background image

Małgorzata Dzida

I. Wstęp teoretyczny

Celem  ćwiczenia  przeprowadzanego  przez  studentów  było  zbadanie  temperaturowej
zależności  oporu  przewodników  dla  3  różnych  pierwiastków  oraz  oporu  zastępczego
szeregowego  i  równoległego  połączenia  oporników.  Wiadomości teoretyczne,  które  były
wykorzystywane w ćwiczeniu to:

Opór  elektryczny – inaczej  zwany  rezystancją.  Jest  to  wielkość,  która  charakteryzuje
zależność  pomiędzy  natężeniem  a  napięciem  prądu  elektrycznego  w  obwodach  prądu
stałego. Opór oznacza się umownie literą R a jednostką oporu w układzie Si jest Ω.

Pierwsze prawo Ohma – nazwa wywodzi się od nazwiska uczonego (

Georga Simona Ohm

a),

który  odkrył  prawidłowość  taką,  że:  Natężenie  prądu płynącego  przez  przewodnik  jest
proporcjonalne do napięcia między końcami przewodnika

= ∙

Drugie  prawo  Ohma – w  drugim  prawie  brana  jest  pod  uwagę  geometria  przewodnika.
Mianowicie jego długość, przekrój poprzeczny oraz właściwości materiału z którego został
wykonany. Matematycznie wyrażane jest wzorem:

=

Gdzie:

l - długość przewodnika

S – przekról poprzeczny

− stała materiałowa

R – opór właściwy

Pierwsze prawo Kirchhoffa – mówi ono, że suma natężeń prądów wpływających do węzła i

niego 

wypływających 

jest 

równa 

0.

= 0

Drugie  prawo  Kirchhoffa - Według  tego  prawa  suma  wartości  chwilowych  sił
elektromotorycznych w układzie równa się sumie wartości chwilowych spadków napięć na
opornikach danego obwodu.

=

Oporniki można połączyć ze sobą w dwojaki sposób

1.  Szeregowo:

Połączenie  takie  charakteryzuje

się  tym,  że  koniec  pierwszego  opornika  (w  naszym  przypadku  R

1

)  jest  bezpośrednio

połączony z początkiem kolejnego opornika (R

2

).

background image

Ich rezystancja zastępcza jest sumą poszczególnych oporów.

R

z

= R

1

+ R

2

+ R

3

2

.

Równolegle:      W  przypadku  takiego  połączenie  następuje  spadek  napięcia,  który  na

każdym  z  oporników  jest  identyczny  i  jest  równy  spadkowi  napięcia  na  rezystancji
zastępczej R

z

Matematycznie:

= + +

Pasmowa teoria przewodnictwa ciał stałych:

Wyróżniamy: izolatory, półprzewodniki i przewodniki. Po krótce omówię każdy z nich.

Izolatory – W  swojej  budowie  najwyżej  położone  pasmo  zwane  pasmem  przewodnictwa
materiały takie mają całkowicie wyplenione. Żeby przewodzenie prądu w takim materiale
było  możliwe,  to  elektron  musiałby  wskoczyć  na  wyżej  położony  poziom  w  pasie
przewodnictwa. W izolatorach jednak jest to niemożliwe ze względu na zbyt dużą odległość
pomiędzy pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym. Przerwa jest za duża i elektron
nie pokona takiej bariery energetycznej.

Półprzewodniki – w swojej budowie bardzo podobne są do izolatorów z tą jedynie różnicą,
że  przerwa  energetyczna  jest  mniejsza.  Gdy  w  układzie  temperatura  zaczyna  wzrastać,
elektrony mogą uzyskać energię, która pozwoli im pokonać barierę przerwy energetycznej i
przejdą na wyższy poziom – pasma przewodnictwa. W materiale takim zacznie płynąć prąd
elektryczny.

Przewodniki – Są  to  substancje,  które bardzo  dobrze  przewodzą  prąd  elektryczny.
Charakteryzują się tym, że pasmo przewodnictwa jest tylko częściowo wypełnione i przerwa
energetyczna nie jest duża, więc elektrony mogą swobodnie przejść do wyższego stanu.

Opór elektryczny zmienia się wraz z wartością temperatury z tego powodu, że przewodniki
mają  wokół  siebie  bardzo  dużo  elektronów,  które  stanowią  gaz  elektronowy.  Są  one
względem siebie w nieustannym ruchu gdy brak zewnętrznego źródła pola elektrycznego.
Możemy wytworzyć jednak dodatkową składową prędkości tych elektronów. Dokonać tego
można wytwarzając różnicę potencjałów. W jej wyniku gaz elektronowy dryfuje i zaczyna
płynąć  prąd.  Gdy  zwiększamy  energię  (w  postaci  temperatury)  rosną  amplitudy  drgań
atomów sieci krystalicznej wokół położeń równowagi. Powoduje to, że maleje średnia droga
swobodna elektronów (częściej się ze sobą zderzają) a w konsekwencji opór właściwy rośnie.

Przewodnictwo przewodników przy wzroście temperatury maleje (opór wzrasta) – Pt, Ni, a
półprzewodników  i  dielektryków  rośnie  (opór  maleje) – C.  Dzieje  się  tak  dlatego,  że  jak
napisano  wyżej  rośnie  amplituda  drgań  atomów  w  sieci  krystalicznej,  co  powoduje,  że  w
przypadku  przewodnika  utrudniają  one  ruch  swobodnych  elektronów,  (przewodnictwo
maleje)  natomiast  w  przypadku  dielektryka  ułatwiają  oderwanie  się  elektronów
walencyjnych (przewodnictwo rośnie).

background image

Zależność oporu i oporu właściwego od temperatury:

=

( − )

=

+

( − )

=

( − )

Gdzie:

– opór właściwy w temperaturze T

– opór właściwy w temperaturze

– temperaturowy współczynnik oporu właściwego

T – temperatura dla której badamy wartość oporu

– opór opór przewodnika w temperaturze T

– opór  początkowy, wartość  określana  dla  konkretnej  temperatury  początkowej

( )

α  to temperaturowy współczynnik  oporu  właściwego,  który  jest  wielkością,  która

dla każdego materiału przyjmuje inne wartości. Dla niklu i platyny jest on dodatni i
wynosi odpowiednio: 0,006 [ ] i 0,003 [ ]. Natomiast dla węgla współczynnik ten
przyjmuje wartość ujemną i wynosi -0,0005 [ ].

W  ćwiczeniu  zbudować  należało  układ

zwany mostkiem Wheatestone’a.

Układ taki zbudowany jest z:

- źródła napięcia

- 4 oporników

- mikroamperomierza

Znane są opory 3 oporników co pozwala nam

obliczyć opór 4-go opornika.

Gdy  mostek  jest  zrównoważony,  przed
odcinek  CD  nie  płynie  prąd.  Tak  więc  natężenie  prądu  I

1

=I

5

=I

D

oraz  I

3

=I

6

=I

C

.  Jeśli

skorzystamy  z  drugiego  prawa  Kirchhoffa,  po  przekształceniach  otrzymamy  zależność
pomiędzy  dwoma  opornikami  połączonymi  równoległe  i  natężeniami  prądów  przez  nie
płynących: R

x

I

D

=R

1

I

C

oraz R

D

I

D

=R

2

I

C.

Po kolejnych przekształceniach dochodzimy do postaci

= , skąd

=

Przebieg ćwiczenia:

1. Wyznaczono wartość oporu dla oporników

za pomocą omomierza

2. Zmierzono wartość oporu dla opornika niklowego i platynowego za pomocą omomierza
w temperaturze 28,5 °C. Zmierzono też

, a także R

c

.

3. Własnoręcznie zbudowano mostek Wheatestone’a i podłączono go do źródła napięcia 1,5
V.

4. Układ ogrzewano od temperatury 28,5 °C. do 90 °C.

background image

5. Gdy obwód był otwarty, ustawiono na opornicy dekadowej spodziewaną wartość oporu
(wyznaczonych  na  podstawie  wcześniejszych  pomiarów  za  pomocą  omomierza)  dla
poszczególnych  oporników.  Następnie  zamykano  obwód  kluczem,  zmieniano  wartość
oporu na opornicy dekadowej tak, aby wskazówka mikroamperomierza była jak najbliższa
położeniu  równowagi  (0  A),  czyli  prąd  nie  płynął.  Za  pomocą  termometru  odczytywano
temperaturę, w jakiej ustalono dany opór opornicy dekadowej. Niepewność termometru jest
równa najmniejsze podziałce skali. Powtarzano czynności przedstawione w tym punkcie dla
poszczególnych oporników przy różnych temperaturach.

6. Po osiągnięciu przez układ maksymalnej temperatury 90 °C układ stopniowo ochładzano i
ponownie zapisywano zmiany oporu dla poszczególnych oporników.

7. Po zakończeniu pomiarów układ rozmontowano.

Opracowanie wyników:

Opory dla poszczególnych oporników w temperaturze 28,5 ° :

∆ = 00 + 0,8%

(niepewność  dla  pomiarów mierzonych  za  pomocą  miernika

uniwersalnego)

R

Ni

=117,3 Ω

∆R

Ni

=1,1 Ω

R

Ni

=(117,3 ± 1,1) Ω

R

Pt

=110,8 Ω

∆R

Pt

=1,0 Ω

R

Pt

=(110,8±1,0)Ω

R

C

=100,8 Ω

∆R

C

=0,9 Ω

R

C

=(100,8±0,9)Ω

R

zsz

=211,6 Ω

∆R

zsz

=2,7 Ω

R

zsz

=(211,6 ± 2,7) Ω

R

zr

=52,9 Ω

∆R

zr

=0,6 Ω

R

zr

=(52,9 ± 0,6)  Ω

R

1

=10,4 Ω

∆R

1

=0,2 Ω

R

1

=(10,4 ± 0,2)  Ω

R

2

=10,0 Ω

∆R

2

=0,2 Ω

R

2

=(10,0 ± 0,2)  Ω

Zmierzono  wartości  oporu  dla  dla  opornika  węglowego  i  platynowego  przy  połączeniu
szeregowym oraz równoległym. Wynosiły one odpowiednio:

= (212,0 ± 2,7) Ω

= (52,9 ± 0,6) Ω

Wartość teoretyczną oporu dla tych samych oporników obliczono korzystając ze wzorów:

Dla połączenia szeregowego:

=

+

=

+

=

+

Dla połączenia równoległego:

=

+

Δ

=

Δ

+

Δ

= ( + ) ∆ + ( + ) ∆

Wartości ich są równe:

= (211,6 ± 1,9) Ω

= (52,8 ± 0,5) Ω

background image

Wartości  oporu  opornika  węglowego  wraz  z  niepewnością  mierzone  miernikiem

elektronicznym za pomocą wzoru ∆ = 00 + 0,8% :

Temperatura występuje jako wartość uśredniona dla wyników z ogrzewania i ochładzania.

temperatura 

T

[°C]

(∆T=1 °C)

opór 

opornika

węglowego  R

C

[Ω]

niepewność 

oporu

opornika

węglowego ∆R

C

[Ω]

28,5

100,9

0,6045

30

100,8

0,6040

32

100,78

0,6039

34

100,75

0,6038

36

100,7

0,6035

38

100,7

0,6035

40

100,65

0,6033

42

100,65

0,6033

44

100,6

0,6030

46

100,55

0,6028

52

100,4

0,6020

58

100,2

0,6010

64

100,1

0,6005

68

100

0,6000

72

99,95

0,5998

74

99,9

0,5995

76

99,85

0,5993

78

99,8

0,5990

80

99,75

0,5988

82

99,7

0,5985

84

99,65

0,5983

86

99,6

0,5980

88

99,55

0,5978

90

99,5

0,5975

y = -0,0223x + 101,53

R² = 0,9963

98

98,5

99

99,5

100

100,5

101

101,5

102

28

38

48

58

68

78

88

R[

Ω

]

T[

°C]

background image

Przy liczeniu oporu i jego niepewności dla oporników niklowego i platynowego posłużono
się wzorami:

=

Δ

=

Δ

+

Δ

+

Δ

=

+

∆ +

W  tabelach podobnie  jak  w  przypadku  opornika  węglowego  dla  oporu  przyjęto

wartość uśrednioną dla pomiarów z ogrzewania jak i ochładzania.

temperatura T [°C]

(∆T=1 °C)

opór 

opornika

niklowego R

Ni

[Ω]

niepewność oporu opornika

niklowego ∆R

Ni

[Ω]

28,5

120,64

5,83

30

121,68

5,87

32

122,72

5,92

34

124,80

5,99

36

125,84

6,04

38

128,96

6,16

40

129,48

6,18

42

130,00

6,21

44

131,04

6,25

46

133,64

6,35

52

135,20

6,41

58

136,24

6,45

64

136,76

6,47

68

138,32

6,54

72

139,36

6,58

74

140,40

6,62

76

140,40

6,62

78

142,48

6,70

80

143,52

6,74

82

145,60

6,83

84

146,64

6,87

86

147,68

6,91

88

148,72

6,95

90

149,76

5,83

background image

temperatura T [°C]

(∆T=1 °C)

opór opornika

platynowego R

Pt

[Ω]

niepewność oporu opornika

platynowego ∆R

Pt

[Ω]

34

113,36

5,54

36

113,36

5,54

38

114,40

5,59

40

115,44

5,63

42

116,48

5,67

44

116,48

5,67

46

117,52

5,71

48

118,56

5,75

50

119,08

5,77

52

118,56

5,75

54

119,60

5,79

56

121,16

5,85

58

120,64

5,83

60

122,72

5,92

62

122,72

5,92

64

123,76

5,96

66

123,76

5,96

68

125,84

6,04

70

125,84

6,04

72

127,92

6,12

74

127,92

6,12

76

129,48

6,18

78

130,00

6,21

80

130,52

6,23

82

131,04

6,25

84

132,08

6,29

86

133,12

6,33

88

134,16

6,37

90

135,20

6,41

y = 0,4137x + 111,31

R² = 0,9673

120

125

130

135

140

145

150

28

38

48

58

68

78

88

R[

Ω

]

T[

°C]

background image

Opór który charakteryzuje odpowiedni opornik w temperaturze 20 ⁰C wyraża się wzorem:

= ∙

+

Gdzie: a i b to współczynniki prostej otrzymane za pomocą regresji liniowej. Wykresy i
obliczone współczynniki zostały w programie MsExcel i w sprawozdaniu pominięto te
obliczenia w celu poprawienia przejrzystości tekstu.

Wartości niepewności dla a i b to S

a

i S

b

.

Aby obliczyć niepewność

skorzystano ze wzoru na różniczkę zupełną a mianowicie:

=

0

Δ +

0

Δ =

0

∆ + ∆

Gdzie

∆ = 3S

a

i

∆ = 3S

b

Wyniki pomiarów dla ogrzewania i ochładzania biorąc pod uwagę uśrednione
wartości wyników:

a

b

Sb

R

o

[Ω]

0

[Ω]

Opornik

węglowy

-0,02

0,0009

101,53

0,06

101,13

0,08

Opornik

niklowy

0,41

0,06

111,31

3,30

119,51

4,50

Opornik

platynowy

0,39

0,021

99,37

0,44

107,17

0,86

y = 0,3854x + 99,546

R² = 0,9915

113,00

118,00

123,00

128,00

133,00

34

44

54

64

74

84

R[

Ω

]

T[

°C]

background image

Przekształcając wzór na temperaturowy współczynnik oporu otrzymujemy równanie:

= ( − ) + 1

=

+ ( −

)

Tak więc: =

; =

Obliczone ze wzoru współczynniki ‘b’ regresji liniowej.

b

c

=101,13 − (−0,0002 ∙ 101,13 ∙ 20) = 101,53

b

Pt

=107,17−(0,0043 ∙ 107,17 ∙ 20) = 97,95

b

Ni

=119,51 − (0,0034 ∙ 119,51 ∙ 20) = 111,38

Czyli temperaturowy współczynnik oporu wynosi =
Niepewność tego współczynnika obliczona metodą różniczki zupełnej wynosi:

Δ =

Δ +

Δ

=

1

Δ +

Δ

[ ]

Opornik

niklowy

0,0034

0,0005

Opornik

platynowy

0,0043

0,0002

Opornik

węglowy

-0,0002

0,000009

IV. Podsumowanie

Opory zastępcze połączenia szeregowego i równoległego oporników niklowego i
platynowego są zgodne z oporami zastępczymi teoretycznymi w granicach ich niepewności.

Dla połączenia szeregowego wartość teoretyczna to: