01 - Concepte de baz
Aplicaii practice ale curentului electricn toate experimentele
prezentate mai jos vom folosi un anumit echipament de test pentru
determinarea unor aspecte ale electricitii ce nu le putem vedea,
simi, auzi, gusta sau mirosi direct. Electricitatea, cel puin n
cantiti mici, nu poate fi sesizat de corpul uman. Din acest motiv,
cel mai important ochi din domeniul electricitii i al electronicii
pe care l vei folosi va fi multimetrul. n acest experiment aadar,
ne vom familiariza cu msurarea tensiunii.
Multimetrul analogic i digitalMultimetrul este un instrument
electric cu ajutorul cruia se poate msura tensiunea, intensitatea i
rezistena. Multimetrele digitale dispun de afiaje digitale, precum
ceasurile digitale, pentru indicarea acestor mrimi. Multimetrele
analogice indic mrimile de mai sus prin intermediul unui ac
indicator n lungul unei scale gradate.
Multimetrele analogice sunt de obicei mai ieftine dect
variantele digitale. De asemenea, ele sunt mult mai utile pentru
nceptori, ca i instrument de nvare. Dac avei posibilitatea, cumprai
un multimetru analogic nainte de a achiziiona unul digital. Pn la
urm, ar fi bine s posedai ambele tipuri de aparate pentru
realizarea acestor experimente.
Multimetrul pe care l-ai achiziionat are mai mult ca sigur nite
instruciuni de baz. Citii-le cu atenie nainte de a-l utiliza! Dac
multimetrul este digital, va necesita o baterie pentru funcionare.
Dac este analogic, nu avei nevoie de o baterie pentru funcionarea
lui.
Unele multimetre digitale au o ajustare automat (desemnat prin
notaia autoranging). Un astfel de instrument are doar cteva poziii
pe care le putem selecta. Cele cu ajustare manual au mai multe
poziii pentru fiecare mrime de baz: cteva poziii pentru tensiune,
cteva pentru curent i cteva pentru rezisten. Auto-ajustarea este
domeniul aparatelor de msur mai scumpe, fiind analoage mainilor cu
schimbtor automat. Un astfel de aparat de msur schimb vitezele
automat pentru identificarea celui mai bun domeniu de msur n cazul
fiecrei msurtori.
Cderea de tensiune a unei baterii electricePoziionai selectorul
multimetrului vostru pe poziia de curent continuu (DC), pe cea mai
mare valoare disponibil. n aceast situaie, multimetrul ndeplinete
funcia de voltmetru. Aducei sonda roie n contact cu borna pozitiv
(+) a bateriei, iar sonda neagr cu borna negativ (-). Aparatul de
msur ar trebui acum s v indice o anumit valoare. Inversai
contactele (poziia sondelor) ntre ele dac indicaia aparatului de
msur este negativ. n cazul unui multimetru analogic, o valoare
negativ este observat prin deplasarea acului indicator n stnga, i
nu n dreapta.
Dac avei un multimetru manual, iar selectorul a fost pus pe cea
mai mare valoare, indicaia acestuia va fi slab. Deplasai selectorul
la urmtorul nivel inferior, i reconectai bateria. Indicaia ar
trebui s fie mai puternic acum. Pentru obinerea celor mai bune
rezultate, mutai selectorul pe valoarea cea mai mic, dar astfel nct
s nu depii scara de msur a aparatului. Un multimetru digital va
indica o astfel de abatare prin notaia OL sau o serie de linii
ntrerupte, n funcie de model. Msurai mai multe tipuri de bateri
pentru a v obinui cu selectarea poziiilor optime.
Ce se ntmpl dac atingei doar o sond la un singur capt al
bateriei? Cum ar trebui s conectm aparatul de msur la bornele
bateriei pentru a obine o indicaie? Ce ne spune acest lucru despre
utilizarea voltmetrului i despre natura tensiunii? Exist tensiune
ntr-un singur punct?
Cderea de tensiune produs de un LEDLuai din nou multimetrul, i
poziionai selectorul pe cea mai mic valoare (DC). Atingei cu cele
dou sonde terminalii unui LED. Un LED, este un dispozitiv proiectat
astfel nct s produc lumin la trecerea unui curent foarte mic prin
el. Dar LED-urile pot i s genereze o tensiune de curent continuu
cnd sunt expuse la lumin, asemntor unei celule solare. ndreptai
LED-ul spre o surs puternic de lumin, cu multimetrul conectat la
bornele acestuia. Observai indicaia aparatului de msur:
Bateriile genereaz tensiune electric prin intermediul reaciilor
chimice. Cnd o baterie moare, acest lucru nseamn de fapt c
resursele sale chimice s-au terminat. Un LED, pe de alt parte, nu
se bazeaz pe o form de energie intern pentru generarea tensiunii
electrice. Acesta transform energia optic n energie electric. Att
timp ct va exista o surs de lumin ntreptat asupra acestuia, LED-ul
va produce tensiune.
Tensiunea produs de un generator electricO alt surs potenial de
tensiune electric prin transformarea energiei este generatorul.
Luai un motor mic de curent continuu. Acesta se gsete de obicei n
jucrii sau alte dispozitive electrice de mici dimensiuni, de unde l
putei mprumuta, sau l putei cumpra ca atare. Orice motor funcioneaz
ca i generator dac nvrtim axul acestuia.
Conectai voltmetrul vostru la bornele motorului, la fel ca n
cazul LED-ului sau al bateriei. nvrii axul motorului cu mn.
Aparatul de msur ar trebui s indice o cdere de tensiune. Dac nu
putei ine ambele sonde pe bornele bateriei, putei folosi terminali
tip crocodil, astfel:
Putei determina relaia dintre tensiune i viteza de rotaie a
axului? Ce se ntmpl cu indicaia voltmetrului dac mrii viteza
acestuia? Inversai apoi direcia de rotaie. Rezultatul este
schimbarea polaritii cderii de tensiune create de generator.
Voltmetrul indic polaritatea prin intermediul direciei acului
indicator (stnga sau dreapta, aparat analog) sau prin semn (plus
sau minus, aparat digital).
Cnd sonda roie este pozitiv (+) iar cea neagr negativ (-),
voltmetrul va indica direcia normal a cderii de tensiune. Dac
polaritatea tensiunii aplicate este invers (negativ pe sonda roie i
pozitiv pe cea neagr), indicaia aparatului de msur va fi
invers.
02. Msurarea rezisteneiScopul experimentului
Experimentul urmtor descrie modul n care putem msura rezistena
unor obiecte. Nu trebuie neaprat s avei toate obiectele descrise
mai jos pentru a nva efectiv despre rezisten. De asemenea, putei
ncerca i cu alte obiecte. Totui, nu msurai niciodat rezistena unui
obiect sau circuit alimentat (aflat n funcionare). Cu alte cuvinte,
nu ncercai s msurai rezistena unei baterii sau a oricrei surse
substaniale de tensiune folosind un multimetru setat pe funcia
rezisten (). Nerespectarea acestei atenionri se poate solda cu
distrugeri materiale i vtmri corporale.
Exemplificare conceptului de puncte electric comuneSetai
multimetrul pe funcia , pe cea mai mare valoare disponibil. n
aceast situaie, multimetrul ndeplinete funcia de ohmmetru. Atingei
cele dou sonde (neagr i roie) una de cealalt. n acest caz,
ohmmetrul ar trebui s indice o rezisten de 0 . Dac folosii n schimb
un multimetru analogic, vei observa o deplasare maxim a acului
indicator n partea dreapt.
Multimetrul poate fi folosit i pentru detectarea strii de
continuitate a circuitului, nu doar pentru msurarea efectiv a
valorilor rezistive. Putem testa, de exemplu, continuitatea unui
fir electric prin conectarea celor dou sonde la capetele acestuia.
Ce se ntmpl cu indicaia aparatului de msur n acest caz? Ce putem
spune despre un astfel de conductor electric dac acul indicator al
ohmmetrului nu s-ar deplasa deloc?
De menionat c multimetrele digitale, setate pe ohmmetru, indic
lipsa continuitii electrice dintr-un conductor sau component
printr-un afiaj non-numeric. Unele modele afieaz OL (din englez,
Open Loop - circuit deschis), iar altele o serie de linii
ntrerupte.
Folosii multimetrul vostru pentru a determina continuitatea unei
plci electronice de test: un dispozitiv utilizat pentru construirea
temporar a circuitelor. Folosii conductori subiri de cupru inserai
n locurile libere de pe plac, pentru a putea conecta sondele
aparatului de msur la plac. Testai continuitatea lor.
Un concept foarte important n teoria electricitii, strns legat
de cel al continuitii, este cel al punctelor comune din punct de
vedere electric. Punctele electrice comune, sunt puncte de contact
dintr-un circuit sau dispozitiv, ce posed o rezisten electric
neglijabil (extrem de mic) ntre ele.
Putem spune, prin urmare, conform experimentului de mai sus, c
punctele verticale de pe o plac de test sunt comune din punct de
vedere electric. Acest lucru se datoreaz faptului c exist
continuitate electric ntre ele. Asemntor, punctele orizontale nu
sunt electric comune, deoarece nu exist continuitate electric ntre
ele.
Acest concept, de puncte comune, este foarte important de
stpnit. Motivul const n faptul c exista cteva aspecte legate de
tensiune ce au legtur direct cu acest concept, i sunt foarte
importante pentru analiza circuitelor i depanarea lor. De exemplu,
ntre dou puncte electric comune, nu va exista niciodat o cdere de
tensiune (substanial).
Msurarea unui rezistorAlegei, de exemplu, un rezistor de 10 k
din trusa voastr. Valoarea rezistenei este indicat printr-o serie
de benzi colorate: maro, negru, portocaliu i nc o culoare
reprezentnd precizia rezistorului: auriu (+/- 5%) sau argintiu (+/-
10%). Se consider c precizia rezistorilor fr aceast culoare este de
+/- 20%. Ali rezistori pot avea cinci benzi colorate pentru
indicarea valorii i a preciziei. n acest caz, culorile pentru un
rezistor de 10 k (10.000 ) vor fi: maro, negru, negru, rou i o
culoare de precizie.
Conectai sondele aparatului de msur la terminalii (bornele)
rezistorului conform figurii de mai jos, i observai afiajul
aparatului:
Dac acul indicator se afl foarte aproape de zero, va trebui s
alegei o alt scar de msur (mai mic), la fel ca n cazul msurrii unei
tensiuni.
Dac folosii un multimetru digital, ar trebui s vedei o cifr
foarte aproape de 10 pe afiaj, i un semn k mic n partea dreapt.
Acesta semnific prefixul kilo, sau 1.000. Asemntor, ncercai
diferite scri de msur prin intermediul selectorului, pentru a vedea
care dintre ele ofer cea mai bun indicaie.
Inversai acum sondele ohmmetrului ntre ele. Se modific n acest
caz indicaia aparatului de msur n vreun fel? Ce ne spune acest
lucru despre rezistena unui rezistor? Ce se ntmpl dac conectm doar
o singur sond la unul dintre terminalii rezistorului? Ce ne spune
acest lucru despre natura rezistenei i despre felul n care este ea
msurat? Cum se compar aceste rezultate cu rezultatele obinute la
msurarea tensiunii?
n timp ce realizai msurtoarea propriu-zis, ncercai s nu atingei
ambele sonde cu degetele. Dac facei acest lucru, vei msura n
realitate combinaia paralel dintre rezistor i corp. Acest lucru
determin o indicaie mai mic a ohmmetrului dect ar trebui n mod
normal. Pentru msurarea unei rezistene de 10 k, eroarea va fi
minim, dar s-ar putea s fie mult mai mare dac msurm ali rezistori.
ncercai acest lucru dac dispunei de mai muli rezistori, de mrimi i
precizii diferite.
Msurarea rezistenei corpuluiPutei msura n siguran rezistena
propriului vostru corp. inei vrful uneia dintre sonde ntre degetele
de la o mn, iar sonda cealalt cu degetele de la cealalt mn. inei
vrful sondelor n lungime, i nu le prindei exact de vrf. Observai
indicaia ohmmetrului. Corpul are de obicei o rezisten mai mare de
10.000 de ohmi ntre cele dou mini. Ar trebui s obinei o valoare
aproximativ egal cu aceasta.
Umezii-v degetele cu ap, i remsurai rezistena corpului cu
ohmmetrul. Ce impact are acest lucru asupra indicaiei aparatului.
Umezii-v apoi degetele n ap srat i remsurai rezistena. Ce impact
are acest lucru asupra rezistenei corpului vostru?
Rezistena electric este frecarea ntmpinat de electroni pe msur
ce acetia se deplaseaz printr-un obiect. Cu ct rezistena dintre dou
puncte este mai mare, cu att deplasarea electronilor ntre acele dou
puncte este mai dificil. Cunoscnd faptul c electrocutarea este
cauzat de o deplasarea important de electroni prin corpului
victimei, o cretere a rezistenei corpului este o msur excelent de
prevenire a accidentelor neplcute.
Msurarea rezistenei diodeiMsurai rezistena unei diode cu un
ohmmetru. ncercai s inversai modul de conectare al sondelor pe
terminalii diodei i remsurai rezistena. Care este diferena dintre
diod i rezisten din acest punct de vedere?
Msurarea rezistenei grafituluiLuai o foaie de hrtie i trasai o
linie groas cu un creion (nu cu pix!). Msurai rezistena liniei cu
ajutorul ohmmetrului, poziionnd sondele la captului liniei
astfel:
Aducei vrful sondelor mai aproape una de cealalt, dar meninnd
contactul cu linia. Ce se ntmpl cu rezistena n acest caz, crete sau
scade? Dac rezultatele sunt incompatibile, va trebui s retrasai
linia, astfel nct densitatea ei s fie consistent. Ce v spune acest
lucru despre legtura dintre rezisten i lungimea unui material
conductor?
Msurarea rezistenei unei celule fotovoltaiceConectai sondele
aparatului de msur la bornele unei celule fotovoltaice. Msurai
variaia rezistenei datorat diferitelor expuneri la lumin. Asemntor
experimentului cu LED, este indicat s folosii conductori cu
crocodili pentru realizarea conexiunii componentului. n acest fel,
putei ine celula fotovoltaic n apropierea unei surse de lumin i
schimba n acelai timp scara aparatului:
Experimentai cu msurarea rezistenei diferitelor tipuri de
materiale. Avei ns grij s nu folosii ohmmetrul pe un component
aflat sub tensiune, precum o baterie, de exemplu. Putei msur
rezistena urmtoarelor materiale, de exemplu: plastic, lemn, metal,
ap curat, ap murdar, ap srat, sticl, diamant (de pe un inel),
cauciuc i hrtie.
03. Msurarea curentului
Scopul experimentului
Urmtorul experiment are ca principal scop realizarea i nelegerea
circuitului de mai jos, format dintr-o baterie, un bec i un
ampermetru:
Atenie la scurtcircuitarea accidental a ampermetruluiCea mai
utilizat metod de msurare a curentului const n ntreruperea
circuitului i introducerea unui ampermetru n serie cu circuitul. n
acest fel toi electronii ce trec prin circuit, vor trebui s treac i
prin ampermetru. Deoarece msurarea curentului n acest fel necesit
introducerea aparatului de msur n circuit, acest tip de msurare
este mai dificil dect msurarea tensiunii sau a rezistenei.
Unele multimetre digitale, precum cel din figur, sunt prevzute
cu un conector separat pentru msurarea curentului. Introducei sonda
roie n acest conector, marcat cu A.
n mod ideal, la bornele unui ampermetrului introdus n serie
ntr-un circuit, nu va exista cdere de tensiune. Cu alte cuvinte,
acesta se comport precum un fir conductor, prezentnd o rezisten
foarte mic de la un capt la cellalt. Prin urmare, un ampermetru se
va comporta precum un scurt-circuit dac este conectat n paralel cu
o surs substanial de tensiune. Nu ncercai totui s facei acest
lucru. Curentul foarte mare rezultat poate duce la distrugerea
aparatului:
Ampermetrele sunt de obicei protejate mpotriva unor astfel de
scenarii prin intermediul unei sigurane fuzibile localizate n
interiorul carcasei. ncercai ns s evitai astfel de scenarii.
Putei verifica starea siguranei fuzibile interne a multimetrului
trecnd pe (msurare rezistene), i msurnd continuitatea ntre cele dou
sonde (i prin sigurana fuzibil), astfel:
Realizarea circuitului i desfurarea experimentuluiRealizai
circuitul de mai sus constnd dintr-o baterie i un bec folosindu-v
de fire conductoare adiionale. Utilizai aceste fire pentru
conectarea becului la baterie. Verificai dac becul se aprinde
nainte de a conecta i ampermetrul n circuit. ntrerupei apoi
circuitul ntr-un anumit punct, i conectai ampermetrul ntre cele dou
puncte rmase libere dup deschiderea circuitului. Msurai valoarea
curentului.
Ca de obicei, dac aparatul de msur pe care l folosii este
manual, selectai la nceput valoarea cea mai mare a scalei. Mutai
selectorul pe poziii mai joase pn cnd obinei cea mai precis
msurtoare, avnd grij s nu depii scala. Dac indicaia este invers
(acul indicator deplasat n stnga, sau o valoare negativ pe afiaj),
inversai sondele ntre ele i ncercai din nou. Cnd ampermetrul indic
o citire normal (nu invers), electronii intr prin sonda neagr i ies
prin sonda roie. Acesta este modul de determinare a direciei
curentului folosind un aparat de msur.
Pentru o baterie de 6 V i un bec mic, curentul prin circuit este
de ordinul miliamperilor (mA). Multimetrele digitale arat de obicei
acest lucru printr-un mic m n partea dreapt a afiajului.
ncercai s ntrerupei circuitul n alt punct, i conectai
ampermetrul ntre acele puncte. Ce putei spune despre valoarea
curentului? De ce credei c se ntmpl acest lucru?
Realizarea circuitului pe o plac de testRefacei circuitul pe o
plac de test, astfel:
Este foarte posibil ca n acest moment s nu v dai seama cum ai
putea conecta un ampermetru la o plac de test. Cum putem conecta
ampermetrul pentru a msura ntreaga cantitate de curent i a nu crea
un scurt-circuit? Realizai circuitul de mai jos:
Din nou, msurai valoarea curentului prin diferite fire ale
acestui circuit. Urmai aceleai metode precum cele de mai sus. Ce
observai n legtur cu aceste msurtori? Rezultatele msurtorilor
realizate pe placa de test ar trebui s fie identice cu rezultate
obinute fr placa de test, din exemplul precedent.
Dac ar fi s construim circuitul de mai sus pe o reglet de borne,
rezultatul ar fi similar:
04. Circuit electric simplu
Scopul experimentului
n cele ce urmeaz vom realiza un circuit simplu, format dintr-un
bec i o baterie, precum cel prezentat n figura de jos:
Realizarea circuitului bec-baterieAcesta reprezint de fapt cel
mai simplu circuit pe care l vom studia n ntreg volumul: o baterie
i un bec. Conectai becul la baterie, conform figurii de mai sus.
Acesta ar trebui s se aprind n cazul n care ambele se afl ntr-o bun
stare de funcionare, iar tensiunea bateriei este suficient pentru
a-l aprinde.
n cazul n care exist o discontinuitate (circuit deschis),
indiferent n ce parte a circuitului, becul nu se va aprinde. Nu
conteaz locul apariiei unei astfel de discontinuiti. Experimentai
cu scenariile prezentate mai jos ca s v convingei de acest
lucru:
Desfurarea experimentuluiFolosind multimetrul setat pe poziia
DC, msurai cderea de tensiune la bornele bateriei, la bornele
becului i la capetele firului de scurt-circuit. Familiarizai-v cu
valorile normale ale tensiuni ntr-un circuit aflat n funciune.
Acum, ntrerupei circuitul i remsurai tensiunea ntre aceleai
seturi de puncte. Opional, msurai tensiunea n locul ntreruperii
circuitului, astfel:
Ce tensiuni sunt similare tensiunilor de dinainte? Ce tensiuni
sunt diferite dup aplicarea ntreruperii? Ce cantitate de tensiune
se regsete la locul ntreruperii? Care este polaritatea cderii de
tensiune de la locul ntreruperii, indicat de aparatul de msur?
Refacei circuitul prin reconectarea bateriei la bec, i ntrerupei
circuitul n alt loc. Msurai din nou cderile de tensiune.
Familiarizai-va cu valorile tensiunilor ntr-un circuit deschis.
Realizai acelai circuit pe o plac de test. Avei grij s
introducei becul i firele pe plac astfel nct s existe contact ntre
ele (continuitatea circuitului). Exemplul de mai jos este doar un
exemplu, i nu reprezint singura modalitate de realizare a unui
circuit pe plac:
Experimentai cu diferite configuraii ale circuitului pe placa de
test. Dac ntmpinai o situaie n care becul nu se aprinde, iar firele
conductoare se nclzesc, avei probabil de a face cu un
scurt-circuit. Cu alte cuvinte, exist un drum cu o rezisten mai mic
dect a becului. Curentul va prefera acest drum n detrimentul
becului. S vedem un astfel de exemplu:
i un exemplu tipic de scurt-circuit accidental realizat de
obicei de cei care nu sunt familiarizai nc cu folosirea plcii de
test:
V dai seama de unde rezult scurt-circuitul? Astfel de scenarii
trebuie ns evitate cu orice pre, ntruct scurt-circuitele pot duce
la distrugeri materiale i vtmri corporale.
Putei de asemenea realiza circuitul de mai sus folosindu-v de o
reglet de borne:
05. Legea lui Ohm (aplicaie)
Scopul experimentului
n acest experiment vom ncerca s ilustrm funcionarea legii lui
Ohm, construind circuitul de mai jos:
Realizarea circuituluiAlegei un rezistor din trusa voastr.
Msurai rezistena lui cu ajutorul multimetrului. Notai-v rezultatul
pentru a-l putea folosi pe viitor.
Construii un circuit format dintr-o baterie i un rezistor. n
figur, circuitul este realizat cu ajutorul unei reglete de borne,
dar orice mijloc de realizare a circuitului este la fel de bun.
Setai multimetrul pe scara de tensiune apropiat i msurai cderea de
tensiune la bornele rezistorului n timp ce este alimentat de la
baterie. Notai-v acest rezultat pentru a-l putea folosit mai
departe, alturi de valoarea rezistenei de mai sus.
Poziionai selectorul multimetrului pe cea mai mare scal de
curent disponibil. Deschidei circuitul i conectai ampermetrul ntre
cele dou puncte libere. Ampermetrul va fi acum n serie cu bateria i
rezistorul. Selectai cea mai bun scal de tensiune: cea care d cea
mai precis indicaie a curentului, fr a depi scala. Notai i aceast
valoare a curentului alturi de valoarea rezistenei i a
tensiunii.
Aplicarea i verificarea legii lui OhmLuai valorile pentru
tensiune i rezisten msurate mai sus i aplicai legea lui Ohm pentru
a determina valoarea curentului din circuit. Comparai valoarea
astfel calculat cu valoarea msurat cu ajutorul multimetrului:
I = E / R
unde,E = tensiunea n voliI = curentul n amperiR = rezistena n
ohmi
Asemntor, luai valorile msurate pentru tensiune i curent i
aplicai legea lui Ohm pentru calcularea rezistenei circuitului.
Comparai valoarea obinut cu cea msurat cu ajutorul
multimetrului:
R = E / I
i, n sfrit, luai valorile msurate mai sus pentru rezisten i
curent i aplicai legea lui Ohm pentru calcularea tensiunii
circuitului. Comparai valoarea calculat cu cea msurat:
E = IR
Rezultatele obinute prin msurtori i prin calcul ar trebui s fie
foarte apropiate, pentru toate cele trei situaii. Orice diferen
ntre respectivele valori ale tensiunii, curentului sau rezistenei
se datoreaz mai mult ca sigur erorilor aparatului de msur. Totui,
aceste diferene ar trebui s fie mici, cel mult cteva procente.
Desigur, unele aparate de msur sunt mai precise dect altele.
nlocuii rezistorul din circuit cu ali rezistori de mrimi
diferite. Refacei msurtorile de rezisten, tensiune i curent.
Refacei apoi calculele pentru aceste mrimi (cei trei pai de mai
sus). Observai relaia matematic simpl dintre variaia rezistenei i
variaia curentului din circuit. Tensiunea ar trebui ns s rmn
aproximativ egal pentru oricare din rezistorii introdui n circuit,
deoarece acesta este rolul unei baterii: s menin o cdere de
tensiune constant ntre bornele sale.
06. Rezistena neliniar
Scopul experimentului
Vom ncerca n cele ce urmeaz s artm c, n unele cazuri, valoarea
rezistenei nu este constant. Pentru soluionarea misterului variaiei
rezistenei, vom face apel la metoda tiinific. Pe parcurs, vom
realiza circuitul de mai jos:
Msurarea mrimilor electrice din circuitMsurai rezistena becului
cu ajutorul multimetrului. Valoarea acestei rezistene se datoreaz
filamentului subire din interiorul becului. Rezistena acestuia este
semnificativ mai mare dect rezistena unui conductor normal, dar mai
mic dect a oricrui rezistor din experimentele precedente. Notai-v
aceast valoare a rezistenei pentru utilizarea ei ulterioar.
Construii un circuit format dintr-o baterie i un bec. Selectai o
scal de tensiune apropiat i msurai cderea de tensiune la bornele
becului cnd acesta este alimentat (aprins). Notai-v i aceast
valoare, lng cea a rezistenei.
Setai-v multimetrul pe cea mai mare scal de curent disponibil.
Deschidei circuitul i conectai ampermetrul ntre capetele libere ale
circuitului deschis. Ampermetrul este acum parte din circuit, fiind
legat n serie cu bateria i becul. Selectai cea mai bun scal de
curent. Notai-v i aceast valoare a curentului alturi de celelalte
dou valori de mai sus.
Diferena dintre valorile reale i cele calculateLuai valorile
tensiunii i rezistenei obinute la msurtorile de mai sus i aplicai
legea lui Ohm pentru calcularea curentului din circuit. Comparai
aceast valoare calculat cu valoarea msurat a curentului din
circuit:
I = E / R
Ceea ce ar trebui s observai este existena unei diferene ntre
curentul msurat i cel calculat. Valoarea calculat este mult mai
mare. De ce se ntmpl acest lucru?
Pentru a face lucrurile i mai interesante, ncercai s msurai din
nou rezistena becului, folosind de aceast dat un alt model de
multimetru (dac dispunei de unul, desigur). Va trebui s scoatei
becul din circuit pentru a putea face o astfel de msurtoare,
deoarece tensiunile existente n exteriorul aparatului de msur
afecteaz valorile msurate ale rezistenei. Aceasta este o regul
general pe care va trebui s o inei minte: msurai rezistena doar dup
ce componentul respectiv nu mai este alimentat cu energie
electric!
Folosind un ohmmetru diferit, valoarea rezistenei becului va fi
probabil diferit. Acest comportament este foarte diferit de cel al
rezistorilor din ultimul experiment. De ce se ntmpl acest lucru? Ce
anume ar putea influena rezistena filamentului lmpii, i care e
diferena dintre cele dou condiii, aprins i stins? De asemenea, care
e diferena ntre msurtorile efectuate cu diferite tipuri de aparate
de msur? De ce se ntmpl acest lucru?
Aplicarea metodei tiinifice pentru rezolvarea problemeiProblema
de mai sus este un foarte bun exemplu de aplicare a metodei
tiinifice. Dac ai gsit un posibil rspuns pentru variaia rezistenei
becului ntre cele dou condiii, aprins i stins, ncercai s reproducei
acest scenariu prin alte mijloace. De exemplu, ai putea presupune c
rezistena becului variaz datorit expunerii la lumin (propria ei
lumin, cnd becul este aprins). Aceast variaie ar putea prin urmare
explica variaia dintre curenii msurai i cei calculai.
Dac acesta este cazul, ncercai s expunei becul la o surs de
lumin extern. Msurai apoi rezistena acestuia. Dac observai o
diferen substanial a rezistenei ntre cele dou scenarii, atunci
ipoteza voastr s-ar putea s fie adevrat, deoarece ai demonstrat-o
experimental. n caz contrar, ipoteza voastr s-ar dovedit fals.
Acest lucru nseamn c exist o alt cauz pentru variaia rezistenei.
Care este aceasta?
07. Disiparea puterii
Scopul experimentului
Scopul acestui experiment este familiarizarea cu legea lui
Joule, importana puterii nominale a componentelor precum i
importana punctelor electric comune.
Materiale necesarePentru realizarea acestui experiment, vei avea
nevoie de doi rezistori cu o putere de 0,25 W: unul de 10 i cellalt
de 330 . Nu folosii o baterie mai mare de 6 V. Este indicat ca
termometrul utilizat s fie ct mai mic cu putin, pentru a putea
msura rapid cldura produs de rezistor. Circuitul pe care l vom
realiza este urmtorul:
Practic, circuitul va arta conform figurii de mai jos. Atenie
ns, nu inei rezistorul ntre degete atunci cnd este alimentat.
Realizarea circuitului i a msurtorilorMsurai valoarea fiecrui
rezistor cu ohmmetrul. Notai-v valorile obinute pentru a le putea
folosi n viitor.
Conectai rezistorul de 330 la bateria de 6 V, precum n figura de
mai sus. Folosii conductori adiionali. Conectai prima dat
conductorii de legtur la terminalii rezistorului. Conectai apoi (i
nu nainte!) conductorii la baterie. Putem evita astfel atingerea
suprafeei rezistorului atunci cnd acesta este alimentat.
Poate v ntrebai de ce am ncerca s evitm contactul cu suprafaa
rezistorului cnd acesta este alimentat. Rspunsul este c acesta se
va nclzi. Acesta este i motivul pentru care avem nevoie de un
termometru, pentru a msur aceast temperatur.
Cu rezistorul de 330 conectat la baterie, msurai tensiunea cu
ajutorul voltmetrului. Putem realiza acest lucru n mai multe
feluri. Tensiunea poate fi msurat direct la bornele bateriei, sau
direct la bornele rezistorului. Tensiunea bateriei este aceiai cu
tensiunea la bornele rezistorului n circuitul de fa. ncercai s
msurai tensiunea n ambele puncte pentru a v lmuri c acest lucru
este adevrat. Acesta este un principiu al punctelor electric
comune, ceea ce avem i n circuitul de mai jos:
Calcularea puterii disipate - aplicarea legii lui JouleAcum c
avem toate datele necesare (rezisten, tensiune i curent), putem
calcula puterea disipat. Putem folosi oricare dintre cele trei
relaii - cunoscute sub numele de legea lui Joule - cunoscnd cel
puin dou valori dintre cele trei enumerate mai sus:
P = IE; P = I2R; P = E2 / R
ncercai s calculai puterea disipat n acest circuit, folosindu-v
de cele trei valori msurate mai sus. Indiferent de formula pe care
o aplicaii, rezultatul va fi aproximativ acelai. Presupunnd c avem
o baterie de 6 V i un rezistor de 330 , puterea disipat va fi de
0,109 W, sau 109 mW. Din moment ce puterea nominal a rezistorului
(specificat de productor) este de 0,25 W sau 250 mW, rezistorul
nostru poate disipa fr probleme o putere de 109 mW. Fiindc valoarea
efectiv a puterii este aproximativ jumtate din puterea nominal,
rezistorul se va nclzi puin, dar nu se va supra-nclzi. Atingei
mijlocul rezistorului cu vrful termometrului. Care este temperatura
acestuia?
Puterea (maxim) nominal a componentelor electricePuterea (maxim)
nominal (nscris pe component sau specificat de productor) a unui
component electric nu ne spune cantitatea de putere ce o va disipa
componentul respectiv. Ne spune n schimb, care este cantitate de
putere ce o poate disipa fr a duce la distrugerea acestuia. Dac
puterea efectiv disipat n timpul funcionrii depete puterea nominal
a componentului, temperatura acestuia va crete att de mult nct va
duce la distrugerea lui.
Pentru a ilustra cele spuse mai sus, deconectai rezistorul de
330 . nlocuii-l cu un rezistor de 10 . Evitai atingerea acestuia
dup ce ai alimentat circuitul, deoarece se va nclzi repede. Atenie,
inei rezistorul de 10 departe de materiale inflamabile de orice
fel, atunci cnd este alimentat!
Probabil c nu vei avea timp suficient s msurai tensiunea i
curentul nainte ca rezistorul s scoat fum. Dac observai un astfel
de comportament, ntrerupei circuitul i lsai rezistorul cteva clipe
pentru a se rci. Msurai apoi rezistena acestuia cu ohmmetrul i
vedei dac exist o variaie fa de valoarea iniial a rezistenei. Dac
valoarea se ncadreaz nc n limita de +/-5 (ntre 9,5 i 10,5 ),
reconectai rezistorul napoi n circuit i lsai-l s mai fumege
puin.
Ce se ntmpl cu valoarea rezistenei pe msur ce rezistorul se arde
din ce n ce mai tare? Distrugerea total a rezistorului duce la o
valoare a rezistenei infinit ntre cei doi terminali.
Realizai acum calculele pentru aflarea puterii disipate de
rezistorul de 10 folosind legile lui Joule. Un rezistor de 10
conectat la o baterie de 6 V va disipa o putere de 3,6 W, de 14,4
ori mai mult dect puterea nominal a acestuia. Nu e de mirare atunci
c ia foc aa de repede dup conectarea la baterie.
09. Realizarea unui electromagnet
Scopul experimentului
Aplicarea regulii mini stngi i realizarea practic a unui
electromagnet.
Materiale necesareVei avea nevoie de un conductor lung de
electromagnet. Aceti conductori nu sunt altceva dect conductori de
cupru izolai prin lcuire, folosii pentru construirea
transformatoarelor sau a motoarelor electrice. Putei obine un
astfel de conductor dintr-un transformator (stricat).
Vei avea de asemenea nevoie de un bol, cui sau o bar metalic.
Atenie, oelul inoxidabil nu este magnetic, i prin urmare nu va
putea fi folosit pe post de miez electromagnetic!
Pe parcursul experimentului vom realiza circuitul de mai
jos:
Construirea electromagnetuluinfurai pentru nceput o band
izolatoare n jurul barei metalice (sau cui, ce avei la dispoziie).
Acest lucru va proteja conductorii mpotriva abraziunii. Asigurai-v
c dup finalizarea nfurrii, cele dou capete vor rmne libere pentru a
putea alimenta electromagnetul. nfurai apoi conductorul izolat n
jurul barei metalice de cteva sute de ori, pe ct de egal se poate
(nu toate nfurrile n acelai loc). Putei desigur s suprapunei
conductorii, ntruct sunt izolai prin lcuire.
Singura regul pe care trebuie s o respectai, este c toate
nfurrile trebuie s fie realizate n aceiai direcie. De exemplu,
toate s fie n sensul acelor de ceasornic. Dup ce ai fcut cteva sute
de nfurri n jurul elementului metalic, nfurai un nou strat de band
izolatoare peste conductori. ndeprtai lacul izolator de pe capetele
conductorilor. Conectai apoi aceste capete la o baterie.
Utilizarea electromagnetuluiLa trecerea curentului electric prin
nfurare, va lua natere un cmp magnetic destul de puternic: cte un
pol la fiecare capt al elementului metalic. Acest fenomen poart
numele de electromagnetism. Putei folosi un compas pentru
identificarea polilor magnetic Nord i Sud ai electromagnetului.
Dup ce electromagnetul a fost conectat la baterie, aducei un
magnet permanent n apropierea unuia dintre poli. Observai ce tip de
for apare ntre cei doi, de atracie sau de respingere? Inversai
orientarea magnetului permanent. Ce tip de for exist n acest caz?
ncercai s folosii electromagnetul pentru a atrage diferite obiecte
metalice ce le avei la ndemn (agrafe, ace de gmlie, etc.), la fel
cum ai folosi un magnet permanent.
10. Inducia electromagnetic
Scopul experimentului
Demonstrarea relaiei dintre intensitatea cmpului magnetic i
tensiunea indus (inducia electromagnetic).
Materiale necesareExperimentul de fa este asemntor
experimentului precedent (realizarea unui electromagnet). Vei avea
nevoie de un electromagnet i un multimetru. Circuitul realizat arat
astfel:
Desfurarea experimentuluiInducia electromagnetic este inversul
fenomenului de electromagnetism. n exemplul precedent am produs un
cmp magnetic cu ajutorul unei tensiuni electrice. n exemplul de fa,
vom inversa aceast situaie, i vom produce un curent electric cu
ajutorul unui cmp magnetic. Exista totui, o diferen important: n
cazul electromagnetismului, cmpul magnetic este produs de un curent
constant (curent continuu). Inducia electromagnetic necesit o
deplasare a magnetului sau a bobinei pentru a produce o tensiune
(curent alternativ).
Conectai multimetrul la capetele nfurrii. Selectai cea mai
sensibil scal de curent continuu disponibil. Deplasai magnetul
permanent nspre electromagnet i napoi. Observai polaritatea i
valoarea tensiunii induse. Deplasai magnetul cu viteze diferite. Ce
anume determin valoarea tensiunii induse?
ncercai acelai lucru cu captul cellalt al electromagnetului.
ncercai acelai lucru cu partea opus a magnetului permanent.
Comparai rezultatele.
Dac folosii un multimetru analogic, utilizai conductori de
legtur (prelungire) pentru a poziiona aparatul de msur ct mai
departe de bobin. Cmpul magnetic generat de magnetul permanent
poate afecta buna funcionare a aparatului i poate indica citiri
greite. Multimetrele digitale nu sunt afectate de cmpurile
magnetice.
02 - Aplicaii n curent continuu
Scopul experimentului
Modul de funcionare i utilizare a unei termocuple.
Materiale necesareVei avea nevoie de un conductor de cupru i
unul de fier (eventual de aluminiu), ambele dezizolate, o lumnare i
buci de ghea. Circuitul electric pe care l vom realiza este cel de
jos:
INCLUDEPICTURE
"http://www.circuiteelectrice.ro/sites/default/files/aplicatii_practice/05154.png"
\* MERGEFORMATINET Realizarea termocupleiRsucii un capt al
conductorului de fier pe un capt al conductorului de cupru.
Conectai celelalte dou capete rmase libere la o born de reglete.
Setai voltmetrul pe cea mai sensibil scal i conectai-l la borna de
reglete, conform figurii de mai sus. Indicaia voltmetrului ar
trebui s fie aproximativ 0 V.
Ceea ce am construit mai sus poart numele de termocupl: un
dispozitiv folosit pentru generarea unei cderi de tensiune mici.
Tensiunea produs este proporional cu diferena de temperatur dintre
punctul de contact al celor doi conductori i punctul de contact al
voltmetrului cu cele dou capete rmase libere. Dac temperatura
contactului este egal cu temperatur capetelor libere, tensiunea
produs va fi 0 V. Indicaia voltmetrului indic exact acest
lucru.
Generarea tensiunii cu ajutorul unei termocuplei
termocupleAprindei o lumnare i punei contactul (vrful) termocuplei
n flacr. Observai indicaia voltmetrului. ndeprtai contactul
termocuplei din flacr i lsai-l s se rceasc pn cnd indicaia
voltmetrului se apropie din nou de zero.
Atingei apoi contactul termocuplei cu un cub de ghea i observai
indicaia voltmetrului. Ce putei spune despre valoarea tensiunii
generate? Este mai mic sau mai mare dect n cazul precedent? Care
este diferena dintre polaritatea tensiunilor generate n cele dou
cazuri?
Dup ce ai ndeprtat cubul de ghea, nclzii contactul termocuplei
inndu-l ntre degete. Va dura puin pn cnd temperatura acestuia va
atinge temperatura corpului vostru. Avei rbdare ns i observai
indicaia voltmetrului.
Termocuplele sunt folosite pe post de dispozitive de msurare a
temperaturii. Relaia matematic dintre diferena temperaturii i
tensiunea rezultat este destul de liniar. Prin msurarea tensiunii,
putem determina temperatura la punctul de contact.
05. Divizor de tensiune cu poteniometruScopul experimentului
Modul de realizare i de funcionare a unui divizor de tensiune i
modalitatea de nsumare a tensiunilor n serie.
Materiale necesarePentru derularea acestui experiment vei avea
nevoie de dou baterii de 6 V, o min de grafit (creion mecanic), un
poteniometru liniar cu o singur nfurare (5 k - 50 k) i un
poteniometru liniar cu nfurri multiple (1 k - 20 k).
Circuitul pe care l vom realiza art astfel:
Realizarea divizorului de tensiunencepei experimentul cu
circuitul format din mina de creion. Grafitul din care este
realizat mina este un conductor prost de curent electric. Acesta va
juca prin urmare rolul unui rezistor conectat la bornele bateriei
de 6 V prin intermediul crocodililor. Conectai voltmetrul precum n
figur i atingei cu sonda roie mina de grafit. Deplasai sonda roie n
lungul minei i observai indicaia voltmetrului. Care este poziia
sondei pentru care indicaia voltmetrului este maxim?
Practic, mina de grafit se comport precum o pereche de
rezistori. Raportul dintre cele dou rezistene este stabilit de
poziia sondei roii pe lungimea acestuia:
Modificai apoi poziia sondelor voltmetrului, astfel nct s msurai
tensiunea pe rezistorul de sus al minei, astfel:
Repoziionai sonda neagr pe lungimea minei i observai indicaia
voltmetrului. Care este poziia pentru care tensiunea indicat de
voltmetru este maxim? Exist vreo diferen ntre aceast situaie i cea
precedent? De ce?
Circuitul cu poteniometruRealizai circuitul cu poteniometru
prezentat la nceputul capitolului, n locul celui cu min de creion.
Msurai tensiunea bateriei n timp ce poteniometrul este alimentat.
Notai-v aceast valoare pe o hrtie. Msurai tensiunea dintre perie i
captul poteniometrului conectat la borna negativ (-) a bateriei.
Ajustai mecanismul poteniometrului pn cnd voltmetrul indic exact
1/3 din tensiunea total. Pentru o baterie de 6 V, aceast valoare va
fi de aproximativ 2 V.
Conectai apoi dou baterii n serie, pentru a obine o tensiune de
12 V pe poteniometru. Msurai tensiunea total a bateriei i msurai
apoi tensiunea ntre aceleai dou puncte pe poteniometru (ntre perie
i borna negativ). mprii tensiunea msurat pe poteniometru cu
tensiunea total msurat pe baterie. Rezultatul ar trebui s fie 1/3,
aceiai valoare a divizorului de tensiune ce am gsit-o i nainte:
10. Baterie din cartof
Scopul experimentului
Realizarea unei baterii din cartof; importana reaciilor chimice
n funcionarea bateriilor precum i modul n care suprafaa
electrozilor influeneaz funcionarea bateriei.
Materiale necesareVei avea nevoie, pe lng cartof (sau lmie, de
exemplu), de o bucat de zinc sau de metal galvanizat i un conductor
de cupru. Pentru electrodul de zinc, putei folos un cui galvanizat.
Dei acest experiment folosete cartoful pe post de baterie, putei
folosi o varietate de fructe i legume pe post de poteniale baterii.
Ciurcuitul realizat este urmtorul:
Realizarea bateriei din cartofIntroducei att cuiul ct i
conductorul de cupru n cartof. Msurai tensiunea produs de baterie
cu un voltmetru. Asta e tot!
Experimentai ns cu diferite metale, diferite adncimi i distane
ntre electrozi. Cum putei obine cea mai mare tensiune posibil cu
ajutorul cartofului? ncercai alte legume i comparai tensiunile de
ieire pentru metale similare pe post de electrozi.
Desigur, alimentarea unei sarcini cu o astfel de baterie este
foarte dificil. Nu v ateptai aadar s alimentai un bec, un motor sau
orice altceva. Chiar dac tensiunea de ieire este suficient de bun,
rezistena intern a bateriei este destul de mare. Conectnd mai muli
cartofi n configuraii serie, paralel sau serie-paralel, putem obine
o tensiune i un curent destul de mare pentru alimentarea unei
sarcini mici. Putei realiza acest lucru?
36