< Exemple practice

1 Concepte de baza

1.1 Măsurarea tensiunii

1.1.1 Multimetrul analogic şi digital

Multimetrul este un instrument electric cu ajutorul căruia se poate măsura tensiunea, curentul şi rezistenţa. Multimetrele digitale dispun de afişaje digitale, precum ceasurile digitale, pentru indicarea acestor mărimi. Multimetrele analogice indică mărimile de mai sus prin intermediul unui ac indicator în lungul unei scale gradate.

Multimetrele analogice sunt de obicei mai ieftine decât variantele digitale. De asemenea, ele sunt mult mai utile pentru începători, ca şi instrument de învăţare. Dacă aveţi posibilitatea, cumpăraţi un multimetru analogic înainte de a achiziţiona unul digital. Până la urmă, ar fi bine să posedaţi ambele tipuri de aparate pentru realizarea acestor experimente.

1.1.2 Scopul experimentului

În toate experimentele prezentate în această carte vom folosi un anumit echipament de test pentru determinarea unor aspecte ale electricităţii ce nu le putem vedea, simţi, auzi, gusta sau mirosi direct. Electricitatea, cel puţin în cantităţi mici, nu poate fi sesizată de corpul uman. Din acest motiv, cel mai important „ochi” din domeniul electricităţii şi al electronicii pe care îl veţi folosi va fi multimetrul. În acest experiment aşadar, ne vom familiariza cu măsurarea tensiunii.

Multimetrul pe care l-aţi achiziţionat are mai mult ca sigur nişte instrucţiuni de bază. Citiţi-le cu atenţie înainte de al utiliza! Dacă multimetrul este digital, va necesita o baterie pentru funcţionare. Dacă este analogic, nu aveţi nevoie de o baterie pentru funcţionarea lui.

Unele multimetre digitale au o ajustare automată. Un astfel de instrument are doar câteva poziţii pe care le putem selecta. Cele cu ajustare manuală au mai multe poziţii pentru fiecare mărime de bază: câteva poziţii pentru tensiune, câteva pentru curent şi câteva pentru rezistenţă. Auto-ajustarea este domeniul aparatelor de măsură mai scumpe, fiind analoage maşinilor cu schimbător automat. Un astfel de aparat de măsură „schimbă vitezele” automat pentru indentificarea celui mai bun domeniu de măsură în cazul fiecărei măsurători.

1.1.3 Bateria electrică

Poziţionaţi selectorul multimetrului vostru pe poziţia de curent continuu (DC), pe cea mai mare valoare disponibilă. În această situaţie, multimetrul îndeplineşte funcţia de voltmetru. Aduceţi sonda roşie în contact cu borna pozitivă (+) a bateriei, iar sonda neagră cu borna negativă (-). Aparatul de măsură ar trebui acum să vă indice o anumită valoare. Inversaţi contactele (poziţia sondelor) între ele dacă indicaţia aparatului de măsură este negativă. În cazul unui multimetru analogic, o valoare negativă este observată prin deplasarea acului indicator în stânga, şi nu în dreapta.

Dacă aveţi un multimetru manual, iar selectorul a fost pus pe cea mai mare valoare, indicaţia acestuia va fi slabă. Deplasaţi selectorul la următorul nivel inferior, şi reconectaţi bateria. Indicaţia ar trebui să fie mai puternică acum. Pentru obţinerea celor mai bune rezultate, mutaţi selectorul pe valoarea cea mai mică, dar astfel încât să nu depăşiţi scara de măsură a aparatului. Un multimetru digital va indica o astfel de „abatare” prin notaţia „OL” sau o serie de linii întrerupte, în funcţie de model. Măsuraţi mai multe tipuri de bateri pentru a vă obişnui cu selectarea poziţiilor optime.

Ce se întâmplă dacă atingeţi doar o sondă la un singur capăt al bateriei? Cum ar trebui să conectăm aparatul de măsură la bornele bateriei pentru a obţine o indicaţie? Ce ne spune acest lucru despre utilizarea voltmetrului şi despre natura tensiunii? Există tensiune într-un singur punct?

1.1.4 Măsurarea căderii de tensiune produsă de un LED

Luaţi din nou multimetrul, şi poziţionaţi selectorul pe cea mai mică valoare (DC). Atingeţi cu cele două sonde terminalii unui LED. Un LED, este un dispozitiv proiectat astfel încât să producă lumină la trecerea unui curent foarte mic prin el. Dar LED-urile pot şi să genereze o tensiune de curent continuu când sunt expuse la lumină, asemănător unei celule solare. Îndreptaţi LED-ul spre o sursă puternică de lumină, cu multimetrul conectat la bornele acestuia. Observaţi indicaţia aparatului de măsură:

Bateriile generează tensiune electrică prin intermediul reacţiilor chimice. Când o baterie „moare”, acest lucru înseamnă de fapt că resursele sale chimice s-au terminat. Un LED, pe de altă parte, nu se bazează pe o formă de energie internă pentru generarea tensiunii electrice. Acesta transformă energia optică în energie electrică. Atâtă timp cât va exista o sursă de lumină întreptată asupra acestuia, LED-ul va produce tensiune.

1.1.5 Generatorul electric

O altă sursă potenţială de tensiune electrică prin transformarea energiei este generatorul. Luaţi un motor mic de curent continuu. Acesta se găseşte de obicei în jucării sau alte dispozitive electrice de mici dimensiuni, de unde îl puteţi „împrumuta”, sau îl puteţi cumpăra ca atare. Orice motor funcţionează ca şi generator dacă învărtim axul acestuia.

Conectaţi voltmetrul vostru la bornele motorului, la fel ca în cazul LED-ului sau al bateriei. Învârţiţi axul motorului cu mână. Aparatul de măsură ar trebui să indice o cădere de tensiune. Dacă nu puteţi ţine ambele sonde pe bornele bateriei, puteţi folosi terminali tip crocodil, astfel:

Puteţi determina relaţia dintre tensiune şi viteza de rotaţie a axului? Ce se întâmplă cu indicaţia voltmetrului dacă măriţi viteza acestuia? Inversaţi apoi direcţia de rotaţie. Rezultatul este schimbarea polarităţii căderii de tensiune create de generator. Voltmetrul indică polaritatea prin intermediul direcţiei acului indicator (stânga sau dreapta, aparat analog) sau prin semn (plus sau minus, aparat digital).

Când sonda roşie este pozitivă (+) iar cea neagră negativă (-), voltmetrul va indica „direcţia” normală a căderii de tensiune. Dacă polaritatea tensiunii aplicate este inversă (negativ pe sonda roşie şi pozitiv pe cea neagră), indicaţia aparatului de măsură va fi „inversă”.

1.2 Măsurarea rezistenţei

1.2.1 Scopul experimentului

Experimentul următor descrie modul în care putem măsura rezistenţa unor obiecte. Nu trebuie neapărat să aveţi toate obiectele descrise mai jos pentru a învăţa efectiv despre rezistenţa. De asemenea, puteţi încerca şi cu alte obiecte. Totuşi, nu măsuraţi niciodată rezistenţa unui obiect sau circuit alimentat (aflat în funcţionare). Cu alte cuvinte, nu încercaţi să măsuraţi rezistenţa unei baterii sau a oricărei surse substanţiale de tensiune folosind un multimetru setat pe funcţia „rezistenţă” (Ω). Neluarea în considerare a acestei atenţionări va duce cel mai posibil la distrugerea aparatului de măsură şi eventual la rănirea personală.

1.2.2 Exemplificare conceptului de puncte electric comune

Setaţi multimetrul pe funcţia „Ω”, pe cea mai mare valoare disponibilă. În această situaţie, multimetrul îndeplineşte funcţia de ohmmetru. Atingeţi cele două sonde (neagră şi roşie) una de celalaltă. În acest caz, ohmmetrul ar trebui să indice o rezistenţă de 0 Ω. Dacă folosiţi în schimb un multimetru analogic, veţi observa o deplasare maximă a acului indicator în partea dreaptă.

Multimetrul poate fi folosit şi pentru detectarea stării de continuitate a circuitului, nu doar pentru măsurarea efectivă a valorilor rezistive. Putem testa, de exemplu, continuitatea unui fir electric prin conectarea celor două sonde la capetele acestuia. Ce se întâmplă cu indicaţia aparatului de măsură în acest caz? Ce putem spune despre un astfel de conductor electric dacă acul indicator al ohmmetrului nu s-ar deplasa deloc?

De menţionat, că multimetrele digitale, setate pe ohmmetru, indică lipsa continuităţii electrice dintr-un conductor sau component printr-un afişaj non-numeric. Unele model afişează „OL” (din engleză, Open Loop - circuit deschis), iar altele o serie de linii întrerupte.

Folosiţi multimetrul vostru pentru a determina continuitatea unei plăci electronice de test: un dispozitiv utilizat pentru construirea temporară a circuitelor. Folosiţi conductori subţiri de cupru, inseraţi în locurile libere de pe placă, pentru a putea conecta sondele aparatului de măsură la placă. Testaţi continuitatea lor.

Un concept foarte important în teoria electricităţii, strâns legat de cel al continuităţii, este cel al punctelor comune din punct de vedere electric. Punctele electrice comune, sunt puncte de contact dintr-un circuit sau dispozitiv, ce posedă o rezisenţă electric neglijabilă (extrem de mică) între ele.

Putem spune, prin urmare, conform experimentului de mai sus, că punctele verticale de o placă de test sunt comune din punct de vedere electric. Acest lucru se datorează faptului că există continuitate electrică între ele. Asemanător, punctele orizontale nu sunt electric comune, deoarece nu există continuitate electrică între ele.

Acest concept, de puncte comune, este foarte important de stăpânit. Motivul constă în faptul că exista câteva aspecte legate de tensiune ce au legătură directă cu acest concept, şi sunt foarte importante pentru analiza circuitelor şi depanarea lor. De exemplu, între două puncte electric comune, nu va exista niciodată o cădere de tensiune (substanţială).

1.2.3 Măsurarea unui rezistor

Alegeţi, de exemplu, un rezistor de 10 kΩ dintr trusa voastră. Valoarea rezistenţei este indicată printr-o serie de bezi colorate: maro, negru, portocaliu şi încă o culoare reprezentând precizia rezistorului: auriu (+/- 5%) sau argintiu (+/- 10%). Se consideră că rezistorii fără culoare de precizie au de fapt o precizie de +/- 20%. Alţi rezistori pot avea cinci bezi colorate pentru indicarea valorii şi a preciziei. În acest caz, culorile pentru un rezistor de 10 kΩ (10.000 Ω) vor fi: maro, negru, negru, roşu si o culoare de precizie.

Conectaţi sondele aparatului de măsură la terminalii (bornele) rezistorului conform figurii de mai jos, şi observaţi afişajul aparatului:

Dacă acul indicator se află foarte aproape de valoare de zero, va trebui să alegeţi o altă scară de măsură (mai mică), la fel ca în cazul măsurării unei tensiuni.

Dacă folosiţi un multimetru digital, ar trebui să vedeţi o cifră foarte aproape de 10 pe afişaj, şi un semn „k” mic în partea dreaptă. Acesta semnifică prefixul „kilo”, sau 1.000. Asemănător, încercaţi diferite scări de măsură prin intermediul selectorului, pentru a vedea care dintre ele oferă cea mai bună indicaţie.

Inversaţi acum sondele ohmmetrului între ele. Se modifică în acest caz indicaţia aparatului de măsură în vreun fel? Ce ne spune acest lucru despre rezistenţa unui rezistor? Ce se întâmplă dacă conectăm doar o singură sondă la unul dintre terminalii rezistorului? Ce ne spune acest lucru despre natura rezistenţei şi despre felul în care este ea măsurată? Cum se compară aceste rezultate cu rezultatele obţinute la măsurarea tensiunii?

În timp ce realizaţi măsurătoarea propriu-zisă, încercaţi să nu atingeţi ambele sonde cu degetele. Dacă faceţi acest lucru, veţi măsura în realitate combinaţia paralelă dintre rezistor şi corp. Acest lucru determină o indicaţie mai mică a ohmmetrului decât ar trebui în mod normal. Pentru măsurarea unei rezistenţe de 10 kΩ, eroarea va fi minimă, dar s-ar putea să fie mult mai mare dacă măsurăm alţi rezistori. Încercaţi acest lucru dacă dispuneţi de mai mulţi rezistori, de mărimi şi precizii diferite.

1.2.4 Măsurarea rezistenţei corpului

Puteţi măsură în siguranţa rezistenţa propriului vostru corp. Ţineţi vârful uneia dintre sonde între degetele de la mâna, iar sonda cealaltă cu degetele de la cealaltă mână. Ţineţi vârful sondelor în lungime, şi nu le prindeti exact de vârf. Observaţi indicaţia ohmmetrului. Corpul are de obicei o rezistenţa mai mare de 10.000 de ohmi între cele două mâini. Ar trebui să obţineţi o valoare aproximativ egală cu aceasta.

Umeziţi-vă degetele cu apă, şi remăsuraţi rezistenţa corpului cu ohmmetrul. Ce impact are acest lucru asupra indicaţiei aparatului. Umeziţi-vă apoi degetele în apa sărată şi remăsuraţi rezistenţa. Ce impact are acest lucru asupra rezistenţei corpului vostru?

Rezistenţa electrică este frecarea întâmpinată de electroni pe măsură ce aceştia se deplasează printr-un obiect. Cu cât rezistenţa dintre două puncte este mai mare, cu atât deplasarea electronilor între acele două puncte este mai dificilă. Cunoscând faptul că electrocutarea este cauzată de o deplasarea importantă de electroni prin corpului victimei, o creştere a rezistenţei corpului este o măsură excelentă de prevenire a accidentelor neplăcute.

1.2.5 Măsurarea rezistenţei diodei

Măsuraţi rezistenţa unei diode cu un ohmmetru. Încercaţi să inversaţi modul de conectare al sondelor pe terminalii diodei şi remăsuraţi rezistenţa. Care este diferenţa dintre diodă şi rezistenţa din acest punct de vedere?

1.2.6 Măsurarea rezistenţei grafitului

Luaţi o foaie de hârtie şi trasaţi o linie groasă cu un creion (nu cu pix!). Măsuraţi rezistenţa liniei cu ajutorul ohmmetrului, poziţionând sondele la capătului liniei astfel:

Aduceţi vârful sondelor mai aproape una de celaltă, dar menţinând contactul cu linia. Ce se întâmplă cu rezistenţa în acest caz, creşte sau scade? Dacă rezultatele sunt incompatibile, va trebui să retrasaţi linia, astfel încât densitatea ei să fie consistentă. Ce vă spune acest lucru despre legătura dintre rezistenţăşi lungimea unui material conductor?

1.2.7 Masurarea rezistenţei unei celule fotovoltaice

Conectaţi sondele aparatului de măsură la bornele unei celule fotovoltaice de. Măsuraţi varianţia rezistenţei datorată diferitelor expuneri la lumină. Asemănător experimentului cu LED, este indicat să folosiţi conductori cu crocodili pentru realizarea conexiuni componentului. În acest fel, puteţi ţine celula fotovoltaică în apropierea unei surse de lumină şi schimba în acelaşi timp scara aparatului:

Experimentăţi cu măsurarea rezistenţei diferitelor tipuri de materiale. Aveţi însă grijă să nu folosiţi ohmmetrul pe un component aflat sub tensiune, precum o baterie, de exemplu. Puteţi măsură rezistenţa următoarelor materiale, de exemplu: plastic, lemn, metal, apă curată, apă murdară, apă sărată, sticlă, diamant (de pe un inel), hârtie, cauciuc şi hârtie.

1.3 Realizarea unui circuit simplu

1.3.1 Scopul experimentului

În cele ce urmează vom realiza un circuit simplu, format dintr-un bec şi o baterie, precum cel prezentat în figura de mai jos:

Practic, circuitul nostru va arăta astfel:

Acesta reprezintă de fapt cel mai simplu circuit pe care îl vom studia în întreg volumul: o baterie şi un bec. Conectaţi becul la baterie, conform figurii de mai sus. Acesta ar trebui sa se aprindă în cazul în care ambele se află în stare de funcţionare, iar tensiunea bateriei este suficientă pentru a-l aprinde.

În cazul în care există o discontinuitate (circuit deschis), indiferent în ce parte a circuitului, becul nu se va aprinde. Nu contează locul apariţiei unei astfel de discontinuităţi. Experimentaţi cu scenariile prezentate mai jos ca să vă convingeţi de acest lucru:

1.3.2 Desfăşurarea experimentului

Folosind multimetrul setat pe poziţia DC, măsuraţi căderea de tensiune la bornele bateriei, la bornele becului şi la capetele firului de scurt-circuit. Familiarizaţi-vă cu valorile normale ale tensiuni într-un cirucit aflat în funcţionare.

Acum, întrerupeţi circuitul şi remăsuraţi tensiune între aceleaşi seturi de puncte. Opţional, măsuraţi tensinea în locul întreruperii circuitului, astfel:

Ce tensiuni sunt similare tensiunilor de dinainte? Ce tensiuni sunt diferite după introducerea întreruperii? Ce cantitate de tensiune se regăseşte la locul întreruperii? Care este polaritatea căderii de tensiune de la locul întreruperii, indicată de aparatul de măsură?

Refaceţi circuitul prin reconectarea bateriei la bec, şi întrerupeţi circuitul în alt loc. Măsuraţi din nou căderile de tensine. Familiarizaţi-va cu valorile tensiunilor într-un circuit deschis.

Realizaţi acelaşi circuit pe o placă de test. Aveţi grijă să introduceţi becul şi firele pe placă astfel încât să există contact între ele (continuitatea circuitului). Exemplul de mai jos este doar un exemplu, şi nu reprezintă singura modalitate de realizare a unui circuit pe placă:

Experimentaţi cu diferite configuraţii ale circuitului pe placa de test. Dacă întâmpinaţi o situaţie în care becul nu se aprinde, iar firele conductoare se încălzesc, aveţi probabil de a face cu un scurt-circuit. Cu alte cuvinte, există un drum cu o rezistenţă mai mică decât a becului. Curentul va „prefera” acest drum în detrimentul becului. Să vedem un astfel de exemplu:

Şi un exemplu tipic de scurt-circuit accidental realizat de obicei de cei care nu sunt familiarizaţi încă cu folosirea plăcii de test:

Vă daţi seama de unde rezultă scurt-circuitul? Astfel de scenarii trebuie însă evitate cu orice preţ, întrucât scurt-circuitele pot duce la distrugeri materiale şi vătămări corporale.

Puteţi de asemenea realiza circuitul de mai sus folosindu-vă de o regletă de borne:

1.4 Măsurarea curentului

1.4.1 Scopul experimentului

Următorul experiment are ca principal scop realizarea şi înţelegearea circuitului de mai jos:

Practic, circuitul de mai sus arată astfel:

1.4.2 Atenţie la scurt-circuitarea accidentală a ampermetrului

Cea mai uitilizată metodă de măsurare a curentului constă în întreruperea circuitului şi introducerea unui ampermetru în serie cu circuitul. În acest fel toţi electroni ce trec prin circuitu, vor trebui să treacă şi prin ampermetru. Deoarece măsurarea curentului în acest fel necesită introducerea aparatului de măsură în circuit, acest tip de măsurătoare este mai dificilă decât măsurarea tensiunii sau a rezistenţei.

Unele multimetre digitale, precum cel din figură, sunt prevăzute cu un conector separat pentru măsurarea curentului. Introduceţi sonda roşie în acest conector, marcat cu „A”.

În mod ideal, la bornele unui ampermetrului introdus în serie într-un circuit, nu va exista cădere de tensiune. Cu alte cuvinte, acesta se comportă precum un fir conductor, prezentând o rezistenţa foarte mică de la un capăt la celălalt. Prin urmare, un ampermetru se va comporta precum un scurt-circuit dacă este conectat în paralel cu o sursă substanţială de tensiune. Nu încercaţi totuşi să faceţi acest lucru. Curentul foarte mare rezultat poate duce la distrugerea aparatului:

Ampermetrele sunt de obicei protejate împotriva unor astfel de scenarii prin intermediul unei siguranţe fuzibile localizate în interiorul carcasei. Încercaţi însă să evitaţi astfel de scenarii.

Puteţi verifica starea siguranţei fuzibile interne a multimetrului trecând pe „Ω” (măsurare rezistenţe), şi măsurând continuitatea între cele două sonde (şi prin siguranţa fuzibilă), astfel:

1.4.3 Desfăşurarea experimentului

Realizaţi circuitul de mai sus constând dintr-o baterie şi un bec folosindu-vă de fire conductoare adiţionale. Utilizaţi aceste fire pentru conectarea becului la baterie. Verificaţi dacă becul se aprinde înainte de a conecta şi ampermetrul în circuit. Întrerupeţi apoi circuitul într-un anumit punct, şi conectaţi ampermetrul între cele două puncte rămase libere după deschiderea curentului, Măsuraţi valoarea curentului.

Ca de obicei, daca aparatul de măsură pe care îl folosiţi este manual, selectaţi la început valoarea cea mai mare a scalei. Mutaţi selectorul pe poziţii mai joase până când obţineţi cea mai precisă măsurătoare, având grijă să nu depăşiţi scare. Dacă indicaţia este „inversă” (acul indicator deplasat în stânga, sau o valoare negativă pe afişaj), inversaţi sondele între ele şi încercaţi din nou. Când ampermetrul indică o citire normală (nu inversă), electronii intră prin sonda neagră şi ies prin sonda roşie. Acesta este modul de determinare al direcţiei curentului folosind un aparat de măsură.

Pentru o baterie de 6 V şi un bec mic, curentul prin circuit este de ordinul miliamperilor (mA). Multimetrele digitale arată de obicei acest lucru printr-un mic „m” în partea dreaptă a afişajului.

Încercaţi să întrerupeţi circuitul în alt punct, şi conectaţi ampermetrul între acele puncte. Ce puteţi spune despre valoarea curentului? De ce credeţi că se întâmplă acest lucru?

Refaceţi circuitul pe o placă de test, astfel:

Este foarte posibil ca în acest moment să nu vă daţi seama cum aţi putea conecta un ampermetru la o placă de test. Cum putem conecta ampermetrul pentru a măsura întreaga cantitate de curent şi a nu crea un scurt-circuit. Realizaţi circuitul de mai jos:

Din nou, măsuraţi valoarea curentului prin diferite fire ale acestui circuit. Urmaţi aceleaşi metode precum cele de mai sus. Ce observaţi în legătură cu aceste măsurători? Rezultatele măsurătorilor realizate pe placa de test ar trebui să fie identice cu rezultate obţinute fără placa de test, din exemplul precedent.

Dacă ar fi să construim circuitul de mai sus pe o regletă de borne, rezultatul ar fi similar:

1.5 Legea lui Ohm (experiment)

1.5.1 Scopul experimentului

În acest experiment vom încerca să ilustrăm „funcţionarea” legii lui Ohm, construind circuitul de mai jos:

Practic, circuitul va arăta astfel:

1.5.2 Desfăşurarea experimentului

Alegeţi un rezistor din trusa voastră. Măsuraţi rezistenţa lui cu ajutorul multimetrului. Notaţi-vă rezultatul pentru a-l putea folosi pe viitor.

Construiţi un circuit format dintr-o baterie şi un rezistor. În figură, circuitul este realizat cu ajutorul unei reglete de borne, dar orice mijloc de realizare a circuitului este la fel de bun. Setaţi multimetrul pe scara de tensiune apropiată şi măsuraţi căderea de tensiune la bornele rezistorului în timp ce este alimentat de la baterie. Notaţi-vă acest rezultat pentru a-l putea folosit mai departe, alături de valoarea rezistenţei de mai sus.

Poziţionaţi selectorul multimetrului pe cea mai mare scară de curent disponibilă. Deschideţi circuitul şi conectaţi ampermetrul între cele două puncte libere. Ampermetrul va fi acum în serie cu bateria şi rezistorul. Selectaţi cea mai bună scară de tensiune: cea care dă cea mai precisă indicaţie a curentului, fără a depăşi scara. Notăţi şi această valoare a curentului alături de valoarea rezistenţei şi a tensiunii.

Luaţi valorile pentru tensiune şi rezistenţa măsurate mai sus şi aplicaţi legea lui Ohm pentru a determina valoarea curentului din circuit. Comparaţi valoarea astfel calculată cu valoarea măsurată cu ajutorul multimetrului:

I = E / R

unde, E = tensiunea în volţi I = curentul în amperi R = rezistenţa în ohmi

Asemănător, luaţi valorile măsurate pentru tensiune şi curent şi aplicaţi legea lui Ohm pentru calcularea rezistenţei circuitului. Comparaţi valoarea obţinută cu cea măsurată cu ajutorul multimetrului:

R = E / I

Şi, în sfârşit, luaţi valorile măsurate mai sus pentru rezistenţa şi curent şi aplicaţi legea lui Ohm pentru calcularea tensiunii circuitului. Comparati valoarea calculată cu cea măsurată:

E = IR

Rezultatele obţinute prin măsurări şi prin calcul ar trebui să fie foarte apropiate, pentru toate cele trei situaţii. Orice diferenţă între respectivele valori ale tensiunii, curentului sau rezistenţei se datorează mai mult ca sigur erorilor aparatului de măsură. Totuşi, aceste diferenţe ar trebui să fie mici, cel mult câteva procente. Desigur, unele aparate de măsură sunt mai precise decât altele.

Înlocuiţi rezistorul din circuitu cu alţi rezistori de mărimi diferite. Refaceţi măsurătorile de rezistenţă, tensiune şi curent. Refaceţi apoi calculele pentru aceste mărimi (cei trei paşi de mai sus). Observaţi relaţia matematică simplă dintre variaţia rezistenţei şi variaţia curentului din circuit. Tensiunea ar trebui însă să rămână aproximativ egală pentru oricare din rezistorii introduşi în circuit, deoarece acesta este rolul unei baterii: să menţină o cădere de tensiune constantă între bornele sale.

1.6 Rezistenţa non-liniară

1.6.1 Scopul experimentului

Vom încerca în cele ce urmează să arătăm că, în unele cazuri, valoarea rezistenţei nu este constantă. Pentru soluţionarea „misterului” variaţiei rezistenţei, vom face apel la „metoda ştiinţifică”. Pe parcurs, vom realiza circuitul de mai jos:

Practic, circuitul de mai sus va arăta astfel:

1.6.2 Desfăşurarea experimentului

Măsuraţi rezistenţa becului cu ajutorul multimetrului. Valoarea acestei rezistenţe se datorează filamentului subţire din interiorul becului. Rezistenţa acestuia este semnificativ mai mare decât rezistenţa unui conductor normal, dar mai mică decât a oricărui rezistor din experimentele precedente. Notaţi-vă această valoare a rezistenţei pentru utilizarea ei ulterioară.

Construiţi un circuit format dintr-o baterie şi un bec. Selectaţi o scară de tensiune apropiată şi măsuraţi căderea de tensiune la bornele becului când acesta este alimentat (aprins). Notaţi-vă şi această valoare, lângă cea a rezistenţei.

Setaţi-vă multimetrul pe cea mai mare scară de curent disponibilă. Deschideţi circuitul şi conectaţi ampermetrul între capetele libere ale circuitului deschis. Ampermetrul este acum parte din circuit, fiind legat în serie cu bateria şi becul. Selectaţi cea mai bună scară de curent. Notaţi-vă si această valoare a curentului alături de celelalte două valori de mai sus.

Luaţi valorile tensiunii şi rezistenţei obţinute la măsurătorile de mai sus şi aplicaţi legea lui Ohm pentru calcularea curentului din circuit. Comparaţi această valoare calculată cu valoarea măsurată a curentului din circuit:

I = E / R

Ceea ce ar trebui să observaţi este existenţa unei diferenţe între curentul măsurat şi cel calculat. Valoarea calculată este mult mai mare. De ce se întâmplă acest lucru?

Pentru a face lucrurile şi mai interesante, încercaţi să măsuraţi din nou rezistenţa becului, folosind de această dată un alt model de multimetru (dacă dispuneţi de unul, desigur). Va trebui să scoateţi becul din circuit pentru a putea face o astfel de măsurătoare, deoarece tensiunile existente în exteriorul aparatului de măsură afectează valorile măsurate ale rezistenţei. Aceasta este o regulă generală pe care va trebui să o ţineţi minte: măsuraţi rezistenţa doar după ce componentul respectiv nu mai este alimentat cu energie electrică!

Folosind un ohmmetru diferit, valoarea rezistenţei becului va fi probabil diferită. Acest comportament este foarte diferit de cel al rezistorilor din ultimul experiment. De ce se întâmplă acest lucru? Ce anume ar putea influenţa rezistenţa filamentului lămpii, şi care e diferenţa dintre cele două condiţii, aprind şi stins? De asemenea, care e diferenţa între măsurătorile efectuate cu diferite tipuri de aparate de măsură? De ce se întâmplă acest lucru?

Problema de mai sus este un foarte bun exemplu de aplicare a metodei ştiinţifice. Dacă aţi găsit un posibil răspuns pentru variaţia rezistenţei becului între cele două condiţii, aprins şi stins, încercaţi să reproduceţi această scenariul respectiv prin alte mijloace. De exemplu, aţi putea presupune că rezistenţa becului variază datorită expunerii la lumină (propria ei lumină, când becul este aprins). Această variaţie ar putea prin urmare explica variaţia dintre curenţii măsuraţi şi cei calculaţi. Dacă acesta este cazul, încercaţi să expuneţi becul la o sursă de lumină externă. Măsuraţi apoi rezistenţa acestuia. Dacă observaţi o diferenţă substanţială a rezistenţei între cele două scenarii, atunci ipoteza voastră s-ar putea să fie adevărată, deoarece aţi demonstrat-o experimental. În caz contrar, ipoteza voastră s-a dovedit falsă. Acest lucru înseamnă că există o altă cauză pentru variaţia rezistenţei. Care este aceasta?

1.7 Disiparea puterii

1.7.1 Scopul experimentului

Pentru realizarea acestui experiment, veţi avea nevoie de doi rezistori cu o putere de 0,25 W: unul de 10 Ω şi celălalt de 330 Ω. Nu folosiţi o baterie mai mare de 6 V. Este indicat ca termometrul utilizat să fie cât mai mic cu putinţă, pentru a putea măsura rapid căldura produsă de rezistor.

Scopul acestui experiment este familiarizarea cu legea lui Joule, importanţa puterii nominale a componentelor precum şi importanţa punctelor electric comune. Circuit pe care îl vom realiza este următorul:

Practic, circuitul va arăta conform figurii de mai jos. Atenţie însă, nu ţineţi rezistorul între degete atunci când este alimentat.

1.7.2 Realizarea circuitului şi a măsurătorilor

Măsuraţi valoarea fiecărui rezistor cu ohmmetrul. Notaţi-vă valorile obţinute pentru a le putea folosi în viitor.

Conectaţi rezistorul de 330 Ω la bateria de 6 V, precum în figura de mai sus. Folosiţi conductori adiţionali. Conectaţi prima dată conductorii de legătură la terminalii rezistorului. Conectaţi apoi (şi nu înainte!) conductorii la baterie. Putem evita astfel atingerea suprafeţei rezistorului atunci când acesta este alimentat.

Poate vă întrebaţi de ce am încerca să evităm contactul cu suprafaţa rezistorului când acesta este alimentat. Răspunsul este că acesta se va încălzi. Acesta este şi motivul pentru care avem nevoie de un termometru, pentru a măsură această temperatură.

Cu rezistorul de 330 Ω conectat la baterie, măsuraţi tensiunea cu ajutorul voltmetrului. Putem realiza acest lucru în mai multe feluri. Tensiunea poate fi măsurată direct la bornele bateriei, sau direct la bornele rezistorului. Tensiunea bateriei este aceiaşi cu tensiunea la bornele bateriei în circuitul de faţă. Încercaţi să măsuraţi tensiunea în ambele puncte pentru a vă lămuri că acest lucru este adevărat. Acesta este un principiu al punctelor electric comune, ceea ce avem şi în circuitul de mai jos:

1.7.3 Calcularea puterii disipate

Acum că avem toate datele necesare (rezistenţa, tensiune şi curent), putem calcula puterea disipată. Putem folosi oricare dintre cele trei relaţii - cunoscute sub numele de „legea lui Joule” - cunoscând cel puţin două valori dintre cele trei enumerate mai sus:

P = IE
P = I2R
P = E2 / R  

Încercaţi să calculaţi puterea disipată în acest circuit, folosindu-vă de cele trei valori măsurate mai sus. Indiferent de formula pe care o aplicaţii, rezultatul va fi aproximativ acelaşi. Presupunând că avem o baterie de 6 V şi un rezistor de 330 Ω, puterea disipată va fi de 0,109 W, sau 109 mW. Din moment ce puterea nominală a rezistorului (specificată de producător) este de 0,25 W sau 250 mW, rezistorul nostru poate disipa fără probleme o putere de 109 mW. Fiindcă valoarea efectivă a puterii este aproximativ jumătate din puterea nominală, rezistorul se va încălzi putin, dar nu se va supra-încălzi. Atingeţi mijlocul rezistorului cu vârful termometrului. Care este temperatura acestuia?

Puterea (maximă) nominală (înscrisă pe component sau specificată de producător) a unui component electric nu ne spune cantitatea de putere ce o va disipa componentul respectiv. Ne spune în schimb, care este cantitate de putere ce o poate disipa fără a duce la distrugerea acestuia. Dacă puterea efectiv disipată în timpul funcţionării depăşeşte puterea nominală a componentului, temperatura acestuia va creşte atât de mult încât va duce la distrugerea lui.

Pentru a ilustra cele spuse mai sus, deconectăti rezistorul de 330 Ω. Înlocuiţi-l cu un rezistor de 10 Ω. Evitaţi atingerea acestuia după ce aţi alimentat circuitul, deoarece se va încălzi repede. Atenţie, ţineţi rezistorul de 10 Ω departe de materiale inflamabile de orice fel, atunci când este alimentat!

Probabil că nu veţi avea timp suficient să măsuraţi tensiunea şi curentul înainte ca rezistorul să scoată fum. Dacă observaţi un astfel de comportament, întrerupeţi circuitul şi lăsaţi rezistorul câteva clipe pentru a se răci. Măsuraţi apoi rezistenţa acestuia cu ohmmetrul şi vedeţi dacă există o variaţie faţă de valoarea iniţială a rezistenţei. Dacă valoarea se încadrează încă în limita de +/-5 (între 9,5 şi 10,5 Ω), reconectaţi-o în circuit şi lăsaţi-o să mai fumege puţin.

Ce se întâmplă cu valoarea rezistenţei pe măsură ce rezistorul se arde din ce în ce mai tare? Distrugerea totală a rezistorului duce la o valoare a rezistenţei infinită între cei doi terminali.

Realizaţi acum calculele pentru aflarea puterii disipate de rezistorul de 10 Ω folosind legile lui Joule. Un rezistor de 10 Ω conectat la o baterie de 6 V va disipa o putere de 3,6 W, de 14,4 ori mai mult decât puterea nominală a acestuia. Nu e de mirare atunci că „ia foc” aşa de repede după conectarea la baterie.

1.8 Circuit cu înrerupator

1.8.1 Scopul experimentului

Utilizarea unui întrerupător într-un circuit simplu. Pentru acest experiment aveţi nevoie de un întrerupător simplu, mecanic (întrerupător de veioză sau de perete, de exemplu). Vom realiza aşadar circuitul de mai jos:

Practic, circuitul va arăta astfel:

1.8.2 Desfăşurarea experimentului

Construiţi circuitul de mai sus format dintr-o baterie, un întrerupător şi un bec, precum în figura de mai sus. Acest circuit este cu atât mai impresionant cu cât firele conductoare sunt mai lungi, întrucât se poate vedea faptul că întrerupătorul poate controla curentul din circuit, indiferent de mărimea circuitului.

Măsuraţi tensiunea la bornele bateriei, la bornele întrerupătorului (între cele două şuruburi). Masuraţi tensiunea şi la bornele becului, în ambele poziţii ale întrerupătorului. Când întrerupătorul este dezactivat (becul este stins), spunem că acesta este deschis. La fel ca în exemplele precedente, orice întrerupere a circuitului, indiferent de locatie, duce la întreruperea curentului prin întreg circuitul. Rezultatul este, evident, stingerea becului.

1.9 Realizarea unui electromagnet

1.9.1 Scopul experimentului

Aplicarea „regulii mâini stângi” şi realizarea practică a unui electromagnet. Veţi avea nevoie de un conductor lung de electromagnet. Aceşti conductori nu sunt altceva decât conductori de cupru izolaţi prin lăcuire, folosiţi pentru construirea transformatoarelor sau a motoarelor electrice. Puteţi obţine un astfel de conductor dintr-un transformator (stricat).

Veţi avea de asemenea nevoie de un bolţ, cui sau o bară metalică. Atenţie, oţelul inoxidabil nu este magnetic, si prin urmare nu va putea fi folosit pe post de miez electromagnetic!

Pe parcursul experimentului vom realiza circuitul de mai jos:

Practic, circuitul va arăta astfel:

1.9.2 Desfăşurarea experimentului

Înfăsuraţi pentru început o bandă izolatoare în jurul barei metalice (sau cui, ce aveţi la dispoziţie). Acest lucru va proteja conductorii împotriva abraziunii. Asiguraţi-vă că după finalizarea înfăsurării, va rămân cele două captele libere pentru a putea alimenta electromagnetul. Înfăşuraţi apoi conductorul izolat în jurul barei metalice de câteva sute de ori, pe cât de egal se poate (nu toate înfăşurările în acelaşi loc). Puteţi desigur să suprapuneţi conductorii, întrucât sunt izolaţi prin lăcuire.

Singura regulă pe care trebuie să o respectaţi, este că toate înfăsurările trebuie să fie realizate în aceiaşi direcţie. De exemplu, toate să fie în sensul acelor de ceasornic. După ce aţi făcut câteva sute de înfăşurări în jurul elementului metalic, înfăşuraţi un nou strat de bandă izolatoare peste conductori. Îndepărtăti lacul izolator de pe capetele conductorilor. Conectaţi apoi aceste capete la o baterie.

La trecerea curentului electric prin înfăşurare, va lua naştere un câmp magnetic destul de puternic: câte un pol la fiecare capăt al elementului metalic. Acest fenoment poartă numele de electromagnetism. Puteţi folosi un compas pentru identificarea polilor magnetic Nord şi Sud ai electromagnetului.

După ce electromagnetul a fost conectat la baterie, aduceţi un magnet permanent în apropierea unuia dintre poli. Observaţi ce tip de forţa apare între cei doi, de atracţie sau de respingere? Inversaţi orientarea magnetului permanent. Ce tip de forţă există în acest caz? Încercaţi să folosiţi electromagnetul pentru a atrage diferite obiecte metalice ce le aveţi la îndemână (agrafe, ace de gămălie, etc.), la fel cum aţi folosi un magnet permanent.

1.10 Inducţia electromagnetică

1.10.1 Scopul experimentului

Experimentul de faţă este asemănător experimentului precedent. Veţi avea nevoie de un electromagnet şi un multimetru. Prin realizarea circuitului de mai jos, vom demonstra relaţia dintre intensitatea câmpului magnetic şi tensiunea indusă:

Circuitul practic va arăta astfel:

Inducţia electromagnetică este inversul fenomenului de electromagnetism. În exemplul precedent am produs un câmp magnetic cu ajutorul unei tensiuni electrice. În exemplul de faţa, vom inversa această situaţie, şi vom produce un curent electric cu ajutorul unui câmp magnetic. Exista totuşi, o diferenţă importantă: în cazul electromagnetismului, câmpul magnetic este produs de un curent constant (curent continuu). Inducţia electromagnetică necesită o deplasare a magnetului sau a bobine pentru a produce o tensiune.

1.10.2 Desfăşurarea experimentului

Conectaţi multimetrul la capetele înfăşurării. Selectaţi cea mai sensibilă scară de curent continuu disponibilă. Deplasaţi magnetul permanent înspre electromagnet şi înapoi. Observaţi polaritatea şi valoarea tensiunii induse. Deplasaţi magnetul cu viteze diferite. Ce anume determină valoarea tensiunii induse?

Încercaţi acelaşi lucru cu capătul celălalt al electromagnetului. Încercaţi acelaşi lucru cu partea opusă a magnetului permanen. Comparaţi rezultatele.

Dacă folosiţi un multimetru analogic, utilizati conductori de legătură (prelungire) pentru a poziţiona aparatul de măsură cât mai departe de bobină. Câmpul magnetic generat de magnetul permanent poate afecta buna funcţionare a aparatului şi poate indica citiri greşite. Multimetrele digitale nu sunt afectate de câpurile magnetice.