Kilka doświadczeń z kawałkiem drutu, CAŁE MNÓSTWO TEKSTU

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Nauczanie fizyki w wyższych szkołach technicznych
XIII Konferencja, Wrocław 2000
Kilka Doświadczeń Z Kawałkiem Drutu
Ryszard Poprawski *, Andrzej Kolarz *, Wojciech Poprawski **
* Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50–370 Wrocław
** Student Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, kierunek – Automatyka i Robotyka
Motto:
„Lepiej raz zobaczyć niż sto razy usłyszeć”
1. Wstęp
Prowadzący wykłady z fizyki ogólnej dla studentów kierunków inżynierskich wyższych
uczelni technicznych często narzekają na brak możliwości uzupełniania wykładów pokazami
ilustrującymi omawiane zjawiska. Pragniemy wykazać, że dysponując bardzo skromnymi
możliwościami technicznymi, przy pewnej dozie inwencji i zaangażowania, można wzbogacić
wykłady interesującymi pokazami oraz przykładami zastosowań omawianych zjawisk w życiu
codziennym i praktyce inżynierskiej.
Opracowanie stanowi streszczenie części wykładu wygłoszonego przez autorów 1 marca
2000 roku w ramach spotkań z młodzieżą szkół średnich Dolnego Śląska organizowanych przez
Instytut Fizyki Politechniki Wrocławskiej.
Zasadniczą częścią układu pomiarowego jest odcinek cienkiego drutu oporowego rozpiętego
między dwoma odizolowanymi od siebie elektrycznie uchwytami. Drut jest zamocowany w taki
sposób, aby w dość szerokim zakresie można było regulować jego naprężenie. Na środku listwy,
do której zamocowane są uchwyty umieszczone jest płaskie zwierciadło z naniesioną podziałką
milimetrową, służącą do pomiarów strzałki ugięcia drutu. Schemat układu przedstawiony jest na
rysunku.
Do wizualizacji wyników pomiarów elektrycznych można wykorzystać Metexy podłączone
do komputera.
Schemat układu pomiarowego.
2. Sprawdzanie prawa Hooke’a i wyznaczanie modułu Younga
Prawo Hooke’a opisuje związek między względną deformacją ciała
?
(dla wydłużenia
? =
?l/l
) i naprężeniem
? = F/S
. (1)
W równaniu (1)
F
oznacza siłę działającą na powierzchnię
S
, natomiast
E –
moduł Younga.
Zawieszając na środku drutu odważnik o znanej masie powodujemy jego wydłużenie.
Przyrost długości drutu
?l
wyznaczamy na podstawie pomiaru strzałki ugięcia. Znając długość
początkową drutu możemy obliczyć deformację względną
?
. Aby obliczyć naprężenie drutu,
należy wyznaczyć pole jego przekroju
S
(mierzymy średnicę) oraz siłę
F
. Siłę obliczamy
rozkładając ciężar na składowe równoległe do drutu. Na podstawie tych pomiarów można
obliczyć moduł Younga. Wykonując pomiary dla kilku różnych obciążeń można wykazać, że w
zakresie sprężystości związek między deformacją drutu i naprężeniem jest liniowy.
3. Rozszerzalność termiczna
Przepuszczając przez drut prąd powodujemy jego podgrzanie, a więc i wydłużenie. Jeżeli
drut obciążymy na środku niewielkim ciężarkiem (w celu wyprostowania), to z pomiarów
strzałki ugięcia możemy wyznaczyć przyrost jego długości
?l
, a znając długość początkową
obliczyć względną deformację termiczną
? = ?l/l.
Doświadczenie dobrze jest prowadzić w zaciemnionej sali, gdyż w ciemności łatwo jest
zaobserwować moment, kiedy drut zaczyna świecić. Z doświadczeń wiadomo, że ciało czarne
zaczyna emitować widoczne dla ludzkiego oka promieniowanie w temperaturze około 570
o
C.
Przyrost temperatury drutu
?T
w takich warunkach wynosi około 550
o
C. Korzystając z tych
danych możemy oszacować średnią wartość współczynnika rozszerzalności termicznej drutu w
przedziale od temperatury pokojowej do temperatury około 570
o
C ze wzoru
. (2)
Pokazując to doświadczenie warto zwrócić uwagę na znaczenie zjawiska rozszerzalności
termicznej w życiu codziennym oraz w technice. Zjawisko rozszerzalności wykorzystywane jest
do budowy czujników temperatury oraz termostatów (np. bimetaliczne termostaty w żelazkach
czy czajnikach, przerywacze świateł kierunkowskazów stosowane w samochodach, bezpieczniki
termiczne do instalacji elektrycznych, cieczowe czujniki temperatury stosowane w lodówkach
itd.).
Warto pokazać proces wydłużania się drutu po włączeniu prądu oraz kurczenia się drutu po
wyłączeniu grzania – strzałka ugięcia zmienia się o kilka cm!
4. Zależność oporu metalu od temperatury
Mierząc natężenie prądu płynącego przez drut oraz spadek napięcia, można łatwo wykazać,
że opór elektryczny metalu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Wyznaczając wartości oporu
w temperaturze pokojowej
R
0
oraz w temperaturze około 570
o
C można obliczyć przyrost oporu
drutu
?R = R
T
–R
0
. Znając przyrost temperatury drutu (
?T
550
o
C) można obliczyć średnią
wartość współczynnika temperaturowego oporu ze wzoru
. (3)
Tym razem należy zwrócić uwagę na wykorzystanie omawianego zjawiska do budowy
czujników temperatury, przykład stosowane w bardzo szerokim zakresie temperatur platynowe
czujniki temperatury PT–100.
Warto również podkreślić, że mierząc temperaturę za pomocą czujnika oporowego
zamieniamy wielkość nieelektryczną (temperaturę) na wielkość elektryczną (opór elektryczny).
Sygnały elektryczne łatwo jest przesyłać na duże odległości, gromadzić i opracowywać wyniki
pomiarów korzystając np. z komputerów, wykorzystywać w układach sterowania lub
automatycznej regulacji itd.
 5. Zasada działania termoanemometru
Dmuchając na rozgrzany do wysokiej temperatury cienki drut (jasno świecący) chłodzimy
go. W strumieniu powietrza drut ciemnieje. Pokazaliśmy, że ilość energii przekazywanej do
otoczenia zależy od prędkości przepływu gazu lub cieczy otaczającej rozgrzany drut.
Jeżeli ustalimy napięcie zasilające drut, to wskutek przepływu gazu lub cieczy temperatura
drutu obniży się, opór drutu zmaleje i w konsekwencji wzrośnie natężenie prądu płynącego przez
ten drut. Natężenie tego prądu może być miarą prędkości przepływu gazu, cieczy lub materiałów
sypkich (możliwe są inne rozwiązania, np. metoda stałej mocy zasilającej układ lub metoda
stałego oporu).
Energia przekazywana przez rozgrzany drut do otoczenia zależy nie tylko od prędkości
przepływu gazu, lecz również od orientacji drutu względem strumienia gazu. Tę zależność
można wykorzystać do wyznaczania kierunku przepływu. Jeżeli termoanemometr jest wykonany
z trzech odcinków drutu ustawionych wzajemnie pod pewnymi kątami, to oprócz prędkości
możemy wyznaczyć kierunek przepływu gazu, cieczy lub materiału sypkiego.
Termoanemometr stanowi kolejny przykład pomiaru wielkości nieelektrycznej metodą
elektryczną.
6. Prawo Stefana–Boltzmanna
Strumień energii
?
E
emitowanej przez ciało czarne o powierzchni
S
jest proporcjonalny do
czwartej potęgi jego temperatury bezwzględnej
T
, (4)
gdzie:
?
SB
oznacza stałą Stefana–Boltzmanna.
Z prawa Plancka wynika, że większość energii emitowana jest w podczerwieni. Aby
wykazać związek między energią emitowaną przez drut i jego temperaturą, powinniśmy
dysponować detektorem promieniowania podczerwonego, którego czułość nie zależy od
długości fali promieniowania padającego na ten detektor. Warunek ten spełniają piroelektryczne
detektory promieniowania podczerwonego.
Jeżeli dysponujemy piroelektrycznym detektorem promieniowania podczerwonego (lub
bolometrem), (patrz np. [1]), to łatwo wykazać, że energia emitowana przez drut bardzo silnie
wzrasta ze wzrostem jego temperatury.
Prawo Stefana–Boltzmana jest bardzo ważne ze względu na to, że stało się jednym z
powodów, dla których sformułowano mechanikę kwantową, a także ze względu na zastosowania
promieniowania podczerwonego we współczesnej technice (przykłady: termowizja, termografia,
telekomunikacja światłowodowa czy też stosowane powszechnie do obsługi sprzętu audio i
video piloty).
 7. Prawo Ampere’a
Indukcja magnetyczna
B
w odległości
r
od długiego prostego przewodnika, przez który
płynie prąd o natężeniu
I,
znajdującego się w próżni dana jest równaniem
. (5)
Jeżeli drut będzie zasilany prądem stałym (wystarczy włączyć w obwód diodę lub układ
Gretza), to za pomocą igły magnetycznej bardzo łatwo pokazać, że wokół przewodnika powstaje
pole magnetyczne a kierunek tego pola określony jest regułą śruby prawoskrętnej.
Do wykazania zależności indukcji magnetycznej
B
(r)
przy ustalonym natężeniu prądu
I
oraz
indukcji
B
(I)
,
przy ustalonej odległości
r
, a więc potwierdzenia
prawa Ampere’a,
można
wykorzystać halotron.
8. Prawo indukcji Faradaya
Siła elektromotoryczna indukcji
E
jest proporcjonalna do prędkości zmian strumienia
indukcji magnetycznej
. (6)
Strumień indukcji magnetycznej: .
Jeżeli w pobliżu drutu, przez który płynie prąd zmienny umieścimy cewkę podłączoną do
oscyloskopu, to na ekranie można zaobserwować zależność siły elektromotorycznej indukowanej
w cewce (dokładniej napięcia) od czasu. Zmieniając natężenie prądu płynącego przez drut lub
odległość cewki od drutu można zilustrować prawo indukcji Faradaya lub
prawo Ampere’a
.
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej znajduje zastosowanie w pomiarach prędkości (np.
obrotomierze stosowane w rowerach) oraz odczycie informacji z taśm magnetofonowych, taśm
video czy też twardych dysków i dyskietek).
9. Siła elektrodynamiczna
Jeżeli pod rozżarzonym drutem, przez który płynie prąd przemienny (w naszym
eksperymencie częstość
f
= 50 Hz) umieścimy magnes, to drut zacznie drgać. Na drut działa
periodyczna siła elektrodynamiczna
. (7)
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]
  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • klobuckfatima.xlx.pl