Sähköopin mittauksia 1

Koko: px
Aloita esitys sivulta:

Download "Sähköopin mittauksia 1"

Transkriptio

1 Sähköopin mittauksia 1 Sisällysluettelo Pikaohje LoggerPro mittausohjelma... 2 Pikaohje sähköopin anturit... 3 Kytkentäalusta... 4 Sähkövirran perusominaisuudet... 6 Jännitteen perusominaisuudet... 8 Virtapiirin potentiaali... 9 Ohmin laki Erilaisia vastuksia Komponentin ominaiskäyrä Säätövastus ja potentiometri Pariston sisäinen resistanssi Sähköteho Kondensaattori Kondensaattorin kapasitanssi... 23

2 Sähköopin mittauksia 2 Pikaohje LoggerPro mittausohjelma Mittauksen aloittaminen 1. Kytke anturit työohjeessa mainittuihin portteihin CH1,CH2 jne. 2. Monissa mittauksissa kannattaa maadoittaa LabPro seuraavan sivun ohjeiden mukaisesti. 3. vaa työohjeessa mainittu mittauspohja, sillä se sisältää kutakin mittausta varten suunnitellut asetukset. Jos, anturit on kytketty eri tavalla kuin mittauspohjassa, ohjelma huomauttaa tästä. Mittausasetusten tekeminen Jokaista mittausta varten on valmis mittauspohja, jossa on valmiiksi tarvittavat asetukset. Mittausaikaa ja mittaustaajuutta voi tarvittaessa itse muuttaa. nturien nollaus (ZERO) Virta- ja jänniteanturien nollakohta voidaan asettaa nollaus - toiminnon(zero) avulla. Tämä on usein hyödyllistä tehdä ennen mittausten aloittamista. Mittauksen käynnistäminen Mittaus käynnistetään tällä painikkeella. Mittaus käynnistyy ja pysähtyy myös [space] näppäimellä. Mittaustulokset tallennetaan valitsemalla Experiment valikosta Store latest run tai pikanäppäimellä [ctrl]+[l]. Tulosten analysointi Suoran sovitus Valitse ensin kuvaajasta väli, johon haluat suoran sovittaa. Klikkaa suoran sovitustyökalua ja valitse haluamasi mittauskerta. Pinta-alan määritys Valitse ensin kuvaajasta väli, jolle haluat pinta-alan laskun suorittaa. Klikkaa pinta-alatyökalua ja valitse haluamasi mittauskerta. Kuvaajan akselien muokkaus kseleja voi säätää mieleisekseen ottamalla niistä hiirellä kiinni ja vetämällä haluttuun suuntaan. kselin pienintä tai suurinta lukua kerran klikkaamalla pääsee niitä muokkaamaan. Työkalurivin näppäimillä voi myös automaattisesti skaalata tai zoomata kuvaajaa halutulla tavalla.

3 Sähköopin mittauksia 3 Pikaohje sähköopin anturit Sähkövirran mittaaminen virta-anturilla (Current probe 0,6 ) Virta-anturi kytketään kanavaan 1-4. Mittauskytkennässä virta-anturi kytketään virtapiirin muiden komponenttien kanssa peräkkäin, sarjaan. Virta-anturi on rakenteeltaan sellainen, ettei se juurikaan vastusta sähkövirran kulkua. Siksi se saattaa rikkoutua, jos sen läpi kulkee liian suuri sähkövirta. Jännitteen mittaaminen jänniteanturilla (Differential Voltage probe 6,0 V) Jänniteanturi kytketään kanavaan 1-4. Kytkennässä jänniteanturi kytketään mitattavan kohteen kanssa rinnakkain. Jänniteanturin rakenne on sellainen, että se vastustaa mahdollisimman paljon sähkövirran kulkua, joten mittarin kautta kulkeva pieni sähkövirta ei häiritse virtapiirin toimintaa. Häiriöiden / kohinan vähentäminen mittauksista Tiedonkeräin, tietokone ja jännitelähde ovat kytkettyinä verkkovirtaan, mikä saattaa aiheuttaa häiriöitä mittaustuloksiin. LabPro tiedonkeräimen mukana toimitettavan 10 V:n jänniteanturin avulla tiedonkeräin voidaan kytkeä jännitelähteen negatiiviseen napaan ja näin vähentää mahdollisia häiriöitä. Mittausasetuksilla voi myös vähentää häiriöitä ja esim. Oversampling -valinnalla tiedonkeräin keskiarvoistaa mittausdataa.

4 Sähköopin mittauksia 4 Kytkentäalusta Sähköopin mittauksissa käytettävän kokeilusarjan keskeisin osa on kytkentäalusta, jolle kytkennät rakennetaan. Tutustutaan kytkentäalustaan seuraavan ohjeen avulla. Välineet paristo (4,5 V) hehkulamppu (3,8 V/ 0,07 ) vaihtokytkin johtimia kytkentäalusta 1. Tutustu kytkentäalustaan. Mitkä osat alustassa ovat keskenään yhteydessä ja missä on eriste? 2. Tutki alustalla olevaa hehkulamppua. Piirrä suurennettu kuva hehkulampusta. Piirrä kuvaan lampun sisällä kulkevat johtimet ja niiden yhteys alustan banaanipistokkeisiin. 3. Tutki kahden johtimen, pariston ja lampun avulla, miten virtapiiri tulee rakentaa, jotta lamppu hehkuisi. Piirrä rakentamasi kytkennän kytkentäkaavio ja merkitse kuvaan myös komponenttien nimet. Virtapiirissä on aina jokin jännitelähde ja komponentteja. Koulukokeissa tyypillinen jännitelähde on paristo. Vastukset, lamput ja erilaiset puolijohdekomponentit voivat olla virtapiirin komponentteja.

5 Sähköopin mittauksia 5 Virtapiirin katkaisemiseen ja muuttamiseen käytetään kytkintä. Kokeilusarjaan kuuluva vipukytkin on nk. ON-ON vaihtokytkin. Tällaisessa kytkimessä vivulla on kaksi asentoa, joista riippuu kumpaan äärinastaan keskinasta on yhteydessä. Vipukytkimiä on saatavilla myös ON-OFF ja ON-OFF-ON tyyppiä. Jälkimmäisessä kytkintyypissä vivulla on kolme asentoa. B B C C B B C C 4. Tutki, kuinka kokeilusarjan vaihtokytkin toimii. Rakenna ensin virtapiiri, jossa yksi lamppu syttyy ja sammuu kytkimestä. Rakenna sitten kuvan mukainen kytkentä ja selvitä, miten kytkentä toimii. Piirrä rakentamiesi kytkentöjen kytkentäkaaviot ja lyhyt kuvaus piirin toiminnasta. B C

6 Sähköopin mittauksia 6 Sähkövirran perusominaisuudet Sähkövirta mitataan virta-anturilla, joka on hehkulampun tapaan kaksinapainen. Kun hehkulampun läpi kulkeva sähkövirta halutaan mitata, virta-anturi kytketään siten, että mitattava virta kulkee sen kautta. Sanotaan, että mittari kytketään sarjaan. Mitataan erilaisissa virtapiireissä kulkevaa sähkövirtaa. Välineet Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 1 paristo (4,5 V) hehkulamppu (3,8 V/ 0,07 ) 3 vastusta (220 ) 2 johdinkappaletta johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: Virta1.cmbl 1. Rakenna kuvan mukainen kytkentä ja mittaa hehkulampun läpi kulkeva sähkövirta. Siirrä virta-anturi lampun toiselle puolelle ja mittaa sähkövirta. Piirrä kytkentöjen kytkentäkaaviot ja merkitse niihin sähkövirran suuruus. Miten virta-anturin paikka vaikuttaa mittaustulokseen?

7 Sähköopin mittauksia 7 2. Kytke kolme 220 :n vastusta kuvan mukaisesti sarjaan. Valitse mittausajaksi 18 s. Mittaa aina 4 s ja kytke uusi vastus edellisen vastuksen kanssa sarjaan siirtämällä oikeanpuoleista johdinta aina viiden sekunnin jälkeen oikealle. Piirrä kytkentöjen kytkentäkaaviot ja merkitse niihin sähkövirran suuruudet. Mikä yhteys on piirissä kulkevan sähkövirran ja piirissä sarjaan kytkettyjen samanlaisten vastusten lukumäärän välillä? 3. Tutki vastusten kytkemistä rinnan. seta ensin yksi 220 :n vastus alustalle kuvan mukaisesti. Valitse mittausajaksi 18 s. Mittaa aina 4 s ja kytke uusi vastus edellisen vastuksen kanssa rinnan. Mittaa, kuinka suuri sähkövirta kulkee kahden, kolmen rinnan kytketyn vastuksen läpi, kun vastukset kytketään 4,5 V:n paristoon. Piirrä kytkentöjen kytkentäkaaviot ja merkitse niihin sähkövirran suuruudet. Mikä yhteys on sähkövirran ja rinnan kytkettyjen samanlaisten vastusten lukumäärän välillä?

8 Sähköopin mittauksia 8 Jännitteen perusominaisuudet Pariston, komponentin tai sähkölaitteen napojen välinen jännite mitataan jänniteanturilla. Jänniteanturi ilmaisee omien napojensa välisen jännitteen, joten jänniteanturin navat kytketään niihin virtapiirin kahteen pisteeseen, joiden välinen jännite halutaan mitata. Kun jänniteanturilla mitataan virtapiirissä olevan laitteen tai komponentin napojen välinen jännite, sanotaan, että mittarilla mitataan jännitehäviö laitteessa tai komponentissa. Seuraavissa tutkimuksissa mitataan jännitteitä ja jännitehäviöitä erilaisissa kytkennöissä. Sähkötekniikassa merkitään usein kytkentäkaavioon jännitteet ja jännitehäviöt nuolilla. Jännitenuolen suunnaksi on sovittu pariston miinusnavasta plusnapaan ja komponentin jännitehäviönuolen suunnaksi sähkövirran suunta. Välineet Jänniteanturi ( 6,0 V), Ch 1 3 paristoa (1,5 V) 3 vastusta (220 ) 2 johdinkomponenttia jänniteanturi johtimia kytkentäalusta sähkövirran suunta 1,5V 1,5V pariston jännitenuoli Mittausasetukset komponentin jännitehäviönuoli mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: Jannite1.cmbl 1. Mittaa pariston jännite. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio ja merkitse siihen jännitteen suuruus. Käännä paristo toisinpäin ja mittaa jännite. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio ja merkitse siihen jännitteen suuruus. 2. Valitse mittausajaksi 18 s. Mittaa aina 4 s ja kytke uusi paristo edellisen pariston kanssa sarjaan. Kokeile myös sellaisia kytkentöjä, joissa kaikki paristot eivät ole samoinpäin. Piirrä kunkin kytkennän kytkentäkaavio ja merkitse siihen paristosysteemin jännite. Millä tavalla paristojen kytkentä vaikuttaa systeemin jännitteeseen?

9 Sähköopin mittauksia 9 Virtapiirin potentiaali Jännitteen mittaaminen Kuvan mukaisella kytkennällä mitataan jännitehäviö vastuksessa. Jännitehäviö on virtapiirin pisteiden ja B välinen jännite U B. Virtapiirin kunkin pisteen tilaa kuvataan myös suureella potentiaali V. Pisteen potentiaalia merkitään V. Pisteiden ja B välistä potentiaalieroa sanotaan jännitteeksi U B = V - V B. Potentiaalitarkasteluissa virtapiirin jonkin kohdan potentiaali sovitaan nollaksi. V U B V B B 1,5 V Välineet Jänniteanturi ( 6,0 V), Ch 1 2 paristoa (1,5 V) 3 vastusta (220 ) 2 johdinkappaletta johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: Jannite2.cmbl 1. Rakenna kytkentä, jossa on kolme samanlaista vastusta sarjassa ja jonka lähteenä on kaksi sarjaan kytkettyä paristoa. Mittaa aina 5 s ja siirrä jänniteanturin johdinta kuvan mukaisesti kytkennän kohdasta kohtaan B, kohdasta B kohtaan C jne. Piirrä kytkentöjen kytkentäkaaviot ja merkitse jänniteanturin lukema kuvan viereen. Tarkastele mittausten perusteella piirin potentiaalia V paikan funktiona. Jos valitset pisteen maadoituspisteeksi eli V = 0, oletkin mitannut jänniteanturilla muiden pisteiden potentiaalit. Esimerkiksi pisteen C potentiaali on V C = U C.

10 Sähköopin mittauksia 10 V U D E C B V C = U C B C D E Esitä graafisesti piirin potentiaali virtapiirin paikan funktiona. 2. Tutki, miten kuvaaja muuttuu, kun a) piste B, b) piste D maadoitetaan eli kytketään konkreettisesti vesijohtoon. Kytke jänniteanturin miinusnapa virtapiirin maadoitettuun kohtaan. Piirrä potentiaalin kuvaaja.

11 Sähköopin mittauksia 11 Ohmin laki Saksalainen George Simon Ohm ( ) tutki 1820-luvulla, miten metallilangan napojen välinen jännite vaikuttaa langassa kulkevaan sähkövirtaan. Tehdään Ohmin tutkimus siten, että korvataan Ohmin käyttämä metallilanka metallikalvovastuksella. Välineet Jänniteanturi ( 6 V), Ch 1 Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 2 Tarvittaessa häiriöiden poistamiseksi kytke jänniteanturin ( 10 V) Ch 3 tai 4 musta johdin jännitelähteen negatiiviseen napaan. säädettävä jännitelähde vastuksia (100, 220 k ) johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: Ohmin_laki.cmbl Tutustu jännitelähteen käyttöön. Noudata seuraavia ohjeita: Ennen kytkentää säädä jännitelähteen säätönupit nollaan. Tee tarvittava kytkentä. Näytä se opettajalle ennen kuin kytket jännitelähteen päälle. Älä ylitä jännitelähteen etupaneeliin merkittyä suurinta virtaa. Käännä aina säätönupit nollaan ennen kuin sammutat jännitelähteen. 1. Tutki, miten vastuksen läpi kulkeva sähkövirta riippuu vastuksen napojen välisestä jännitteestä. Kytke vastuksen navat säädettävän jännitelähteen napoihin. Käynnistä mittaus ja lisää jännitettä kiertämällä jännitelähteen jännitteensäätönupista. Älä ylitä virta- tai jänniteanturien suurimpia sallittuja arvoja.

12 Sähköopin mittauksia 12 Millainen verrannollisuus jännitteen ja virran välillä mittauksesi perusteella on? Tallenna tekemäsi mittaus näppäinyhdistelmällä ctrl + L. Toista sama mittaus muillekin vastuksille. Miten kuvaajat eroavat toisistaan? Sovita kuvaajiin suorat painamalla Linear Fit näppäintä: Valitse mittaukset(run1, run2 jne.), joihin haluat suoran sovittaa. Suorien kulmakertoimet, eli jännitteen suhde virtaan, on kullekin vastukselle ominainen vakio. Tätä suhdetta sanotaan vastuksen resistanssiksi. Resistanssin yksikkö on ohmi = 1 V 1. Koska vastuksen napojen välinen jännite U on samalla jännitehäviö vastuksessa, koordinaatistossa oleva suora ilmaisee jännitehäviön riippuvuuden virrasta. Graafisesta esityksestä havaitaan, että jännitehäviö on suoraan verrannollinen sähkövirtaan: U = R I Tätä jännitteen ja virran välistä verrannollisuutta kutsutaan Ohmin laiksi ja koska lämpötila vaikuttaa vastuksen resistanssiin, tämä pätee vain vakiolämpötilassa. Määritä suorien yhtälöiden avulla: Kuinka suuri jännite tarvitaan, jotta pienimmän vastuksen läpi kulkisi a) 0,02 :n, b) 0,04 :n sähkövirta? Määritä suorien yhtälöiden avulla: Kuinka suuri virta kunkin vastuksen läpi kulkee, kun vastuksen napojen välinen jännite on 3 V?

13 Sähköopin mittauksia 13 Erilaisia vastuksia Vastuksia, joiden resistanssi muuttuu ulkoisten tekijöiden, kuten valon tai lämpötilan, vaikutuksesta, kutsutaan aktiivisiksi vastuksiksi. Niitä käytetään hyväksi mm. valaistuksen ja lämpötilan mittaamisessa. LDR-vastuksen resistanssiin voidaan vaikuttaa valaistuksella. NTC- ja PTC- termistorien resistanssiin voidaan vaikuttaa lämpötilalla. Välineet Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 1 paristo (4,5 V) PTC- termistori NTC-termistori LDR-vastus 2 johdinkappaletta johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: vastus1.cmbl Rakenna kuvan mukainen virtapiiri paristosta, aktiivisesta vastuksesta ja virta-anturista. Vaihda aktiivinen vastus kussakin tutkimuksessa sopivaan. 1. Tutki, miten kädellä lämmittäminen vaikuttaa PTC-ja NTC-termistorin resistanssiin. Piirrä kytkentäkaaviot ja raportoi sen viereen tutkimuksesi tulos. 2. Tutki, miten valaistus vaikuttaa LDR-vastuksen resistanssiin. Piirrä kytkentäkaaviot ja raportoi sen viereen tutkimuksesi tulos. Kokeile valaista LDR vastusta myös kirkkaalla lampulla, esim. ledillä. 3. NTC-vastuksen nimi tulee sanoista Negative Temperature Coefficient ja LDR-vastuksen nimi tulee sanoista Light Dependent Resistor. NTC PTC LDR Miten suomentaisit nämä nimen? Miten nimi liittyy vastuksen resistanssimuutokseen?

14 Sähköopin mittauksia 14 Komponentin ominaiskäyrä Vastuksessa kulkeva sähkövirta riippuu jännitteestä. Erilaisissa vastuksissa ja erilaisissa kytkennöissä sama jännite aiheuttaa erisuuruiset sähkövirrat. Sähkövirta I riippuu jännitteestä U tavalla, joka on kullekin vastukselle tai komponentille ominainen. Tämän riippuvuuden I = I(U) tai U = U(I) graafista kuvaajaa sanotaan komponentin ominaiskäyräksi. I U I U Välineet Jänniteanturi ( 6 V), Ch 1 Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 2 säädettävä jännitelähde vastus (220 PTC- ja NTC-termistori LDR-vastus hehkulamppu (3,8 V/0,07 ) johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: Ominaiskayra.cmbl 1. Tutki, miten vastuksessa (220 kulkeva sähkövirta riippuu komponentin napojen välisestä jännitteestä. Kytke komponentin navat jännitelähteeseen, jonka napojen välistä jännitettä U voidaan säätää. Käynnistä mittaus ja säädä jännitettä hitaasti. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio. Mittaa vastuksen ominaiskäyrä.

15 Sähköopin mittauksia Vaihda kytkennän 1 vastuksen tilalle LDR-vastus. Tutki, miten LDR-vastuksen läpi kulkeva sähkövirta riippuu komponentin napojen välisestä jännitteestä. Käynnistä mittaus ja säädä jännitettä hitaasti. Toista mittaus siten, että siirrät LDR-vastuksen hämärään paikkaan. Mittaa samaan kuvaan uusi käyrä. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio. Piirrä LDR-vastuksen ominaiskäyrä. Kuinka valaistus vaikuttaa ominaiskäyrään? 3. Vaihda kytkennän 1 vastuksen tilalle NTC-termistori. Tutki, miten NTC-termistorin läpi kulkeva sähkövirta riippuu komponentin napojen välisestä jännitteestä. Käynnistä mittaus ja säädä jännitettä hitaasti. Toista mittaus siten, että ensin lämmität NTCtermistoria. Mittaa samaan kuvaan uusi käyrä. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio. Piirrä PTC-termistorin ominaiskäyrä. Kuinka termistorin lämmitys vaikuttaa ominaiskäyrään? 4. Vaihda kytkennän 1 vastuksen tilalle hehkulamppu. Tutki, miten hehkulampun läpi kulkeva sähkövirta riippuu komponentin napojen välisestä jännitteestä. Käynnistä mittaus ja säädä jännitettä hitaasti. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio. Piirrä hehkulampun ominaiskäyrä.

16 Sähköopin mittauksia 16 Säätövastus ja potentiometri Säätövastuksia ja potentiometrejä käytetään sähkövirran ja jännitteen säätämiseen erilaisissa virtapiireissä. Säätövastus- ja potentiometritoiminnot saadaan samasta potentiometriksi nimetystä komponentista. Säätövastuksessa käytetään potentiometrin kahta napaa ja potentiometrissä kaikkia kolmea napaa. Potentiometrin resistanssi ilmaisee äärinastojen välisen resistanssin. keskinasta äärinasta Potentiometrissä on äärinastojen välillä vastusrata. Potentiometrin äärinastojen ja keskinastan välistä resistanssia säädetään kiertämällä liukua kulman verran. Välineet Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 1 säätövastus (esim ) tai vastuslanka hehkulamppu (3,8 V / 0,3 ) paristo (4,5 V) yleismittari johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset (Data collection) mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,10 s) mittauspohja: Saatovastus.cmbl Rakenna kuvan mukainen kytkentä. Tutki sähkövirran suuruutta virtapiirissä, kun säätövastusta kierretään. HUOM! Älä kytke säätövastusta yksin paristoon, vaan kytke aina säätövastuksen kanssa sarjaan etuvastus tai lamppu. Muutoin säätövastus saattaa vioittua, kun sen resistanssi on säädetty pieneksi, jolloin sähkövirta kasvaa suureksi. Piirrä kytkennän kytkentäkaavio. Mihin tarkoitukseen säätövastusta voidaan mielestäsi käyttää?

17 Sähköopin mittauksia 17 Pariston sisäinen resistanssi Virtapiirissä olevan paristonkin läpi kulkee sähkövirta, minkä seurauksena paristo saattaa lämmetä. Tavallinen vastuskin lämpenee, kun sen läpi johdetaan virtaa, joten voisiko pariston sisällä ajatella olevan vastus ja sen myötä resistanssia? Jos paristolla on virrankulkua vastustava resistanssi, niin tässä pariston sisäisessä vastuksessa tapahtuu silloin jännitehäviö, joka on Ohmin lain mukaisesti verrannollinen pariston läpi kulkevaan virtaan. Tutkitaan miten pariston napojen väliltä mitattu napajännite muuttuu, kun pariston läpi kulkeva virtaa muutetaan. V Välineet Jänniteanturi ( 6 V), Ch 1 Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 2 Erilaisia paristoja Vastus (10 Säätövastus (0-10 johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset (Data collection) mittausaika: 18 s mittaustaajuus: 10 1/s (0,01 s) mittauspohja: Paristo.cmbl 1. Tutki, miten pariston napajännite U n riippuu paristosta läpi kulkevasta virrasta I. Kytke pariston navat säätövastukseen, jonka resistanssia voidaan säätää. Käynnistä mittaus ja säädä vastuksen resistanssia hitaasti pienemmäksi. Miten pariston napajännite muuttuu, kun virta kasvaa? Määritä suoran kulmakerroin. Suora laskee sitä jyrkemmin, mitä suurempi pariston sisäinen resistanssi on, koska pariston sisällä tapahtuva jännitehäviö on suoraan verrannollinen pariston läpi kulkevaan virtaan. Pariston lähdejännite E on paristolle ominainen suure. Lähdejännitteen voi määrittää jatkamalla mittaustuloksiin sovitettua suoraa jänniteakselille, sillä tässä leikkauspisteessä virran arvo on nolla ja pariston sisällä ei tapahdu jännitehäviötä. Määritä lähdejännite sovittamasi suoran yhtälöstä: U n = E - R s I Kun kuvaajaa jatketaan eteenpäin aina virta-akselille asti, saadaan selvillä suurin paristosta saata virta, eli oikosulkuvirta I max. Pariston ollessa oikosulussa virta kasvaa suureksi, koska ainoa piirin vastus on pariston sisäinen vastus. Pariston napajännite laskee siten nollaan, kun pariston sisällä tapahtuu lähdejännitteen suuruinen jännitehäviö. Oikosulkuvirtaa ei voi suoraan mitata, koska virtamittarilla on aina pieni resistanssi ja oikosulkuvirta on usein virtamittarille liaan suuri. Paristo myös kuumentuu liikaa ja vahingoittuu, jos se kytketään oikosulkuun. Määritä oikosulkuvirta kuvaajan avulla. 2. Kytke kaksi samanlaista paristoa rinnakkain ja määritä tämän kytkennän lähdejännite ja oikosoluvirta. Miten nämä suureet muuttuvat verrattuna yhden pariston tilanteeseen? Toista mittaus kytkemällä paristot sarjaan.

18 Sähköopin mittauksia 18 Sähköteho Virtalähde syöttää energiaa virtapiiriin. Sähkövirran vaikutukset kuluttavat tätä energiaa. Esimerkiksi paristoon kytketty sähkömoottori synnyttää liike-energiaa. Energian säilymislain perusteella virtapiirin laitteissa ja johtimissa kuluva teho on aina yhtä suuri kuin virtalähteen piiriin syöttämä teho. Tutkitaan säädettävän jännitelähteen moottoriin syöttämää tehoa. Välineet Jänniteanturi ( 10 V), Ch 1 Virta-anturi ( 1 ), Ch 2 säädettävä jännitelähde sähkömoottori generaattori/sähkömoottori aurinkopari johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset (Data collection) mittausaika: 30 s mittaustaajuus: 20 1/s (0,05 s) mittauspohja: s Sahkoteho.cmbl loita mittaus ja lisää jännitettä. Miten virtapiiriin syötetty teho muuttuu, kun jännitettä kasvatetaan? Miten moottorin liike muuttuu?

19 Sähköopin mittauksia 19 Tehonkulutukseen voidaan myös vaikuttaa ottamalla kevyesti kiinni moottorin akselista. Ota varovasti kiinni moottorin akselista, kun se pyörii. Miten moottorin käyttämä teho muuttuu, kun moottoria kuormitetaan? Kytke generaattori tai edellisessä tutkimuksessa käytetty moottori kuvan mukaisesti jännite- ja virta-anturiin. Käynnistä mittaus ja pyöritä generaattorin veiviä tai moottorin akselia. Miten generaattorin tuottama teho riippuu pyöritysnopeudesta? Kytke aurinkopari kuvan mukaisesti jännite- ja virta-anturiin. Käynnistä mittaus ja vie aurinkopari välillä valoisaan ja välillä pimeään. Miten aurinkoparin teho riippuu valaistuksesta?

20 Sähköopin mittauksia 20 Kondensaattori Kaksi lähekkäistä johdelevyä muodostavat kondensaattorin. Levyjen välissä on eriste. Kondensaattoreita ladataan jännitelähteellä siten, että jännitelähteen navat kytketään kondensaattorin levyihin. Tällöin kondensaattorin levyjen välille muodostuu sama jännite. Jännite aiheuttaa varausten liikkumista ja kondensaattorin levyt saavat yhtä suuret vastakkaismerkkiset varaukset +Q ja - Q. U U -Q +Q eriste Tutkitaan kondensaattorin latautumista ja purkautumista. Kondensaattorin varaus on verrannollinen levyjen väliseen jännitteeseen, joten saat tutkimuksessa tietoa kondensaattorilevyjen varautumisesta. Välineet Jänniteanturi ( 10 V), Ch 1 vastus (1 k vastus (15 k 2 elektrolyyttikondensaattoria (2200 F elko) kytkin paristo (4,5 V) hehkulamppu (3,8 V/0,07 ) johtimia johdinkappale kytkentäalusta Mittausasetukset (Data collection) mittausaika: 60 s mittaustaajuus: 20 1/s (0,05 s) mittauspohja: Kondensaattori.cmbl 1. Lataa kondensaattori kuvan mukaisesti. Huomaa, että elektrolyyttikondensaattori pitää kytkeä siten, että sen negatiivinen napa kytketään pariston negatiiviseen napaan. Kyljessä oleva raita osoittaa kondensaattorin miinus-navan. Irrota paristo kondensaattorista. Kytke hehkulamppu kondensaattorin kanssa rinnan. Mitä tapahtuu? Mihin tarkoitukseen kokeen perusteella kondensaattoria voidaan käyttää? + napa - napa

21 Sähköopin mittauksia Lataa kondensaattori (2200 F elko) paristolla käyttämällä etuvastusta (1 k kuvan kytkennän mukaisesti. Käynnistä mittaus ja sulje virtapiiri kytkimellä. Seuraa kondensaattorin latautumista. Esitä graafisesti kondensaattorin jännite ajan funktiona Kuinka suuri on kondensaattorin napojen välinen jännite, kun kondensaattori on latautunut? HUOM! Pura kondensaattori ennen tutkimusta yhdistämällä johtimella kondensaattorin navat. Kondensaattorin purkaminen ennen tutkimusta. RNGE DT NPN PNP Piirin aikavakioksi kutsutaan sitä aikaa, jona kondensaattoria ladattaessa levyjen välinen jännite on saavuttanut 63 % latausjännitteestä. Määritä kuvasta piirin aikavakio. Määritä kondensaattorin jännite, kun aikaa lataamisen alusta on kulunut 10 s. 15 k 2200 F nf F Hz hfe V - m V~ OFF OFF mcx COM V F 15 k 2200 F Piirin aikavakio voidaan myös laskea kertomalla latauspiirissä olevan vastuksen resistanssi ja kondensaattorin kapasitanssi keskenään = RC. ikavakion yksikkö on 1 F = 1 s Laske komponenttien arvojen perusteella piirin aikavakio. Vertaa tuloksia. HUOM 1 KILOOHMIN VSTUS off on Virtapiirin sulkeminen

22 Sähköopin mittauksia 22 Kun kondensaattori on latautunut, käännä kytkin off-asentoon. Poista paristo ja aseta pariston tilalle johdinkappale. Käynnistä mittaus ja käännä kytkin on-asentoon. RNGE DT NPN PNP Pura kondensaattori kuvan mukaisesti vastuksen läpi. Esitä graafisesti kondensaattorin jännite ajan funktiona nf F Hz hfe V - m V~ OFF OFF mcx COM V F 15 k 2200 F Vaihda piiriin suurempi vastus (15 k ) ja tutki latautumista ja purkautumista. Miten vastuksen resistanssi vaikuttaa kondensaattorin latautumiseen ja purkautumiseen? Kytke toinen samanlainen kondensaattori ensimmäisen kanssa rinnan asettamalla se kytkentäalustalle jänniteanturin johtimien päälle. Tutki latautumista ja purkautumista. Miten piirin aikavakio muuttuu?

23 Sähköopin mittauksia 23 Kondensaattorin kapasitanssi Tutkitaan kondensaattorin varauksen ja jännitteen välistä riippuvuutta. Kondensaattorin varausta ei voida mitata suoraan millään mittarilla. Se voidaan määrittää mittaamalla kondensaattorin purkuvirta ajan funktiona I = I(t) ja määrittämällä purkuvirran kuvaajan ja akselin väliin jäävä pinta-ala, sillä virran ja varauksen välisen yhteyden, Q = I t, perusteella pinta-ala esittää kondensaattorin varausta. Pinta-ala voidaan määrittää myös graafista laskinta hyväksi käyttäen. m 20 I 10 Q t s Välineet Jänniteanturi ( 6 V), Ch 1 Virta-anturi ( 0,6 ), Ch 2 vastuksia (10 1 k elektrolyyttikondensaattori (2200 F elko) kytkin 5 paristoa (1,5 V) hehkulamppu (3,8 V/0,07 ) johtimia kytkentäalusta Mittausasetukset (Data collection) mittausaika: 0,2 s mittaustaajuus: /s (0,001 s) mittauspohja: Kondensaattori.cmbl 1. Lataa kondensaattori (kaksi rinnan kytkettyä kondensaattoria) viidellä eri jännitteellä, esimerkiksi käyttämällä sarjaan kytkettyjä 1,5 V:n paristoja (1,5 V, 3 V, 4,5 V, 6 V). Voitte myös sopia luokassa, että kukin ryhmä tekee tutkimuksen eri latausjännitteen arvoilla. RNGE V - V~ OFF DT NPN PNP nf F Hz hfe m OFF 1 k 2200 F mcx COM V F 2 k Kondensaattorin lataaminen. HUOM Elektrolyyttikondensaattori on kytkettävä oikein eli kondensaattorin kyljessä oleva raita osoittaa kondensaattorin miinus-navan F Mittaa kondensaattorin purkautumisvirta jokaisen latauskerran jälkeen, kun se puretaan suuriresistanssisen etuvastuksen kautta. Esitä kutakin latausjännitettä vastaava

24 Sähköopin mittauksia 24 purkuvirta I = I(t) graafisesti ajan funktiona. Virran ja varauksen välisen yhteyden, Q = I t, perusteella kuvaajan I = I(t) alle jäävä pinta-ala esittää kondensaattorin varausta. Määritä kutakin latausjännitettä vastaava kondensaattorin varaus. Esitä kutakin latausjännitettä vastaava varaus UQ-koordinaatistossa. Miten kondensaattorin varaus riippuu latausjännitteestä? Määritä suoran kulmakerroin. U/ V Q / mc