Làm quen sử dụng dụng cụ đo điện

Thí nghiệm vật lý: Làm quen sử dụng dụng cụ đo điện khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều

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

cường 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 đường đặc trưng 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 phương 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 mẫu điện trở R x ;

1 mẫu tụ điện C x ;

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 ưu việt hơn

hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trước đây, được dùng

để đo hiệu thế và cường 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 lượng cần đo

Thông thường một đồng hồ vạn năng hiện số

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

20V, thì đại lượng :

V

V

01 , 0 2000

20

=

=

được gọi là độ phân giải của thang đo

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

∆U = δ (%) U + n α (2) Trong đó :

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

sản xuất ).Cách tính tương tự đối với các thang đo thế và dòng khác

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất

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 hư 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 được phép chuyển đổi thang

đo khi đang có điện ở đầu đo

2.Không áp đặt điện áp, dòng điện vượt quá giá trị thang đo Trường hợp đại lượng đo chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện

ra để chọn thang thích hợp

3 Để đo cường 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 được mắc nối tiếp với đoạn

mạch Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo dòng điện một

trong đồng hồ có cầu chì bào vệ, nếu dòng điện đo vượt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị thiêu cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngưng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới được thay

Điều tai hại tương tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu thế

Hy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì !

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

dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM “(lỗ chung )

và lỗ “10A” ( hoặc 20A ) trên đồng hồ Hai đầu cốt

OFF

ON

còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn

mạch Chuyển mạch chọn thang đo được 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 thường 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 “

mỏ kẹp cá sấu còn lại của dây đo được mắc song

song với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang đo

ς 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 C x 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 được nhờ biến trở núm xoay P Hiệu điện thế U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng vônkế một chiều V, và cường độ dòng điện I chạy qua bóng đèn đo bằng ampekế một chiều A Theo định luật Ôm đối với mạch điện một chiều, cường 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 I tỷ lệ bậc nhất với U Đồ thị I =f (U) - gọi là đặc tuyến vôn-ampe, có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ với hệ số góc : G R 1 tg α = = (4)

trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch Nhưng do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lượng nhiệt Q toả ra trên điện trở R trong thời gian τ bằng : Q = R I2τ (5)

Lượng 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 t0C và R 0 là điện trở ở 00C, còn α = 4,82.10-3 K-1 và β = 6,76 10 -7 K -2 , là các hệ số nhiệt của điện trở của Vonfram Kết quả là cường 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 đường cong Gọi Rplà điện trở của dây tóc đèn ở nhiệt độ phòng tp Khi đó từ (6) ta suy ra :

2 p p p 0 t t 1 R R β α + + = (7)

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

ta xác định được nhiệt độ tuyệt đối của dây tóc đèn:

















ư













ư +

+

2

1 273

0

2

R

R

+

-

Un

E

P

Hình 2

A

Đ2

C

+

+

I

trong đó điện trở Rp và Rt tính theo công thức (3)

với I là dòng điện một chiều chạy qua dây tóc đèn

tóc đèn

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

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)

Vì u R cùng pha với i , còn u C chậm pha π / 2 so

với i , nên ta có thể viết :

2

U0R I0

ϕ

U0C U0

Hình 4

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

dạng của hiệu điện thế xoay chiều u :

u = U 0 sin( 2πf t +ϕ) (12)

với U0 = U 0 2 R +U 0 2 C (13)

tgϕ = - U

U

C R

0 0

2πf CR (14)

C 2 Z

C 0 C

I

= vào (13), ta có biểu thức :

C

2 0

C 2

1

ZC

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)

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

I = U

Z (18)

trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện

thế và cường 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 π/2

so với i, nên ta có thể viết :

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

(20)

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

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

tgϕ =

or oR

oL

U U

U

L f

+

.

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

Z L = 2 π L (25)

L , r

Hình 5

C

R

E

R

B

A

~U

C

Hình 3

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

xoay chiều tần số f :

) ( R r ZL

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

I = U

Z

(27)

trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện

thế và cường 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 ư K

Hình 7

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

cung cấp :

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%)

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 toàn thang đo ( 0 –12V) là đạt yêu cầu

- 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

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 dương (+), 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 dương (+), lỗ "COM" là cực

âm (ư) Sử dụng hai dây đo có hai đầu cốt để mắc Ampe kế nối tiếp với mạch điện

Sau khi thiết lập xong, Mời thày giáo kiểm tra mạch điện trước 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 các giá trị cường độ dòng điện I tương ứng ( chỉ trên 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 độ phòng Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện , vặn

dùng nó làm ômkế để đo điện trở Các cực "V/ Ω"

và "COM" của ômkế được 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

Ur

U 0L

U0

UL

Hình 6

ϕ

nhiệt độ phòng t p trên nhiệt kế 0ữ1000C vào bảng

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 như trên sơ đồ hình 3 Điện áp xoay

chiều ~12V được 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

200mA, Hai dây đo cắm vào 2 lỗ “COM” và “A”, rồi

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 trước 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 cường độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào

bảng 2

Dùng vônkế V lần lượt đo các giá trị hiệu 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 được 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 như trong thí nghiệm khảo sát mạch điện RC nêu trên

Mời thày giáo kiểm tra mạch điện trước 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 cường độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào bảng 3

Dùng vônkế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện

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

của cuộn dây Các cực "V/ Ω" và "COM" của

ômkế được 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 được qui định đối với thang đo đã

V Tính toán kết quả đo

các giá trị R p và t p thu được trong bảng 1, hãy :

đèn dây tóc

sáng khi giữa hai cực của đèn có hiệu điện thế

V 10

(8)

bảng 2 để xác định :

I

U Z R

C

2 + =

I R U

I

C C

U

C

C 2 U Z

2

1 C

π π

I

=

3. Dựa vào các giá trị đo được của U, I và R đo

được trong mạch RL để xác định :

tổng trở Z = U/I

) ( R r Z

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 đường thẳng ?

2 Nêu rõ quan hệ về tần số, pha và biên độ

giữa cường 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 cường 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 cường 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

phương pháp vôn-ampe đối với dòng xoay chiều

5 Nói rõ cách xác định sai số tuyệt đối của cường 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 tương 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 ∆ ∆ ∆ ∆π ∆

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

đo

200mV 2V 20V 200V

200mV 2V 20V 200V

DCV

Hiệu điện thế

một chiều

ACV Hiệu điện thế xoay chiều

DCA

Cường độ dòng

một chiều

ACA Cường độ dòng xoay chiều

2àF

Ω

Điện trở

C

Điện dung

Báo cáo thí nghiệm

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

Trường Xác nhận của thày giáo Lớp Tổ

Họ tên

I Mục đích thí nghiệm

.………

…………

.………

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

δU = n =

Ampe kế A : Im = α =

δI = n =

tP = ( 0C ) Ôm kế Rm = α =

δR = n =

RP = .( Ω ) U (V) (A) I (V) U (A) I (V) U (A) I (V) U (A) I 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 = .δU = n =

Ampe kế A : Im = α = δI = n =

I

(mA)

U (V)

UR (V)

UC (V)

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 tr−ng Von Ampe của dây tóc đèn 5 Tính toán kết quả : (Theo mục IV )

………