysége HB d 1 (mm) d 2 (mm) d (mm) A (mm 2 ) l (m) 1. táblázat ( A ceruzabél keresztmetszetét vegyük körnek, azaz A = ( d 2 )2 π.) U (V) I (A) R (Ω) R átl (Ω) ρ ( Ωmm2 m ) 2. táblázat 2. feladat Ceruzabél adatai: Ceruza keménysége H d 1 (mm) d 2 (mm) d (mm) A (mm 2 ) l (m) 3. táblázat U (V) I (A) R (Ω) R átl (Ω) ρ ( Ωmm2 m ) 4. táblázat 5. oldal
3. feladat Ceruzabél adatai: Ceruza keménysége B d 1 (mm) d 2 (mm) d (mm) A (mm 2 ) l (m) U (V) I (A) R (Ω) R átl (Ω) ρ ( Ωmm2 m ) 4. feladat Melyik ceruzának a legnagyobb a fajlagos ellenállása?... Az ismeretek ellenőrzése: 1. Milyen a szerkezete a grafitnak? 2. Miért vezeti a grafit az áramot? 3. Milyen tényezőktől függ egy vezeték ellenállása? 4. Mit ad meg a fajlagos ellenállás? 6. oldal