Przebieg doświadczenia

Przebieg doświadczenia
Po odpowiednim zmontowaniu układu, tak jak było to pokazane w opisie
doświadczenia zacząłem badać kolejno różne elementy oporowe. Kolejno dla drutu
oporowego, żarówki, diody półprzewodnikowej, termistora badałem zależność
natężenia od napięcia. Przykładałem na źródle zasilania różne natężenia
i odczytywałem z mierników elektronicznych napięcie i natężenie które panujące na
badanym elemencie.
Opracowanie wyników pomiarowych
Z uzyskanych pomiarów natężenia i napięcia wykonałem wykres zależności
natężenia od napięcia. Dla każdego elementu zależność ta była inna.
Dla drutu oporowego charakterystyka prądowo napięciowa I=f(U) wyszła
proporcjonalnie. Że niemal dla każdego punktu wykresu stosunek napięcia do
natężenia wyszedł stały. Oznacza to, że do drutu oporowego można zastosować
prawo Ohma.
Nieco inaczej przedstawia się zależność napięcia do natężenia w przypadku
diody półprzewodnikowej. Widzimy, że dla niewielkiej zmiany napięcia otrzymujemy
duże zwiększenie natężenia. Wykres bardzo przypomina dodatnie półramie paraboli
o zależności I~Un. Przeprowadzając dalej analizę wykresu widzimy że nawet przy
minimalnym wzroście napięcia natężenie wzrasta nieproporcjonalnie więcej. Pociąga
to za sobą fakt, że przy coraz to większych napięciach opór diody drastycznie maleje.
Jest to oczywiście całkowicie zgodne z charakterem tego urządzenia. Dioda została
przecież wykonana z półprzewodnika co oczywiście pociąga za sobą taką zależność
natężenia i oporu. Otrzymany przeze mnie wykres w dużej części odpowiada
charakterystyce prądowo-napięciowej diody opisanej w książkach.
Dla żarówki znowu mamy inną zależność. Otrzymany wykres można by opisać
zależnością I~n√U. Porównując opory żarówki przy coraz to większych napięciach
widzimy, że oporność rośnie. Jest to zgodne z faktem, że na żarówce wydziela się
ciepło co powoduje wzrost oporności.
Dla termistora otrzymałem tyko część jego charakterystyki prądowonapięciowej. Charakterystyka ta ma pewną specyficzną własność, a mianowicie dwa
różne natężenia prądu mogą odpowiadać tej samej różnicy potencjałów na jego
końcach. Niestety nie udało mi się tego zaobserwować. Termistor jest
półprzewodnikiem.
Błędy pomiarowe
Napięcie panujące na badanym elemencie było mierzone za pomocą miernika
elektronicznego. Wskazywał on wartości z dokładnością do 0,001 V, dlatego za błąd
odczytu napięcia przyjmuję tą wartość
Napięcie prądu na danym elemencie było mierzone za pomocą miernika
wskazówkowego, o klasie dokładności 0,5. Pomiary natomiast wykonywałem w
trzech zakresach miernika : 75 mA, 150 mA, 300 mA. Dlatego też błąd nie jest
identyczny dla wszystkich punktów pomiarowych. Dla zakresu 75 mA błąd wynosi
0,375 , dla zakresu 150 mA 0,75 , a dla 300 mA 1,5. Błędy te naniosłem na wykres.
Błąd dla odporu liniowego liczę za pomocą różniczki zupełnej:
R
U
I
dR 
1
 U 
dU    2 dI
I
 I 
Ponieważ tylko dla drutu oporowego wykres wyszedł liniowy to właśnie dla
niego liczę wartość oporu.
I[A]
0,009
0,016
0,0268
0,041
0,054
0,062
0,071
0,08
0,09
0,1
0,11
0,12
0,13
0,14
0,15
0,16
0,2
U[V]
0,26
0,47
0,781
1,198
1,59
1,8
2,074
2,33
2,989
2,943
3,2
3,484
3,791
4,07
4,386
4,738
5,798
R[Ω]
28,889
29,375
29,142
29,220
29,444
29,032
29,211
29,125
33,211
29,430
29,091
29,033
29,162
29,071
29,240
29,613
28,990
dI[A]
0,000375
0,000375
0,000375
0,000375
0,000375
0,000375
0,000375
0,00075
0,00075
0,00075
0,00075
0,00075
0,00075
0,00075
0,00075
0,0015
0,0015
dR[Ω]
1,093
0,626
0,370
0,243
0,186
0,159
0,140
0,261
0,266
0,211
0,189
0,173
0,161
0,149
0,140
0,271
0,212
Zatem dla drutu opór średni wraz ze średnim błędem pomiarowym wynosi:
Rśr=29,428 ± 0,285 [ Ω ].
Wnioski
Wnioski odnośnie uzyskanych charakterystyk prądowo-napięciowych opisałem
dokładnie.
Dla półprzewodników nie stosuje się prawo Ohma. Oznacza to, że opór nie
jest stałą wartością lecz zależy od przyłożonego napięcia.
Dioda ma pewną specyficzną cechę „przepuszcza” ona prąd tylko w jednym
kierunku.
Z przeprowadzonego doświadczenia widzimy, że nie do wszystkich rodzajów
materiałów można stosować prawo Ohma. W przypadku przewodników jest ono
prawdziwe wyłącznie w pewnym zakresie temperatur. Z kolei dla półprzewodników w
ogóle nie możemy go stosować, chyba, że interesuje nas opór w pewnej określonej
chwili t0, kiedy mamy dane natężenie i napięcie prądu. Właśnie ta cecha
półprzewodników, czyli zmienność oporu w zależności od napięcia prądu jest
szeroko wykorzystywana we współczesnej elektronice.
Porównując uzyskane wyniki przeprowadzonego doświadczenia z wynikami
podanymi w literaturze mogę ocenić, że doświadczenie zostało wykonane
prawidłowo. Ewentualne błędy charakteryzujące się stosunkowo dużym odstępstwem
od wykreślonej krzywej mogły wyniknąć między innymi z błędu paralaksy przy
odczytywaniu wartości z amperomierza.
Błąd liczony metodą różniczki zupełnej wychodzi dla niektórych punktów
pomiarowych tak niewielki, że aż trudno go zaznaczyć na wykresie. Z kolei błąd dla
woltomierza wynoszący dV = 0,001 V jest praktycznie nie do zaznaczenia.
Wydaje mi się, że ciekawym doświadczeniem mogłoby być szeregowe lub
równoległe połączenie różnych badanych elementów i sprawdzenie jak wówczas
wygląda charakterystyka prądowo napięciowa takiego układu.