Warto przeczytać

Charakterystyka prądowo‑napięciowa elementu obwodu to zależność natężenia prądu płynącego przez ten element od napięcia przyłożonego do jego końców. Metody doświadczalnego wyznaczania takich charakterystyk opisano w e‑materiale „Jak doświadczalnie wyznaczyć charakterystykę prądowo‑napięciową elementu obwodu?”. Zwykle przedstawia się je w formie wykresów zależności natężenia prądu od napięcia $I(U)$. Więcej na temat sposobów graficznego przedstawiania i opisywania charakterystyk możesz dowiedzieć się z e‑materiału „Prezentacja graficzna charakterystyki prądowo‑napięciowej”.

Doświadczalne wyznaczanie charakterystyki prądowo‑napięciowej żarówki zaczyna się od zbudowania obwodu. Składa się on ze źródła regulowanego napięcia, badanego elementu i mierników: woltomierza i amperomierza (Rys. 1.).

RfMmenA6cFe9s

Rys. 1. przedstawia schemat obwodu elektrycznego do wyznaczania charakterystyki prądowo‑napięciowej żarówki. składający się z zasilacza (poziomy prostokąt na dole rysunku), żarówki (kółko z krzyżykiem), amperomierza A i woltomierza V.

Żarówka musi być „tradycyjna”, czyli zawierająca żarnik w formie cienkiego drucika zamknięty w szklanej bańce (przykłady na Rys. 2.). Inne rodzaje żarówek (LED, halogenowe, neonowe itp.) nie nadają się do wykonania naszego doświadczenia. Radzimy posłużyć się żarówkami przeznaczonymi do zasilania niskimi napięciami (3 V, 6 V, 7 V, 9 V), używanymi w starszych typach latarek lub jako kontrolki w samochodach. Żarówki żarnikowe o napięciu znamionowym 230 V zostały wycofane ze sprzedaży, a używanie mniejszego napięcia niż sieciowe będzie bezpieczniejsze.

R6EIFenXCdQO7

Rys. 2. przedstawia zdjęcie trzech małych żarówek żarnikowych leżących na podłożu w kolorze jasnoszarym. żarówki są pokazane od strony baniek szklanych. Najbardziej wyraźna jest żarówka z prawej strony, dwie pozostałe są "rozmyte". Bańki szklane są przezroczyste, widać żarniki wewnątrz bańki orazi srebrny gwint.

W zależności od wybranej żarówki, musisz odpowiednio dobrać zasilacz oraz zakresy mierników pomiarowych. Obwód będziesz zasilać napięciem stałym, zmieniającym się od zera do wartości napięcia znamionowego żarówki lub przekraczającej je o nie więcej niż 10%.

Układ pomiarowy kompletowany

Jeżeli będziesz używać mierników tradycyjnych (wskazówkowych lub jedynie wyświetlających cyfrowo wyniki), musisz zmieniać wartość podawanego napięcia, zapisywać wskazania mierników, a następnie sporządzić wykres uzyskanych danych pomiarowych. Trudno z góry przewidzieć, ile razy musisz to powtórzyć. Jeśli punkty pomiarowe będą się układały wzdłuż prostej, wystarczy ich kilka lub kilkanaście, by charakterystyka była poprawna. Jeśli jednak zauważysz odchylenie od zależności proporcjonalnej w pewnym zakresie, pomiarów musisz wykonać więcej, by odkryć charakter zależności.

Wykonując wykres, czyli prowadząc linię przez uzyskane punkty pomiarowe, trzeba uwzględnić niepewności pomiarowe, wynikające z dokładności mierników. Jeżeli używasz urządzenia analogowego, odczytaj z tarczy klasę miernikaklasa miernikaklasę miernika, a następnie zastosuj wzór:

Jeżeli używasz mierników cyfrowych, odczytaj dokładność z tabliczki znamionowej lub instrukcji obsługi.

Dokładność, czyli niepewność pomiarową granicznąniepewność pomiarowa granicznaniepewność pomiarową graniczną oznacza się $\Delta U$ (dla napięcia) oraz $\Delta I$ (dla natężenia prądu). Na ich podstawie wyznacza się niepewność standardowąniepewność pomiarowa standardowaniepewność standardową tych wielkości za pomocą ogólnego wyrażenia:

Niepewności standardowe zaznacza się na wykresie tak, jak pokazano to na Rys. 3.

RvzdaJSxZP3rY

Rys. 3. przedstawia sposób zaznaczania niepewności pomiarowych na wykresie. Prostokątny układ współrzędnych, w kolorze czarnym, jest oznaczony: oś pozioma "U [V]" z wyskalowaniem od od 0 do 12, co 1, a oś pionowa "I [mA]" wyskalowana od 0 do 70, co 10. Każda para niepewności ma postać krzyża.. Niepewności zaznaczono w postaci odcinków: odcinki pionowe w kolorze szarym oznaczają niepewność I, a odcinki czerwone poziome - niepewność pomiaru U.

Zintegrowane układy pomiarowe

Jeżeli będziesz używać współczesnych cyfrowych systemów pomiarowych, przeznaczanych do celów dydaktycznych (np. pokazanego na Rys. 4. systemu PASCO lub innych), Twoja rola ograniczy się do zmieniania w sposób ciągły napięcia zasilania i interpretacji wyników. System sam zapamięta wyniki i sporządzi żądany przez Ciebie wykres.

R10kgcC6IaUO2

Rys. 4. przedstawia zdjęcie układu pomiarowego zbudowanego z wykorzystaniem cyfrowych bezprzewodowych mierników napięcia i natężenia prądu oraz sterowanego komputerem (również bezprzewodowo) źródła napięcia stałego bądź zmiennego. Układ przypomina zestaw ośmiu pudełek w kolorze czarnym, widziany z góry. W kolorze białym naniesiono oznaczenia techniczne. Za pomocą "krokodylków" dołączone są kabelki - lewy w kolorze czarnym, prawy - w kolorze czerwonym. Kabelki połączone są ze źródłem napięcia przypinającego biały prostopadłościan z napisami technicznymi w kolorze czarnym.

Po zbudowaniu obwodu musisz w programie obsługującym czujniki wybrać wielkości fizyczne odkładane na osiach: napięcie na poziomej, a natężenie prądu na pionowej. Po kliknięciu START, zmieniaj napięcie zasilania tak, by pokryć cały zakres pomiarowy, od 0 V do napięcia znamionowego żarówki. Jeżeli zajmie Ci to 10 sekund, a częstotliwość odczytu danych wynosi 20 Hz (20 odczytów na sekundę), to uzyskasz 200 punktów pomiarowych. Możesz zdecydować, czy na wykresie program połączy je linią, czy zaznaczy w formie oddzielnych punktów.

Dokładność pomiaru obu wielkości fizycznych (napięcia i natężenia prądu) odczytasz z tabliczki znamionowej urządzeń lub instrukcji obsługi.

Żarówka nie jest liniowym elementem obwodu

Bez względu na użytą metodę pomiarową, otrzymany przez Ciebie wykres charakterystyki prądowo‑napięciowej żarówki prawdopodobnie nie będzie linią prostą. Gdyby tak było, żarówka spełniałaby prawo Ohma, z którym możesz zapoznać się w e‑materiale „Jaką zależność opisuje prawo Ohma?”. Jeśli chcesz poznać przyczynę odstępstwa, przeczytaj e‑materiał „Badanie jak zmienia się opór elektryczny przewodu wykonanego z metalu w zależności od temperatury”. Zasada działania użytej przez nas żarówki polega na rozgrzaniu jej żarnika do tak wysokiej temperatury, by uzyskać efekt emisji promieniowania świetlnego.

Słowniczek