Thí Nghiệm_Bai 2C - Lam quen dung cu do dien.doc

Làm quen và sử dụng đồng hồ đa năng hiện số Digital Multimeter để đo hiêụ điện thế và c-ờng độ dòng điện trong các mạch điện một chiều và xoay chiều, hoặc đo điện trở của các vật dẫn.. K

Bài 7 thí nghiệm vật lý BKE-010 làm quen Sử dụng dụng cụ đo điện Khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều

I.mục đích thí nghiệm

1 Làm quen và sử dụng đồng hồ đa năng hiện

số (Digital Multimeter) để đo hiêụ điện thế và

c-ờng độ dòng điện trong các mạch điện một chiều

và xoay chiều, hoặc đo điện trở của các vật dẫn

2 Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở

kim loại bằng cách vẽ đờng đặc trng vôn-ampe của

bóng đèn dây tóc Từ đó xác định nhiệt độ của

dây tóc bóng đèn

3 Khảo sát các mạch điện RC và RL có dòng

xoay chiều để kiểm chứng phơng pháp giản đồ

vectơ Fresnel, đồng thời dựa vào định luật Ohm

đối với dòng xoay chiều để xác định tổng trở, cảm

kháng và dung kháng của các mạch điện Từ đó

xác định điện dung của tụ điện và hệ số tự cảm

của cuộn dây dẫn

II Dụng cụ

2 đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT9205 ;

1 bóng đèn dây tóc 12V-3W ;

1 bảng lắp ráp mạch điện ;

6 dây dẫn nối mạch dài 60cm ;

1 nguồn cung cấp điện 12V-3A/AC-DC

III Cơ sở lý thuyết

1 Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ đa năng

hiện số kiểu DT 9202

Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo

có độ chính xác cao và nhiều tính năng u việt hơn

hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trớc đây, đợc dùng để

đo hiệu thế và cờng độ dòng điện một chiều, xoay

chiều, điện trở, điện dung của tụ điện Nhờ một

núm chuyển mạch chọn thang đo, ta có thể chọn

thang thích hợp với đại lợng cần đo

Thông thờng một đồng hồ vạn năng hiện số

loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo ( từ 0 đến 1999)

20V, thì đại lợng :

V

V

01 , 0 2000

=

đợc gọi là độ phân giải của thang đo.

Nếu hiệu thế ta đo đợc là U thì sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lợng U này là:

.Trong đó : (2)

U : Giá trị đo đợc, chỉ thị trên đồng hồ

(%) : Cấp chính xác của thang đo

nhà sản xuất ).Cách tính tơng tự đối với các thang

đo thế và dòng khác

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất thờng là 200mV và 200 A hoặc 2mA, đợc dùng

để đo các hiệu thế và dòng điện một chiều rất

nhỏ Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang đo

này Nếu vô ý để hiệu thế hoặc dòng điện lớn gấp

5-10 lần giá trị thang đo này, có thể gây ra h hỏng

trầm trọng cho đồng hồ Vì vậy, các quy tắc nhất

thiết phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn

năng hiện số là : 1.Không bao giờ đợc phép chuyển đổi thang

đo khi đang có điện ở đầu đo

2.Không áp đặt điện áp, dòng điện vợt quá giá trị thang đo Trờng hợp đại lợng đo cha biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút

điện ra để chọn thang thích hợp

3 Để đo cờng độ dòng điện nhỏ chạy trong

đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM (lỗ chung ) và lỗ A trên đồng hồ Hai

đầu cốt còn lại của dây đo đợc mắc nối tiếp với

đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo đợc vặn

A bên trong đồng hồ có cầu chì bào vệ, nếu

“ ” dòng điện đo vợt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị thiêu cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới

đợc thay Điều tai hại tơng tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu

đoạn mạch có hiệu thế

OFF ON

Hãy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo

dòng, không để cháy cầu chì !

4 Để đo cờng độ dòng điện lớn 0-10A, ta dùng

còn lại của dây đo đợc mắc nối tiếp với đoạn

mạch Chuyển mạch chọn thang đo đợc vặn về vị

dòng xoay chiều Sau lỗ 10A( hoặc 20A), bên

trong đồng hồ không có cầu chì bảo vệ, nếu bị

đoản mạch thờng gây cháy, nổ ở mạch điện ngoài

hoặc ở nguồn điện

Tóm lại : chọn thang đo đúng, và không nhầm

lẫn khi thao tác đo thế và dòng là hai yếu tố quyết

định bảo vệ an toàn cho đồng hồ

5 Để đo hiệu thế một chiều, xoay chiều,hoặc

đo điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ

COM (lỗ chung ) và lỗ V

Hai đầu có mỏ kẹp cá sấu còn lại của dây đo đợc

mắc song song với đoạn mạch Chuyển mạch

chọn thang đo đợc vặn về các vị trí thuộc giải đo

xoay chiều,và để đo điện trở

digital multimeter

DT 9202

1.289

2K 20K 2M 20M Ω 200 200M 2m 200m ACA 20m X 2 DCV 200m 20

20 200

20 1000

200m 700

20m 200

DCA 2m 20 ACV 20 à 2

2 à 200n 2n 200m Cx F h FE

20A A COM V/Ω

2 Khảo sát mạch điện một chiều Xét mạch điện gồm nguồn điện một chiều Un cung cấp điện cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở R (Hình 2) Điện áp ra của nguồn điện Un có thể thay đổi đợc nhờ biến trở núm xoay P Hiệu điện thế U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng vônkế một chiều V, và cờng độ dòng điện I chạy qua bóng đèn đo bằng ampekế một chiều A Theo định luật Ôm đối với mạch điện một chiều, cờng độ dòng điện I chạy qua đoạn mạch tỷ lệ với hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở R của đoạn mạch : I = U R (3)

Nếu R không đổi thì Itỷ lệ bậc nhất với U Đồ thị I =f (U ) - gọi là đặc tuyến vôn-ampe, có dạng đờng thẳng qua gốc toạ độ với hệ số góc : G R 1 tgα = = (4)

trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch Nhng do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lợng nhiệt Q toả ra trên điện trở R trong thời gian τ bằng : Q = R I 2τ (5)

Lợng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm thay đổi điện trở của đoạn mạch Vì dây tóc bóng đèn Đ làm từ Vonfram, nên điện trở R của nó thay đổi theo nhiệt độ t theo công thức : ( 2)

0 t R 1 t t R = +α +β (6)

với Rt là điện trở ở t 0 C và R 0 là điện trở ở 0 0 C, còn  = 4,82.10-3 K-1 và  = 6,76 10 -7 K -2 , là các hệ số nhiệt của điện trở của Vonfram Kết quả là cờng độ dòng điện I chạy qua dây tóc đèn Đ không tăng tỷ lệ tuyến tính theo hiệu điện thế U giữa hai đầu dây tóc đèn nữa Đặc tuyến vôn-ampe I =f (U) của bóng đèn dây tóc có dạng đờng cong Gọi R plà điện trở của dây tóc đèn ở nhiệt độ phòng t p Khi đó từ (6) ta suy ra : 2

p p p 0 t t 1 R R β α + + = (7)

2

+

-Un

E

P

Hình 2

A

Đ2 C

+

+

I

Giải phơng trình (6) đối với t, cộng thêm 273K

ta xác định đợc nhiệt độ tuyệt đối của dây tóc

đèn:

















−







+ +

2

1

273

0

2

R

R

với I là dòng điện một chiều chạy qua dây tóc

3 Khảo sát mạch điện xoay chiều R-C

Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào

hai đầu mạch điện gồm tụ điện có điện dung C

mắc nối tiếp với điện trở thuần R (Hình 3).

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong mạch

ở thời điểm t có dạng :

i = I 0 sin 2πf t (9)

Khi đó : u = u R + u C (10)

so với i , nên ta có thể viết :

u = U 0 R 2 f t U 0 C 2 f t

2 sin π . + .sin( π . −π) (11)

U0R I0

ϕ

U0C U

0

Hình 4

áp dụng giản đồ vectơ Fresnel (Hình 4), ta tìm

đ-ợc dạng của hiệu điện thế xoay chiều u :

u = U 0 sin( 2πf t +ϕ) (12)

với U0 = U 0 2 R U C

0 2

+ (13)

tgϕ = - U

U

C R

0

2πf CR (14)

C 2 Z

C 0 C

I

= vào (13), ta có biểu thức :

C

2 0

0 =I + = I (15)

C 2

1

Z C

π

và Z là tổng trở của mạch R-C đối với dòng điện xoay chiều tần số f :

Z = R 2 +Z C 2 (17) Chia hai vế của (15) cho 2, ta nhận đợc

định luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều R-C :

I = U

Z (18)

thế và cờng độ dòng xoay chiều trong mạch R-C có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số

4 Khảo sát mạch điện xoay chiều R-L

Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f

vào hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có

điện trở thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối

tiếp với điện trở R (Hình 5)

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong đoạn

mạch ở thời điểm t có dạng :

i = I 0 sin 2πf t

Khi đó : u = u R + u r +u L (19)

Vì u R và u r cùng pha với i , còn u L nhanh pha

/2 so với i, nên ta có thể viết :

u = UoR.sin 2 f.t +U or sin 2f.t + U oL sin (2πf.t+π/2)

(20)

Tơng tự trên, áp dụng giản đồ vectơ Fresnel (Hình 6), ta tìm đợc :

u = U 0 sin (2πf t +ϕ) (21) với U0 = ( UoR + Uor)2 + U2oL (22)

tgϕ =

or oR

oL

U U

U

L f

+

.

2 π

L , r

Hình 5

C

R

E

R

B

A

~U

C

Hình 3

Thay U 0R = I 0 R , U 0r = I 0 r và U 0L =I 0 2πf.L vào

(22), ta có biểu thức :

0

0 I ( R r ) ZL

Z L = 2π L (25)

và Z là tổng trở của mạch R-L đối với dòng điện

xoay chiều tần số f :

Z = ( R + r )2 + ZL2 (26)

Chia hai vế của (24) cho 2, ta nhận đợc

định luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều R-L :

I = U

Z (27)

thế và cờng độ dòng xoay chiều trong mạch R-L có

thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số

IV Trình tự thí nghiệm

1 Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn điện 12V-3A

(AC-DC POWER SUPPLY)

AC-DC POWER SUPPLY P

A V 0

~12V +12V − K

Hình 7

Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC (Hình 7) có thể

cung cấp :

 Điện áp một chiều 0ữ12V đợc lấy ra từ hai cọc

đấu dây  12V phía phải, cung cấp dòng tối đa 3A,

có thể điều chỉnh liên tục nhờ núm xoay P Hai

đồng hồ A và V lắp trên mặt bộ nguồn dùng chỉ

thị gần đúng điện áp và dòng điện ra (>1,5%)

 Điện áp xoay chiều cố định ~12V lấy ra từ hai

lỗ đấu dây phía trái

- Cắm phích lấy điện của bộ nguồn này vào ổ

điện xoay chiều ~220V trên bàn thí nghiệm

- Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn : đèn LED của nó phát sáng báo hiệu sẵn sàng hoạt động

- Vặn từ từ núm xoay P theo chiều kim đồng

hồ đồng thời quan sát vônkế V trên mặt bộ nguồn Nếu kim chỉ thị của nó dịch chuyển đều đặn trên

- Vặn trả lại núm xoay P về vị trí tận cùng bên trái Bấm khoá K để tắt bộ nguồn

2 Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của bóng đèn dây tóc

a Mắc mạch điện trên bảng lắp ráp theo sơ

đồ hình 2 Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC cung cấp

3W) Dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm vônkế một chiều V và ampekế một chiều A

b Chọn thang đo cho hai đồng hồ :

 Vônkế V đặt ở thang đo một chiều

DCV20V Lỗ "V/ Ω" là cực dơng (+), lỗ "COM"

có hai đầu phích ( hoặc có mỏ kẹp cá sấu) để

nối von kế song song với mạch điện

 Ampekế A đặt ở thang đo một chiều DCA

10A Lỗ 20A" là cực d“ ơng (+), lỗ "COM" là cực

mắc Ampe kế nối tiếp với mạch điện.

Sau khi thiết lập xong, Mời thày giáo kiểm tra mạch

điện tr ớc khi cấp điện cho mạch Bấm khóa K trên mặt bộ nguồn: đèn LED phát sáng, báo hiệu sẵn sàng hoạt động

c Tiến hành đo : Bấm núm "ON/OFF" trên

vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động Vặn từ từ núm xoay P của bộ nguồn để điều

chỉnh hiệu điện thế U( chỉ trên vônkế hiện số V )

tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 10V Đọc và ghi

von kế số A ) vào bảng 1

d Kết thúc phép đo : Vặn nhẹ núm xoay P

về tận cùng bên trái, Bấm khoá K để tắt bộ

nguồn Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ

để tắt điện cho chúng

3 Xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn.

đèn, ta phải đo điện trở cúa dây tóc đèn ở nhiệt

4

Ur

U

0L

U 0

U L

Hình 6

ϕ

độ phòng Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện , vặn

chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí

200

cực "V/ Ω" và "COM" của ômkế đợc nối với hai

đầu của bóng đèn Đ

Bấm núm "ON" trên mặt ômkế , đọc giá trị điện

trở dây tóc đèn và ghi vào bảng 1 Đọc và ghi giá trị

1 Bấm núm "OFF" để tắt điện cho Ômkế

Ghi vào bảng 1 : giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp

chính xác và số n qui định đối với thang đo đã

chọn trên vônkế V và ampekế A (xem bảng các

thông số kỹ thuật của đồng hồ hiện số DT 9202 ở

trang cuối của tập tài liệu này)

4 Xác định điện dung của tụ điện trong mạch RC

a Mắc mạch điện: Mắc tụ điện C và điện trở

R vào bảng điện nh trên sơ đồ hình 3 Điện áp

xoay chiều ~12V đợc lấy từ hai lỗ ra xoay chiều

~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch

điện Tiếp tục dùng hai đồng hồ đa năng hiện số

DT9202 làm vônkế và ampekế xoay chiều

b Chọn thang đo cho hai đồng hồ :

mắc song song với các đoạn mạch cần đo

mắc nối tiếp xen vào mạch điện giữa R và C bằng

hai đầu cốt( Hình 3 )

Sau khi thiết lập xong, Mời thày giáo kiểm tra

mạch điện tr ớc khi cấp điện cho mạch

c Tiến hành đo : Bấm núm "ON/OFF" trên

mặt vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động

Bấm khoá K của bộ nguồn Quan sát ,đọc và

ghi giá trị cờng độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A

vào bảng 2

Dùng vônkế V lần lợt đo các giá trị hiệu điện

điện C, đọc và ghi vào bảng 2

d Kết thúc phép đo : Bấm khoá K để tắt bộ

nguồn Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ

để tắt điện cho chúng

Ghi vào bảng 2 : giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp

chính xác và số n qui định đối với thang đo đã

chọn trên vônkế và ampekế

5 Xác định hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn

trong mạch RL

a Mắc mạch điện : Mắc cuộn dây dẫn có điện

trở thuần r, hệ số tự cảm L nối tiếp với điện trở R

vào bảng lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình 5

Điện áp xoay chiều ~12V đợc lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện Vẫn dùng hai đồng hồ đa năng hiện

số DT9202 làm vônkế và ampekế xoay chiều

b Chú ý : Giữ nguyên vị trí thang đo của

vônkế xoay chiều V và ampekế xoay chiều A nh trong thí nghiệm khảo sát mạch điện RC nêu trên

Mời thày giáo kiểm tra mạch điện trớc khi nối mạch điện cần đo với bộ nguồn 12V-3A/AC-DC

c Tiến hành đo : Bấm núm "ON/OFF" trên

mặt vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động

Bấm khoá K của bộ nguồn Quan sát ,đọc và

ghi giá trị cờng độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào bảng 3

Dùng vônkế V lần lợt đo các giá trị hiệu điện

thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, U R giữa

cuộn dây dẫn L, đọc và ghi vào bảng 2

d Kết thúc phép đo : Bấm khoá K để tắt bộ

nguồn Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ

để tắt điện cho chúng

e Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện , vặn

chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí 200

trở thuần r của cuộn dây Các cực "V/ Ω" và

"COM" của ômkế đợc nối với hai đầu của cuộn

dây L

Bấm núm "ON" trên mặt ômkế , đọc giá trị điện trở r của cuộn dây và ghi vào bảng 3

Sau đó, bấm núm "ON/OFF" tắt điện cho

ômkế Ghi vào bảng 3 : giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n đợc qui định đối với thang đo đã

V Tính toán kết quả đo

1 Dựa vào các cặp giá trị của I, U tơng ứng, và

đèn dây tóc

sáng khi giữa hai cực của đèn có hiệu điện

(7) và (8)

2. Dựa vào các giá trị I , U , U R , U C đo đợc trong

bảng 2 để xác định :

I

U Z R

C

I

R

U

I

C C

U

C

Z 2

1 C

π π

I

=

đ-ợc trong mạch RL để xác định :

 tổng trở Z = U/I

ZL = Z2 − ( R + r )2

f

Z

π 2

=

VI Câu hỏi kiểm tra

1 Phát biểu và viết biểu thức của định luật Ôm

đối với dòng điện không đổi

đèn dây tóc không phải là đờng thẳng ?

2 Nêu rõ quan hệ về tần số, pha và biên độ giữa cờng độ dòng điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong đoạn mạch :

- chỉ chứa điện trở thuần R ;

- chỉ chứa tụ điện có điện dung C ;

- chỉ chứa cuộn dây dẫn có hệ số tự cảm L

3 Dùng giản đồ vectơ Fresnel, thiết lập quan

hệ về tần số, pha và biên độ giữa cờng độ dòng

điện xoay chiều và hiệu điện thế xoay chiều trong mạch RLC không phân nhánh

Từ đó suy ra biểu thức xác định tổng trở của mạch RLC Điều kiện để cờng độ dòng điện trong mạch RLC đạt cực đại ?

4 Trình bầy cách xác định điện dung C của tụ

điện và hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn theo

phơng pháp vôn-ampe đối với dòng xoay chiều

5 Nói rõ cách xác định sai số tuyệt đối của c-ờng độ dòng điện và của hiệu điện thế đo trực tiếp trên các đồng hồ đa năng hiện số

6 Dựa vào công thức tính C và L chứng minh các

biểu thức tính sai số tơng đối của điện dung C và của hệ số tự cảm L có dạng :

∆C ∆ ∆π ∆ ∆

C

I I

f f

U U

C C

L

U U Z U I R R

f f

trong đó

I

U

Z =

Phụ lục : Bảng thông số kỹ thuật đồng hồ vạn năng DT-9202

6

Chức năng Thang đo

Chức năng Thang đo

DCV Hiệu điện thế một chiều200mV

0,5%

1 ACV Hiệu điện thế xoay chiều 200mV 2V 20V 200V 0,8%

3 2V20V200V1000V0,8%27001,2%3

DCA Cường độ dòng một chiều2mA 0,8%

1 ACA Cường độ dòng xoay chiều2mA 1%

3 20mA20mA 200mA1,2%1200mA1,8%3 20A2%520A3%7

Ω

Điện trở

0,8%

1

C

Điện dung2nF 2,5%

Báo cáo thí nghiệm

sử dụng dụng cụ đo điện khảo sát mạch điên một chiều, xoay chiều

Trờng Xác nhận của thày giáo Lớp Tổ

Họ tên

I Mục đích thí nghiệm

………

……

………

II Kết quả thí nghiệm 1 Bảng 1 : Đo đặc trng Von Ampe của dây tóc bóng đèn Von kế V : Um = α =

U = n =

Ampe kế A : Im = α =

I = n =

tP = ( 0C ) Ôm kế Rm = α =

R = n =

RP = .( Ω ) U (V) I (A) U (V) I (A) U (V) I (A) U (V) I (A) 1 2 3

4 5 6

7 8 9

10 11 12

2 Bảng 2 : Khảo sát Mạch R-C Von kế V :

Um = α = .U = n =

Ampe kế A : Im = α = I = n =

I

(mA)

U (V)

UR

(V)

UC

(V)

Chức năng Thang đo

Chức năng Thang đo

DCV Hiệu điện thế một chiều200mV

0,5%

1 ACV Hiệu điện thế xoay chiều 200mV 2V 20V 200V 0,8%

3 2V20V200V1000V0,8%27001,2%3

DCA Cường độ dòng một chiều2mA 0,8%

1 ACA Cường độ dòng xoay chiều2mA 1%

3 20mA20mA 200mA1,2%1200mA1,8%3 20A2%520A3%7

Ω

Điện trở

0,8%

1

C

Điện dung2nF 2,5%

3 Bảng 3 : Khảo sát Mạch R-L

Ôm kế

Rm = α = R = n = .RP =

I (mA) (V)U (V)UR (V)UL Z R ZL L 4.Vẽ đặc trng Von Ampe của dây tóc đèn 5 Tính toán kết quả : (Theo mục IV )

8

………