To ciekawe

Domyślamy się, że przeprowadzanie doświadczeń zawsze jest dla Ciebie ciekawe. Zapraszamy więc do zapoznania się z tym, jak można wykonać jedno z nich – potwierdzające słuszność I prawa Kirchhoffa dla węzłów rozgałęzionego obwodu prądu elektrycznego.

Warto przeczytać

I prawo Kirchhoffa brzmi następująco:

Suma natężeń prądów wpływających do węzła obwodu elektrycznego jest równa sumie natężeń prądów wypływających z niego.

Więcej na jego temat możesz przeczytać w e‑materiale „Poznajemy I prawo Kirchhoffa”.

Naszym zadaniem jest doświadczalne wykazanie słuszności tego prawa. Musimy więc zbudować obwód elektrycznyObwód elektrycznyobwód elektryczny zawierający rozgałęzienia przewodów. W pracowni fizycznej możesz skonstruować obwód, jaki chcesz. Tu posłużymy się przykładem, którego schemat przedstawiony jest na Rys. 1. To sześć różnych oporników połączonych gwiaździście do węzła zaznaczonego niebieską kropką.

R1GHKpSjNmw7G

Rys. 1. Rysunek przedstawia przykładowy schemat obwodu elektrycznego do zbadania słuszności pierwszego prawa Kirchhoffa. Schemat układu narysowano czarnymi liniami. Po lewej stronie układu pokazano równoległe połączenie trzech oporników, w którym oporniki narysowano jeden nad drugim. Oporniki narysowano w postaci poziomych prostokątów. Opornik na górnej gałęzi opisano wielką literą R z indeksem dolnym jeden. Opornik na środkowej gałęzi opisano wielką literą R z indeksem dolnym dwa. Opornik na dolnej gałęzi opisano wielką literą R z indeksem dolnym trzy. Na każdej gałęzi obwodu elektrycznego po prawej stronie opornika widnieje symbol amperomierza w postaci okręgu o czarnych krawędziach z wielką literą A w środku. Obok symboli amperomierza zaznaczono potencjały elektryczne. Po lewej stronie amperomierza od strony opornika pokazano znak plus oznaczający wyższy potencjał elektryczny. Po prawej stronie amperomierza pokazano znak minus oznaczający niższy potencjał elektryczny. Po prawej stronie rysunku pokazano również równoległe połączenie trzech oporników. Gałęzie elektryczne, na których zamontowano oporniki, pokazano jedna nad drugą. Na górnej gałęzi pokazano opornik opisany wielką literą R z indeksem dolnym cztery. Na środkowej gałęzi – opornik opisany wielką literą R z indeksem dolnym pięć. Na dolnej gałęzi pokazano opornik opisany wielką literą R z indeksem dolnym sześć. Na gałęziach elektrycznych, na których pokazano oporniki, po lewej od oporników, umieszczono symbole amperomierza. Obok symboli amperomierza zaznaczono potencjały elektryczne. Po prawej stronie amperomierzy od strony oporników widoczne są znaki plus oznaczające wyższy potencjał elektryczny. Po lewej stronie amperomierzy widoczne jest są znaki minus oznaczający niższy potencjał elektryczny. Układy oporników widocznych po prawej i lewej stronie połączono przewodem elektrycznym. Obwód zasilany jest źródłem napięcia, w taki sposób, że lewy i dolny róg układu oporników po lewej stronie jest połączony z prawym i dolnym rogiem układu oporników po prawej stronie, a na linii symbolizującej połączenie zaznaczono symbol źródła napięcia. Źródło napięcia pokazano w postaci dwóch pionowych odcinków. Odcinki są równoległe do siebie i narysowane jeden obok drugiego. Lewy odcinek narysowano cienką czarną linią, która jest dłuższa od odcinka prawego. Oznacza to, że z tej strony źródła napięcia potencjał elektryczny jest większy. Prawy odcinek jest krótszy i narysowany grubszą linią. Oznacza to, że z tej strony źródła napięcia potencjał elektryczny jest niższy.

W doświadczeniu musimy zadbać o to, by wiedzieć, który prąd wpływa, a który wypływa z węzła. Powinniśmy więc używać prądu stałegoPrąd stałyprądu stałego oraz wszystkie amperomierze połączyć tym samym stykiem z badanym węzłem (na naszym rysunku – stykiem ujemnym). Wtedy natężenia prądów wpływających będą miały znak dodatni, a prądów wypływających – ujemny.

Do celów doświadczalnych wygodniej będzie nam używać I prawa Kirchhoffa w innym, równoważnym sformułowaniu:

Dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma algebraiczna natężeń prądów wpływających i wypływających z niego jest równa zeru, przy czym prądy wpływające i wypływające bierze się z przeciwnymi znakami.

Aby wykonać nasze zadanie, wystarczy włączyć obwód pokazany na Rys. 1., a następnie odczytać i zsumować wskazania wszystkich amperomierzy.

Warto przeprowadzić to doświadczenie kilkukrotnie, zmieniając wartości oporów połączonych oporników lub odłączając niektóre gałęzie obwodu.

Zajmijmy się teraz kwestią dokładności wyników przeprowadzonego doświadczenia.

Każdy miernik analogowy oznaczony jest klasąKlasa miernikaklasą dokładności, oznaczającą maksymalną niepewność pomiaru, jaka może wystąpić (określaną jako wyrażoną w procentach dokładność w stosunku do pełnego zakresu pomiarowego). Zapisując to zdanie wzorem, pozwalającym obliczyć wartość tej dokładności, otrzymujemy:

W przypadku mierników cyfrowych dokładność pomiaru $\Delta I$ jest podawana wprost przez producenta.

Wyniki końcowe pomiarów podaje się zawsze określając wartość i jej dokładność, np.:

W przypadku konieczności zaokrąglenia dokładności, zawsze robi się to w górę, by mieć pewność, że prawdziwy wynik mieści się w jej granicach.

W naszym doświadczeniu, wynik końcowy jest sumą kilku wielkości mierzonych. W najgorszym możliwym przypadku, każdy z pojedynczych pomiarów może być obarczony maksymalną niedokładnością w tę samą stronę, więc w celu określenia maksymalnego możliwego odchylenia otrzymanego wyniku od wartości rzeczywistej, należy dodać do siebie dokładności składników.

Teraz już wiesz wszystko, by móc przeprowadzić doświadczenie samodzielnie. Możesz zacząć od wypróbowania naszej symulacji interaktywnej, zamieszczonej w tym e‑materiale.

Słowniczek