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