Kilka doświadczeń z kawałkiem drutu.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)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: