Účinky elektrického proudu vzorová úloha (SŠ)
Jméno ………………………………… Třída …………………………………..
Datum ………………………………..
1. Teoretický úvod Elektrický proud jako jev je tvořen uspořádaným pohybem volných částic s elektrickým nábojem. Elektrický proud jako elektrická veličina je definován jako podíl elektrického náboje ΔQ, který projde příčným průřezem vodiče za čas Δt: ΔQ Matematicky: I =
[ C/s = A] Δt
Elektrický proud vykazuje svým působením tzv. účinky elektrického proudu. Mohou být světelné, tepelné, magnetické. Světelné účinky elektrického proudu – elektrický proud procházející vláknem žárovky je schopen toto vlákno rozžhavit a vyrobit tak světlo. Tepelné účinky elektrického proudu – elektrický proud procházející vodičem způsobuje podle Joulova – Lenzova zákona vznik tepla. Joulův – Lenzův zákon uvádí závislost velikosti vzniklého tepla na velikosti proudu protékajícího vodičem, napětím mezi konci vodiče a času, po který proud vodičem prochází. Matematicky:
W=U*I*t
[J, V, A, s] U2
Odvozením:
W = R * I2 * t, případně
W=
t
R Teplo, které vzniká při průchodu ustáleného stejnosměrného proudu vodičem, je přímo úměrné součinu proudu, napětí a času, po který proud vodičem prochází. Teplo, které vznikne při průchodu proudu vodičem je přímo úměrné odporu vodiče a zvětšuje se s druhou mocninou proudu.
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
Magnetické účinky elektrického proudu – prochází-li vodičem elektrický proud, vytvoří se kolem vodiče magnetické pole. Obdobně prochází-li elektrický proud cívkou, vytvoří se magnetické pole uvnitř i vně cívky. U cívky lze navíc zjistit severní a jižní pól.
2. Zadání 1) Měřením proudu procházejícího žárovkou a intenzity osvětlení vydávaného žárovkou ověřte světelné účinky elektrického proudu. Zjistěte závislost intenzity osvětlení na velikosti proudu protékajícího žárovkou. 2) Měřením intenzity osvětlení žárovky napájené stejnosměrným zdrojem napětí a měřením intenzity osvětlení žárovky napájené střídavým zdrojem napětí ověřte závislost časového průběhu intenzity osvětlení na druhu protékajícího proudu. 3) Měřením magnetické indukce vzniklé průchodem stejnosměrného proudu zjistěte magnetické účinky proudu. Zjistěte, jak závisí umístění pólů cívky na orientaci protékajícího proudu. Sestrojte grafickou závislost magnetické indukce na protékajícím proudu. 4) Měřením teploty rezistoru a času zjistěte tepelné účinky elektrického proudu. Čas měření je 600s.
3. Postup práce 1. úkol: K měření využijeme zdroj stejnosměrného napětí s rozsahem 40V, žárovku 42V/25W, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, moduly ampérmetr a fotometr. Úlohu zapojíme podle schéma zapojení v příloze 1. Na baňku žárovky namíříme fotometr. Nastavení experimentu provedeme takto: ampérmetr na rozsah 1A s nulou na okraji, čas měření 20s, vzorkovací frekvence 1000Hz, zobrazení závislosti intenzity osvětlení z fotometru na proudu z ampérmetru. Napětí na žárovce plynule zvyšujeme od nulové hodnoty do maximální hodnoty ( 40V) pomocí regulačního potenciometru. Na monitoru počítače sledujeme zvyšování intenzity osvětlení úměrně s rostoucím proudem. 2. úkol: K měření využijeme zdroj stejnosměrného napětí s rozsahem 40V, zdroj střídavého napětí s rozsahem 40V žárovku 42V/25W, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, moduly ampérmetr a fotometr. Zapojení ponecháme podle schéma z úkolu 1. Parametry měření: čas měření: 0,1s, vzorkovací frekvence: 1000Hz, zobrazení intenzity osvětlení z fotometru na čase. Nejdříve použijeme zdroj stejnosměrného napětí. Regulačním potenciometrem nastavíme na žárovce napětí 30V. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení žárovky. Intenzita osvětlení má lineární průběh rovnoběžný s časovou osou. Zdroje vyměníme, nyní tedy zapojíme zdroj Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
střídavého napětí. Na monitoru počítače sledujeme časový průběh intenzity osvětlení, který je sinusový. Frekvence časového průběhu je 100Hz. 3. úkol: K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), propojovací vodiče, multimeter (ampérmetr) a měřič magnetické indukce. Zapojení úlohy provedeme podle schéma zapojení v příloze 2. Parametry měření: rozsah měřiče magnetické indukce 50mT, čas měření 20s, vzorkovací frekvence 20Hz, panel zobrazení digitální. Sondu měřiče magnetické indukce vložíme do dutiny cívky. Proud cívkou postupně zvyšujeme od nulové hodnoty po 0,1A do velikosti proudu 0,7A. Současně čteme z monitoru počítače velikost magnetické indukce a zapisujeme jednotlivé hodnoty. Do pracovního listu zakreslíme ze zjištěných hodnot výslednou závislost magnetické indukce na proudu. 4. úkol: K měření použijeme zdroj stejnosměrného napětí, regulační prvek (potenciometr), rezistor (dva rezistory 110 Ω zapojené paralelně) a modul teploměr. Zapojení úlohy podle schéma zapojení v příloze 3. Parametry měření: čas měření 600s, vzorkovací frekvence 300Hz, zobrazení závislosti teploty z modulu teploměr na čase. Na rezistoru nastavíme napětí 10V a na monitoru počítače budeme sledovat rostoucí teplotu.
Obrázek 1: Schéma zapojení – úkol 1 a 2; zdroj autor
Obrázek 2: Schéma zapojení – úkol 3; zdroj autor Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Obrázek 3: Schéma zapojení – úkol 4; zdroj autor
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
4. Záznam výsledků a) Tabulky naměřených a vypočtených hodnot Tabulka 1: Úkol 1 pro ZŠ, SŠ; zdroj autor
U[V] 5 10 15 20 25 30 35 40
I[A] 0,24 0,30 0,37 0,42 0,47 0,51 0,56 0,61
Intenzita osvětlení 0,03 0,04 0,55 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
Tabulka 2: Úkol 2 pro žáky ZŠ, SŠ; zdroj autor
I[A] 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
B [mT] 0,5 7 13 20 27 35
Tabulka 3: Úkol 4 pro ZŠ, SŠ zdroj autor
čas[ s ] 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
teplota [ °C ] 24,00 27,00 30,00 32,00 34,00 36,00 38,00 40,00 42,00 44,00 46,00
b) Graf závislosti magnetické indukce na proudu (zdroj: autor)
Graf 1: Graf 1; zdroj autor Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
5. Závěr Měřením jsem zjistil, že čím větší napětí k žárovce připojím, tím větší proud teče žárovkou a žárovka více svítí. Průběh intenzity osvětlení při připojeném stejnosměrném zdroji je lineární (přímka). Při připojeném střídavém zdroji je průběh intenzity osvětlení sinusový. Při měření magnetických účinků elektrického proudu roste magnetická indukce úměrně s proudem. Její průběh je téměř lineární.
6. Kontrolní otázky 1. Elektrický proud jako jev je definován jako: 2. Světelné účinky elektrického proudu se projevují: 3. Tepelné účinky elektrického proudu se projevují: 4. Magnetické účinky elektrického proudu se projevují:
7. Použité prameny, zdroje LÁNÍČEK, Robert. Elektronika: obvody, součástky a děje. Praha: BEN – technická literatura, 1998 BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika I. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 1997 BLAHOVEC, Antonín. Elektrotechnika II. Praha: Informatorium, spol. s r.o., 1997
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
