Διάταξη:

• Πολύμετρο, 2 καλώδια πολλαπλής σύνδεσης
• Συσκευή νόμου του Ohm (αποτελείται από 5 σύρματα μήκους 1m το καθένα εκ των οποίων τα τρία είναι κατασκευασμένα από κονσταντάνη ( διαμέτρου 0,2 mm, 0,3 mm, 0,5 mm), το τέταρτο από ανοξείδωτο ατσάλι (διαμέτρου 0,44 mm) και το πέμπτο από χαλκό (διαμέτρου 0,2 mm).

Διαδικασία:

• Σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα υπολογίσουμε την αντίσταση των συρμάτων που θα διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το μήκος ή τη διατομή ή το υλικό. Ο υπολογισμός θα γίνει χρησιμοποιώντας το πολύμετρο ως ωμόμετρο.
• Μετρήστε την αντίσταση του σύρματος από κονσταντάνη μήκους 0,5 m και διαμέτρου 0,2 mm.
• Μετρήστε την αντίσταση του σύρματος από κονσταντάνη μήκους 1 m και διαμέτρου 0,2 mm.
• Επαναλάβετε τις παραπάνω μετρήσεις και για τα υπόλοιπα σύρματα (κονσταντάνη, ανοξείδωτο ατσάλι και χαλκό). Τι παρατηρείτε;

Εξήγηση:
Σύμφωνα με το νόμο του Ohm, η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού εξαρτάται από το είδος του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένος, από το μήκος του L και τη διατομή S μέσω της σχέσης: $R=\rho \frac{L}{S}$
όπου ρ είναι η ειδική αντίσταση του υλικού του σύρματος η οποία εξαρτάται από το είδος του υλικού και τη θερμοκρασία

• Τροφοδοτικό Τάσης
• Πυκνωτής χωρητικότητας 100.000 μF
• Φωτοδίοδος LED
• Διακόπτες

Διαδικασία:

Συνδέουμε σε σειρά το τροφοδοτικό τάσης με τον πυκνωτή παρεμβάλλοντας ανάμεσα τους τον διακόπτη Α. Στην συνέχεια με την βοήθεια του διακόπτη Β συνδέουμε την φωτοδίοδο παράλληλα με τον πυκνωτή.

Κλείνουμε τον διακόπτη Α ενώ κρατάμε ανοιχτό τον διακόπτη Β και δεν παρατηρούμε τίποτα. Ανοίγουμε τον διακόπτη Α και κλείνουμε τον διακόπτη Β. Παρατηρούμε ότι το λαμπάκι φωτοβολεί με μειούμενη ένταση.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Όταν κλείνουμε τον διακόπτη Α ενώ κρατάμε ανοιχτό τον διακόπτη Β δεν παρατηρούμε τίποτα, γιατί δεν διαρρέει ρεύμα την φωτοδίοδο αλλά δημιουργείται διαφορά δυναμικού μόνο στα άκρα του πυκνωτή, ικανή να φορτίσει τον πυκνωτή σε πολύ σύντομο χρόνο. Η παραπάνω διαδικασία λέγεται φόρτιση του πυκνωτή.

Όταν ανοίγουμε τον διακόπτη Α και κλείνουμε τον διακόπτη Β, διακόπτουμε το ρεύμα του τροφοδοτικού από το κύκλωμα Α και δημιουργούμε ένα νέο κλειστό κύκλωμα Β ανάμεσα στον πυκνωτή και τη φωτοδίοδο.

Το αποθηκευμένο φορτίο του πυκνωτή διαρρέει το κύκλωμα και εμείς παρατηρούμε την φωτοδίοδο μας να ανάβει. Η διαδικασία αυτή λέγεται εκφόρτιση του πυκνωτή.

Λόγω της μεγάλης χωρητικότητας του πυκνωτή η διαδικασία εκφόρτισης συμβαίνει σε σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα (μερικά sec), οπότε μπορούμε να παρατηρήσουμε την διαδικασία αυτή σε πραγματικό χρόνο.

Επειδή το φορτίο του πυκνωτή είναι συγκεκριμένο κατά την εκφόρτιση του θα παράγεται φωτεινή ακτινοβολία στην φωτοδίοδο από την διέλευση των φορτίων μέσα σ’ αυτή. Η ακτινοβολία αυτή θα μειώνεται με την πάροδο του χρόνου καθώς μειώνονται και τα διαθέσιμα φορτία του πυκνωτή.

• Τροφοδοτικό Τάσης
• Λαμπτήρες

Διαδικασία:
Δημιουργούμε ένα κλάδο όπου συνδέουμε σε σειρά δυο λαμπτήρες. Δημιουργούμε ακόμα ένα κλάδο όπου συνδέουμε παράλληλα δυο λαμπτήρες. Συνδέουμε τους παραπάνω κλάδους παράλληλα μεταξύ τους αλλά και με το τροφοδοτικό τάσης. Παρέχουμε στο κύκλωμα τάση V_Π ίση με 6 V. Παρατηρούμε ότι τα λαμπάκια που είναι συνδεδεμένα παράλληλα μεταξύ τους φωτοβολούν περισσότερο από τα λαμπάκια που είναι συνδεδεμένα σε σειρά μεταξύ τους. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Η τάση που παρέχουμε στο κύκλωμα είναι ίση με $V_{π}=6V$. Οι κλάδοι ΑΒ και ΓΔ επειδή είναι συνδεδεμένοι παράλληλα μεταξύ τους θα έχουν και αυτοί την ίδια διαφορά δυναμικού στα άκρα τους δηλαδή .

Στον κλάδο ΑΒ που οι λαμπτήρες είναι συνδεδεμένοι σε σειρά, η ολική αντίσταση τους είναι  $R_{Σ}=R_{λ}+R_{λ}=2R_{λ}$ οπότε το ρεύμα που διαρρέει τον κλάδο είναι $I_{AB}=((V_{π})/(2R_{λ}))$

Στον κλάδο ΓΔ καθένας από τους δυο λαμπτήρες έχει τάση V_Π  και η ένταση του ρεύματος που τον διαρρέει είναι $I_{ΓΔ}=((V_{π})/(R_{λ}))$

Παρατηρούμε ότι η ένταση του ρεύματος που διαρρέει κάθε λαμπτήρα του κλάδου ΓΔ είναι διπλάσια από αυτή του κλάδου ΑΒ οπότε είναι φυσιολογική και η διαφορά στην φωτοβολία των λαμπτήρων, η οποία είναι ανάλογη της έντασης του ρεύματος.

• Τροφοδοτικό Τάσης
• Συσκευή μεταβλητής αντίστασης
• Λαμπτήρας

Διαδικασία

Συνδέουμε σε σειρά το λαμπτήρα, τη συσκευή μεταβλητής αντίστασης και το τροφοδοτικό τάσης. Ρυθμίζουμε τη συσκευή μεταβλητής αντίστασης να έχει την μικρότερη δυνατή αντίσταση και παρέχουμε στο κύκλωμα τάση 3 V. Παρατηρούμε ότι το λαμπάκι φωτοβολεί. Κατόπιν, ρυθμίζουμε τη συσκευή μεταβλητής αντίστασης ώστε έχει αντίσταση      1 ΚΩ (1000 Ω). Παρατηρούμε ότι το λαμπάκι παύει να φωτοβολεί.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση

Όταν ρυθμίζουμε τη συσκευή μεταβλητής αντίστασης να έχει μηδενική αντίσταση, από τον νόμο του Ohm μπορούμε να υπολογίσουμε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το λαμπτήρα, ο οποίος έχει αντίσταση περίπου 10 Ω. Έτσι έχουμε

$I=(V/(R_{OΛ}))=(V/(R_{ΛAMTHPA}))=(3/(10))=0,3A$

Ρεύμα ικανό να φωτοβολήσει ο λαμπτήρα μας. 

Όταν ρυθμίζουμε τη συσκευή μεταβλητής αντίστασης να έχει αντίσταση 1 ΚΩ, η συνολική αντίσταση του κυκλώματος αυξάνεται. Από τον νόμο του Ohm, υπολογίζουμε την ένταση του ρεύματος που διαρρέει το λαμπτήρα

$I=(V/(R_{OΛ}))=(V/(R_{ΛAM}+R_{POOΣTATH}))=(3/(1010))=0,0029A$

Ρεύμα πολύ μικρό, με συνέπεια να μην φωτοβολεί ο λαμπτήρα μας. 

Ερώτηση προς τους επισκέπτες

Ποιο είναι το ελάχιστο ρεύμα Ιmin για να δούμε φωτοβολία στον λαμπτήρα;

• Τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος 0-12V(πηγή)
• αντιστάτης 100Ω
• αμπερόμετρο DC
• βολτόμετρο
• 6 καλώδια πολλαπλής σύνδεσης
• 1 λαμπάκι 6V.

Διαδικασία:

• Συνδέουμε τους πόλους της πηγής με τον αντιστάτη με αποτέλεσμα να εφαρμόζεται στα άκρα του τάση της οποία την τιμή μπορούμε να μεταβάλλουμε κάθε φορά και το  βολτόμετρο στα άκρα του το οποίο μας δίνει την τάση του. Με το αμπερόμετρο το οποίο παρεμβάλλεται σε σειρά στο κύκλωμα θα προσδιορίζουμε την τιμή της έντασης για κάθε τιμή της τάσης. Παρατηρούμε ότι η  τιμή της έντασης του ρεύματος που διαρρέει τον αντιστάτη είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του. Γιατί συμβαίνει αυτό;
• Αντικαθιστούμε τον αντιστάτη με το λαμπάκι και επαναλαμβάνουμε την παραπάνω διαδικασία. Παρατηρούμε ότι η  τιμή της έντασης του ρεύματος που διαρρέει το λαμπάκι δεν είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Επισήμανση:Για τη μέτρηση της αντίστασης του αντιστάτη η ένδειξη του αμπερομέτρου πρέπει να είναι στα mA  και  για το λαμπάκι στα Α.

Εξήγηση:

Όταν στα άκρα ενός αγωγού εφαρμόσουμε μια διαφορά δυναμικού, τότε ο αγωγός διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος ( εφ’ όσον η θερμοκρασία του αγωγού διατηρείται σταθερή) είναι ανάλογη της εφαρμοζόμενης τάσης:

I=V/R 

Η πρόταση αυτή είναι γνωστή ως νόμος του Ωhm.

Σύμφωνα με το νόμο του Ωhm το πηλίκο της τάσης στα άκρα ενός αγωγού προς την ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που τον διαρρέει, είναι σταθερό (ανεξάρτητο της εφαρμαζόμενης τάσης) και ονομάζεται αντίσταση του αγωγού. Ο νόμος του Ωhm δεν ισχύει για όλους τους αγωγούς. Για παράδειγμα, μπορούμε εύκολα να διαπιστώσουμε πειραματικά ότι η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος που διαρρέει ένα λαμπτήρα δεν είναι ανάλογη της τάσης που εφαρμόζεται στα άκρα του. Η κατηγορία των αγωγών για τους οποίους ισχύει ο νόμος του Ωhm ονομάζονται αντιστάτες.

• Παλμογεννήτρια
• Πυκνωτής χωρητικότητας 10 μF
• Αντίσταση 1 ΚΩ
• Παλμογράφος Δυο Καναλιών

Διαδικασία:
Συνδέουμε σε σειρά τον πυκνωτή, την αντίσταση και το τροφοδοτικό εναλλασσόμενης τάσης. Συνδέουμε το Κανάλι 1 του παλμογράφου στα άκρα της αντίστασης και το Κανάλι 2 στα άκρα του πυκνωτή. Τροφοδοτούμε το κύκλωμα με ημιτονοειδές σήμα με την βοήθεια της παλμογεννήτριας. Ρυθμίζουμε τον παλμογράφο ώστε να απεικονίζονται στην οθόνη του το Κανάλι 1 και το Κανάλι 2 ταυτόχρονα. Παρατηρούμε ότι οι δυο κυματομορφές δεν ταυτίζονται αλλά έχουν μια διαφορά φάσης η οποία είναι ίση με 90^ο, δηλαδή όταν η μια έχει μέγιστο η άλλη έχει ελάχιστο.
Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Ας θεωρήσουμε ότι η παλμογεννήτρια μας, μας τροφοδοτεί με ημιτονοειδές σήμα της μορφής $V=V₀ημωt$. Όταν στα άκρα της συνδέουμε μια αντίσταση τότε από τον 2^ο νόμο του Kirchhoff προκύπτει: $V-IR=0⇒V₀ημωt-IR=0$ Το ρεύμα που διαρρέει την αντίσταση είναι:  $I(t)=(V₀/R)ημωt-I₀ημωt$ Συμπεραίνουμε ότι το ρεύμα και κατά συνέπεια η τάση της αντίστασης βρίσκεται σε φάση με την τάση της παλμογεννήτριας.

Όταν στα άκρα της παλμογεννήτριας συνδέουμε έναν πυκνωτή ο 2^ος νόμος του Kirchhoff γράφεται ως εξής: $V-V_{c}=0⇒V-(q/C)=0$.Οπότε το φορτίο εκφράζεται ως: $q(t)=V₀Cημωt$ Ενώ το ρεύμα είναι: $I(t)=((dq(t))/(dt))=C(dV/dt)=V₀Cωσυνωt=I₀ημ(ωt+(π/2))$.Όπου $I₀=V₀Cω=(V₀/1/Cω)=(V₀/(Z_{c})$ και $Z_{c}=(1/Cω)$ είναι η χωρητική αντίσταση. Συμπεραίνουμε ότι το ρεύμα και κατά συνέπεια η τάση του πυκνωτή παριστάνονται από ημιτονοειδές κύμα που προηγείται της τάση της παλμογεννήτριας κατά 90^ο. Η τάση γίνεται μέγιστη μετά από ένα τέταρτο της περιόδου μετά τη μέγιστη τιμή της τάσης της παλμογεννήτριας.

Σε ένα κύκλωμα το οποίο αποτελείται από αντίσταση R και πυκνωτή C σε σειρά, η τάση του πυκνωτή προηγείται της τάση της παλμογεννήτριας κατά 90^ο και η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος είναι: $Z_{RC}=√R²+(1/(Cω))²$

• Παλμογεννήτρια
• Πηνίο με συντελεστή αυτεπαγωγής 11 mH
• Αντίσταση 10 Ω
• Παλμογράφος Δυο Καναλιών

Διαδικασία:

Συνδέουμε σε σειρά το πηνίο, την αντίσταση και το τροφοδοτικό εναλλασσόμενης τάσης. Συνδέουμε το Κανάλι 1 του παλμογράφου στα άκρα της αντίστασης και το Κανάλι 2 στα άκρα του πηνίου. Τροφοδοτούμε το κύκλωμα με ημιτονοειδές σήμα με την βοήθεια της παλμογεννήτριας. Ρυθμίζουμε τον παλμογράφο ώστε να απεικονίζονται στην οθόνη του το Channel 1 και το Channel 2 ταυτόχρονα. Παρατηρούμε ότι οι δυο κυματομορφές δεν ταυτίζονται αλλά έχουν μια διαφορά φάσης η οποία είναι ίση με 90^ο, δηλαδή όταν η μια έχει μέγιστο η άλλη έχει ελάχιστο.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Ας θεωρήσουμε ότι η παλμογεννήτρια μας, μας τροφοδοτεί με ημιτονοειδές σήμα της μορφής $V=V₀ημωt$.

Όταν στα άκρα της παλμογεννήτριας συνδέουμε ένα πηνίο εμφανίζεται εναλλασσόμενη μαγνητική ροή, η οποία δημιουργεί εναλλασσόμενη ΗΕΔ από αυτεπαγωγή, ίση και αντίθετη προς την ΗΕΔ της γεννήτριας. Η μαγνητική ροή είναι ανάλογη προς το ρεύμα και βρίσκεται στην ίδια με το ρεύμα φάση. Αν το ρεύμα και η ροή παριστάνονται από τις συναρτήσεις  και  η ΗΕΔ από αυτεπαγωγή V_L είναι ανάλογη προς το ρυθμό μεταβολής της ροής. Ο ρυθμός μεταβολής παριστάνεται από συνημιτονοειδές κύμα, δηλαδή κύμα μετατοπισμένο κατά π/2. Το αρνητικό μέγιστο σημειώνεται, όταν μηδενίζονται το ρεύμα και η ροή, λόγω του νόμου του Lenz. Αν Ν είναι ο αριθμός των σπειρών του πηνίου, η V_L εκφράζεται: $V_{L}=((NdΦ)/(dt))=L((dI)/(dt))=-LI₀(dημωt/dt)=-ωLI₀συνωt=V_{L0}ημ(ωt-(π/2))$ όπου $V_{L0}=ωLI₀=Z_{L}I₀$ και $Z_{L}=ωL$ είναι η επαγωγική αντίσταση.

Από τα προηγούμενα συμπεραίνουμε ότι το ρεύμα και κατά συνέπεια η τάση του πηνίου είναι ένα ημιτονοειδές κύμα που υστερεί από τη τάση της παλμογεννήτριας κατά 90^ο. Σε ένα κύκλωμα το οποίο αποτελείται από αντίσταση R και πηνίο L σε σειρά, η τάση του πηνίου υστερεί της τάση της παλμογεννήτριας κατά 90^ο και η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος είναι $Z_{RL}=\sqrt{R²+(ωL)²}$.

]]> http://phys-exp.physics.uoi.gr/?feed=rss2&p=253 0 http://phys-exp.physics.uoi.gr/?p=261 http://phys-exp.physics.uoi.gr/?p=261#comments Mon, 07 Jul 2014 09:24:32 +0000 http://pml.physics.uoi.gr/wordpress/?p=261 Διάταξη:

• Παλμογεννήτρια
• Πηνίο με συντελεστή αυτεπαγωγής 44mH
• Πυκνωτής χωρητικότητας 10 μF
• Αντίσταση 100 Ω
• Παλμογράφος Δυο Καναλιών

Διαδικασία:

Συνδέουμε σε σειρά την αντίσταση, το πηνίο, το πυκνωτή και το τροφοδοτικό εναλλασσόμενης τάσης. Συνδέουμε το αμπερόμετρο σε σειρά μετά το πηνίο του κυκλώματος. Τροφοδοτούμε το κύκλωμα με ημιτονοειδές σήμα συχνότητας 200 ως 300 Hzμε την βοήθεια της παλμογεννήτριας. Μεταβάλλουμε την συχνότητα της παλμογεννήτριας και προσέχουμε την οθόνη του αμπερόμετρου. Παρατηρούμε ότι η τιμή του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα για κάποια δεδομένη συχνότητα λαμβάνει μέγιστη τιμή και μετά μειώνεται. Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Ας θεωρήσουμε ότι η παλμογεννήτρια μας, μας τροφοδοτεί με ημιτονοειδές σήμα της μορφής  $V=V_{0}\eta\mu\omega t$. Η συνολική διαφορά δυναμικού V_Σ είναι το άθροισμα της διαφοράς δυναμικού στα άκρα της αντίστασης V_R, της διαφοράς δυναμικού στα άκρα του πηνίου V_Lκαι της διαφοράς δυναμικού στα άκρα του πυκνωτή V_C. Όπως έχουμε δει είναι:$V_{R}=I_{0}R\eta\mu\omega t$

$V_{L}=I_{0}Lω η\mu(ω t+\frac{\pi}{2})=I_{0}Lω σ υ ν ω t$

$V_{C}=\frac{I_{0}}{ω C}η\mu(ω t-\frac{\pi}{2})=-\frac{I_{0}}{ω C}σ υ νω t$

άρα είναι:

$V_{Σ }=V_{R}+V_{L}+V_{C}=I_{0}Rη\mu(ω t)+Ι _{0}(Lω -\frac{1}{ω C})σ υ ν(ω t)=Ι _{0}R(η\mu
(ω t)+\frac{Lω -\frac{1}{ω C}}{R}σ υ ν(ω t))=$

$I_{0}R(η\mu(ω t)+\tan φ σ υ ν (ω t))=I_{0}R\frac{η\mu(ω t+φ )}{σ υ ν φ }=I_{0}R\frac{η\mu(ω t+φ )}{\frac{R}{\sqrt{R^{2}+(Lω -\frac{1}{ω C})^{2}}}}\Rightarrow I_{0}Zη\mu(ω t+φ )$

όπου $Z=\sqrt{R^{2}+(Lω -\frac{1}{ω C})^{2}}$

είναι η σύνθετη αντίσταση ή εμπέδηση του κυκλώματος και εκφράζεται σε Ohms.

Το μέγιστο ρεύμα που παρατηρούμε στο αμπερόμετρο μας οφείλεται λόγω του φαινομένου του συντονισμού. Ένα κύκλωμα βρίσκεται σε κατάσταση συντονισμού όταν η σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος είναι ίση με την ωμική αντίσταση R.

Στο κύκλωμα μας, δηλαδή όταν: $Z=R\Rightarrow\sqrt{R^{2}+(Lω -\frac{1}{ω C})^{2}}=R\Rightarrow
Lω =\frac{1}{ω C}\Rightarrow ω _{0}=\frac{1}{\sqrt{LC}}$ Άρα η συχνότητα συντονισμού είναι: $f₀=(1/2π√LC)$ και σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων του κυκλώματος μας είναι $f_{0}^{θ ε ω ρ }=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}=\frac{1}{2\pi\sqrt{44\ast10^{-3}10\ast10^{-6}}}=240Hz$.

Όμως κατά την διάρκεια εκτέλεσης του πειράματος μας είδαμε στην οθόνη του αμπερόμετρου μας ότι το ρεύμα αυξάνεται σε μια συχνότητα κοντά στα 280 Hz. Αυτό συμβαίνει γιατί αφενός το πηνίο μας δεν είναι ιδανικό αλλά έχει κάποια εσωτερική αντίσταση και αφετέρου το αρχικό πηνίο προσδίδει στο κύκλωμα μας μια επιπλέον εμπέδηση.

• Παλμογεννήτρια
• Πηνία με 500 και 1000 σπείρες συνδεδεμένα σε κοινό πυρήνα μαλακού μαγνητικού υλικού.
• Αντίσταση 1 ΚΩ
• Παλμογράφος Δυο Καναλιών

Διαδικασία:

Συνδέουμε τη παλμογεννήτρια στα άκρα του ενός πηνίου. Συνδέουμε το Channel 1 του παλμογράφου στα άκρα του πηνίου με τις 1000 σπείρες και το Channel 2 στα άκρα της αντίστασης που είναι συνδεδεμένη σε σειρά με το πηνίο με τις 500 σπείρες. Τροφοδοτούμε το κύκλωμα με ημιτονοειδές σήμα συχνότητας 20 ως 100 Hz με την βοήθεια της παλμογεννήτριας. Ρυθμίζουμε τον παλμογράφο ώστε να απεικονίζονται στην οθόνη του το Channel 1 και το Channel 2 ταυτόχρονα και κάθε κανάλι να έχει 0,5 V/div. Παρατηρούμε ότι οι δυο κυματομορφές δεν έχουν διαφορά φάσης αλλά η κυματομορφή του Channel 2  έχει το μισό πλάτος του Channel 1, δηλαδή υπάρχει μια αναλογία $\frac{V_{2}}{V_{1}}=\frac{1}{2}$

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα της διαμόρφωσης AC σε σύγκριση με των DC είναι ότι στη διανομή της ηλεκτρικής ενέργειας η ανύψωση και ο υποβιβασμός της τάσης γίνεται πιο εύκολα. Η απαιτούμενη μετατροπή τάσης επιτυγχάνεται με τη χρήση μετασχηματιστών.

Ένας μετασχηματιστής αποτελείται από δυο πηνία, περιελιγμένα στον ίδιο πυρήνα, τα οποία έχουν την ίδια αμοιβαία επαγωγή. Το πηνίο που τροφοδοτείται με ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται πρωτεύον πηνίο ενώ το πηνίο που δίνει ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζεται δευτερεύον.

Το εναλλασσόμενο ρεύμα στο πρωτεύον πηνίο δημιουργεί εναλλασσόμενη μαγνητική ροή Φ_Β στον πυρήνα, που είναι ίδια και στο πρωτεύον και στο δευτερεύον πηνίο. Σύμφωνα με τον νόμο του Faraday, αυτή προκαλεί ΗΕΔ στο κάθε πηνίο και έτσι ενέργεια μεταφέρεται από το πρωτεύον στο δευτερεύον πηνίο μέσω της μαγνητικής ροής στον πυρήνα και της ΗΕΔ που επάγεται.

Οι επαγόμενες ΗΕΔ που προκύπτουν είναι $E_{1}=-N_{1}\frac{d\Phi_{B}}{dt}$ για το πρωτεύον πηνίο και $E_{2}=-N_{2}\frac{d\Phi_{B}}{dt}$ για το δευτερεύον πηνίο οπότε $\frac{E_{1}}{E_{2}}=\frac{N_{1}}{N_{2}}$. Τέλος αν θεωρήσουμε ότι οι αντιστάσεις των δυο πηνίων είναι μηδενικές καταλήγουμε ότι $\frac{V_{2}}{V_{1}}=\frac{N_{2}}{N_{1}}$

Αν $V_{2}\succ V_{1}$ έχουμε ανύψωση τάσης ενώ αν  $V_{1}\succ V_{2}$  έχουμε υποβιβασμό.

Οι σπείρες στα πηνία μας είναι Ν₁ = 1000 και Ν₂ = 500 οπότε πρέπει $\frac{V_{2}}{V_{1}}=\frac{N_{2}}{N_{1}}\Rightarrow V_{2}=\frac{1}{2}V_{1}$

πράγμα που επαληθεύεται και στο πείραμα μας.

Επαναλάβουμε το πείραμα μας, αλλά συνδέσουμε στο Channel 1 τα άκρα του πηνίου με τις 500 σπείρες και στο Channel 2 τα άκρα του πηνίου με τις 1000 σπείρες. Τροφοδοτούμε το πηνίο των 500 σπειρών με ημιτονοειδές σήμα συχνότητας 10 ως 30 Hz με την βοήθεια της παλμογεννήτριας. Παρατηρούμε ότι οι δυο κυματομορφές πάλι δεν έχουν καμία διαφορά φάσης αλλά η κυματομορφή του Channel 2 είναι διπλάσια του Channel 1 δηλαδή υπάρχει μια αναλογία $\frac{V_{2}}{V_{1}}=\frac{N_{2}}{N_{1}}\Rightarrow V_{2}=2V_{1}$

• Παλμογεννήτρια
• Μετασχηματιστής
• 4 δίοδοι κατάλληλα συνδεδεμένοι μεταξύ τους
• Αντίσταση 1 ΚΩ
• Παλμογράφος Δυο Καναλιών

Διαδικασία:

Συνδέουμε τη παλμογεννήτρια με το μετασχηματιστή (για ν’ απομονώσουμε την γείωση) και στην συνέχεια τον μετασχηματιστή με το κύκλωμα στα σημεία Α και Γ ενώ στα σημεία Β και Δ συνδέουμε την αντίσταση. Συνδέουμε το Channel 1 του παλμογράφου στα σημεία Α και Γ. Τροφοδοτούμε το κύκλωμα με ημιτονοειδές σήμα με την βοήθεια της παλμογεννήτριας. Ρυθμίζουμε τον παλμογράφο ώστε να απεικονίζονται στην οθόνη του το Channel 1. Παρατηρούμε ότι το Channel 1 παριστάνει μια ημιτονοειδή συνάρτηση στην οποία η τάση παίρνει θετικές και αρνητικές τιμές. Συνδέουμε το Channel 1 με την αντίσταση. Παρατηρούμε ότι η τάση έχει την μορφή μιας ημιτονοειδούς συνάρτησης στην οποία όμως εμφανίζονται μόνο θετικές τιμές.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Εξήγηση:

Η δίοδος είναι μια διάταξη που επιτρέπει στο ηλεκτρικό ρεύμα να διέρχεται μέσα από αυτή κατά την μια φορά (πολικότητα) πολύ εύκολα, δηλαδή με μικρή αντίσταση, ενώ το αποκόπτει δηλαδή έχει τεράστια αντίσταση κατά την αντίθετη φορά.

Ανόρθωση λέμε τη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή. Η μετατροπή αυτή είναι απαραίτητη γιατί τα περισσότερα ηλεκτρονικά κυκλώματα, που για την τροφοδότησή τους χρειάζονται συνεχής τάση.

Η διάταξη του πειράματός μας έχει έναν συνδυασμό διόδων που επιτρέπουν ρεύμα να διαρρέει το κύκλωμα με φορά πάντα προς τα πάνω, όποια και να είναι η φορά του ρεύματος από την πηγή AC.

Κατά το θετικό κομμάτι του κύκλου της πηγής οι δίοδοι 1, 4 πολώνονται ορθά και άγουν, ενώ οι δίοδοι 2, 3 δεν άγουν. Έτσι προκαλείται ροή ρεύματος στο κύκλωμα και παλμός εξόδου στα άκρα της αντίστασης. Κατά το αρνητικό κομμάτι, οι δίοδοι 2, 3 πολώνονται ορθά και άγουν, ενώ οι 1, 3 δεν άγουν. Και τότε όμως έχουμε πάλι ροή ρεύματος κατά την ίδια φορά στα άκρα της αντίστασης. Για κάθε εναλλαγή η ροή ρεύματος είναι ίδια, έτσι και ο παλμός εξόδου δεν αλλάζει φορά πράγμα που επιβεβαιώνεται και από το πείραμα μας. Το πλάτος του παλμού εξόδου είναι μειωμένο σε σχέση με το πλάτος του αρχικού παλμού λόγω της αντίστασης που έχει η κάθε δίοδος και της αντίστασης R.

Αν συνδέσουμε έναν πυκνωτή χωρητικότητας C= 1 μF παράλληλα με την αντίσταση R παρατηρούμε ότι οι θετικές τιμές της ανορθωμένης τάσης βρίσκονται όχι μεταξύ V_max και 0 όπως ήταν όταν δεν είχαμε πυκνωτή αλλά μεταξύ V_max και V_min με V_min>0. Αν συνδέσουμε μεγαλύτερης χωρητικότητας πυκνωτή C=100 μF παρατηρούμε ότι η διακύμανση της τάσης είναι πάρα πολύ μικρή, σχεδόν μηδενική.

Αυτό συμβαίνει γιατί όταν συνδέσουμε τον πυκνωτή παράλληλα με την αντίσταση αυτός αποφορτίζετε πολύ πιο αργά σε σχέση με την περίοδο Τ του «ημιτονοειδούς» ανορθωμένου σήματος με αποτέλεσμα να διατηρεί την τάση σε θετικές και υψηλές τιμές για μεγαλύτερο χρόνο σε σχέση με την περίοδο Τ. Όταν αυξάνουμε την χωρητικότητα αυξάνουμε και τον χρόνο αποφόρτισης του πυκνωτή με αποτέλεσμα ο χρόνος που η τάση παραμένει σταθερή είναι πάρα πολύ μεγαλύτερος από την περίοδο Τ και έτσι έχουμε και ανορθωμένο και σταθεροποιημένο ρεύμα, δηλαδή ρεύμα DC.