Praktikum školských pokusů 1, Elektřina Podzimní semestr 2022 •1. Demonstrace závislosti elektrického odporu polovodičů na teplotě. •2. Demonstrace závislosti elektrického odporu polovodičů na teplotě. •3 Hallův jev 1,2,3. •4. Pohyb elektrolytu protékaného proudem v magnetickém poli 1, 2, 3, 4. •5. Demonstrace funkce primárního článku •6. Demonstrace funkce sekundárního článku - Pb akumulátoru 1, 2, 3. •7. Demonstrace termoelektrického jevu •8. Seebeckův koeficient a znaménková konvence Seebeckova koeficientu 1,2. •9. Zapojení termočlánku typu K pro měření teploty pomocí mikrovoltmetru a lázní s referenční teplotou 1,2. • • Obsah •10. Peltiérův jev 1, 2, 3, 4, 5, 6. •11. Ampérův pokus 1, 2, 3, 4. •12. Určení polarity permanentního magnetu 1, 2. •13. Oerstedův pokus 1, 2. •14. Demonstrace tvaru elektromagnetického pole v okolí proudovodičů 1, 2. •15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 1, 2, 3, 4, 5, 6. •16. Hysterezní křivka feromagnetika 1, 2, 3. •17 Demonstrace a přibližné určení Curieovy teploty vzorků Fe a Ni 1, 2, 3. • • • • Obsah Tento materiál byl připraven v rámci projektu Zkvalitnění a inovace přípravy budoucích učitelů na MUNI (ZIP MUNI), reg. č. p.: CZ.02.3.68/0.0/0.0/19_068/0016170. Regulovatelný zdroj napětí V A V 1.Demonstrace závislosti elektrického odporu polovodičů na teplotě. Kde keramika Regulovatelný zdroj napětí V A V Silikonová podložka Vzorek Ge 2. Demonstrace závislosti elektrického odporu polovodičů na teplotě. Destička Ge Zdroj proudu Voltmetr Směr magnetického pole kolmo do nákresny Směr proudu 3. Hallův jev – experimentální uspořádání 1. 1.Sestavte obvod dle obrázku. 2.Pod vzorek vložte permanentní magnet. 3.Odečtěte napětí na voltmetru. 4.Obrácením magnetu změňte polaritu. 5.Odečtěte napětí na voltmetru. Zdroj proudu Voltmetr Směr magnetického pole kolmo do nákresny Destička Ge Destička Ge magnet Trajektorie nositelů kladného el. náboje Trajektorie nositelů záporného el. náboje Směr proudu Směr proudu V Elektrické pole Magnetické pole L A Ampérmetr Hallův jev – experimentální uspořádání 2. Hallův jev - chybný výklad 3. Trajektorie nositelů kladného el. náboje Trajektorie nositelů záporného el. náboje Směr proudu Směr proudu V rovnovážném stavu je Lorentzova síla rovna nule, tj. silový účinek magnetického pole je kompenzován silovým účinkem příčného elektrického pole. magnet N S Proudový zdroj Petriho miska Roztok NaCl Grafitová elektroda Grafitová elektroda Magnetická indukční čára-schematicky A 4. Pohyb elektrolytu protékaného proudem v magnetickém poli 1. 1.Nalejte do misky roztok 10N NaCi. 2.Zapojte elektrický obvod dle obrázku. 3.Umístěte permanentní magnet pod misku postupně oběma zakreslenými způsoby. 4.Posypte hladinu malým množstvím krupice. 5.Postupně zvyšujte elektrický proud dokud se nedá roztok do pohybu. 6.Pohyb lze kvalitativně vysvětlit objemovou hustotou magnetické složky Lorentzovy síly. Směr pohybu krupicových zrníček Regulovatelný proudový zdroj Magnetické indukční čáry A N S 4. Pohyb elektrolytu protékaného proudem v magnetickém poli 2. magnet N S Proudový zdroj Petriho miska Roztok NaCl Grafitová elektroda Grafitová elektroda Magnetická indukční čára-schematicky A 4. Pohyb elektrolytu protékaného proudem v magnetickém poli 3. Směr pohybu krupicových zrníček Regulovatelný proudový zdroj Magnetické indukční čáry A 4. Pohyb elektrolytu protékaného proudem v magnetickém poli 4. Plastová miska měď Elektrolyt: kyselina citronová 5. Demonstrace funkce primárního článku Sestavte experiment podle obrázku. Do plastové misky vložte měděnou a zinkovou destičku. Destičky vůči stěně zajistíte plastovým kolíčkem na prádlo. Do misky nalejte 10 % roztok kyseliny citronové (na koncentraci příliš nezáleží). Připojte k elektrodám voltmetr a změřte napětí. Sestavte čtyři samostatné články popsaným způsobem a zapojte do série. K takto vytvořené baterii připojte červenou vysoce svítivou LED diodu. Napětí na baterii by měla stačit na její rozsvícení. Pokud je čas, nechte sestavu svítit. zinek V V V V 6. Demonstrace funkce sekundárního článku - Pb akumulátoru 1. Sestavte experiment podle obrázku. Do plastové nádobky vložte dvě olověné destičky které zajistíte vůči stěně plastovým kolíčkem na prádlo. Do nádobky nalejte 10 % roztok kyseliny sírové tj. cca 1/3 koncentrace akumulátorové kyseliny. Připojte k elektrodám voltmetr a elektrody zkratujte. V tomto stavu ponechte baterii do té doby, než je zcela vybitá. Napětí na článku blízké nule V 6. Demonstrace funkce sekundárního článku - Pb akumulátoru 2. A Stabilizovaný zdroj napětí V Zcela vybitou baterii připojte ke zdroji stejnosměrného napětí podle obrázku. Zvyšujte připojené napětí až k hodnotě, kdy ampérmetr zaznamená nárůst nabíjecího proudu. Pozor na plynování na elektrodách, které generuje aerosol roztoku kyseliny sírové, dráždící sliznici horních cest dýchacích. V 6. Demonstrace funkce sekundárního článku - Pb akumulátoru 3. A Stabilizovaný zdroj napětí Po několika minutách nabíjení odpojte nabíjecí zdroj a elektrochemický článek připojte přes vypínač k 1.5 až 3 V žárovičce. Tající led mikrovoltmetr 7. Demonstrace termoelektrického jevu měď železo 1.Zapojte elektrický obvod s termočlánkem železo měď podle obrázku. 2.Změřte teplotu lihového plamene elektrickým termočlánkovým teploměrem. 3.Vložte jeden spoj termočlánku do tajícího ledu a druhý ohřejte lihovým plamenem, jehož teplota byla změřena. 4.Odečtěte termoelektrické napětí. 5.Porovnejte naměřené napětí s teoreticky předpovězenou hodnotou dle tabelovaných Seebeckových koeficientů pro Cu a Fe. Úkoly: 8. Seebeckův koeficient a znaménková konvence Seebeckova koeficientu 1. Pro proudovou hustotu platí: Pro pak Vzorek elektricky vodivého materiálu Znaménko elektrického náboje Rozložení teploty a napětí na vzorku se Seebeckovým koeficientem záporným a kladným, schematicky. Tabulka relativního Seebeckova koeficientu různých materiálů vzhledem k platině při pokojové teplotě. 8. Seebeckův koeficient a znaménková konvence Seebeckova koeficientu 2. Měřený objekt chromel alumel Referenční teplota 9. Zapojení termočlánku typu K pro měření teploty pomocí mikrovoltmetru a lázní s referenční teplotou 1. µvoltmetr alumel Měřený objekt chromel alumel měď měď µvoltmetr Referenční teplota Zapojení termočlánku typu K s prodlužovacími vodiči pro měření teploty pomocí mikrovoltmetru a lázní s referenční teplotou. 9. Zapojení termočlánku typu K pro měření teploty pomocí mikrovoltmetru a lázní s referenční teplotou 2. Chromel Ni, 90%, Cr 10% Alumel (95% Ni, 2% Al, 2% Mn, 1% Si) koeficient 0.00032 K-1 0.00239 K-1 Resistivita 0.706 µΩ m 0.294 µΩ m Youngův modul 186 GPa - Pevnost v tahu 620-780 MPa 620-780 MPa hustota 8.5 g ccm 8.61 g ccm Bod tání 1420 °C 1399 °C Koeficient délkové roztažnosti 12.8 10-6 20-1000 °C 12.0 10-6 20-1000 °C Maximální teplota ve vzduchu 1100 °C - Tepelná vodivost 19 W m−1 K−1 at 23 °C 29.7 W m−1 K−1 at 23 °C Curieova teplota nemagnetický 152 -180 °C Termočlánek typu K 10. Peltiérův jev 1. měď Regulovatelný proudový zdroj měď Peltierův koef. Peltierův koef. Peltierův a Seebeckův koeficient je vázán Thomsonovým vztahem izolátor 10. Peltiérův jev 2. Regulovatelný proudový zdroj měď Polovodič s Peltierovým koef. Peltierův a Seebeckův koeficient je vázán Thomsonovým vztahem izolátor Tepelný tok v důsledku tepelné vodivosti Polovodič s Peltierovým koef. měď keramika Polovodič p-typ Polovodič n-typ Peltierův článek, TEC1-127060S 40x40 mm, síla 3,6 mm konstrukce - schematicky Materiál polovodičů je většinou na bázi Bismuth Telluridu 10. Peltiérův jev 3. chladič - hliníková deska Peltierův článek, TEC1-127060S V 1.Změřte kontaktním teploměrem teplotu chladiče- hliníkové desky, na které je přilepen Peltiérův článek a ponorným teploměrem teplotu lázně v kádince. 2.Kádinku postavte na Peltiérův článek a odečtěte maximální napětí na voltmetru (včetně polarity). 3. Z informace na štítku článku TEC1-127060S, kde barevně označené číslo představuje počet segmentů páru polovodičů p a n. spočítejte Seebeckův koeficient S jednoho segmentu. Úkoly 10. Peltiérův jev 4. chladič - hliníková deska Peltierův článek, TEC1-127060S A V Regulovatelný proudový zdroj 10. Peltiérův jev 5. Peltierův článek, TEC1-127060S 10. Peltiérův jev 6. Proudový zdroj A 11. Ampérův pokus 1. 1. Sestavíme experiment podle obrázku. Jako prověšené vodiče lze použít neizolovaná pletená měděná lanka určená k odsávání cínu, která jsou dostatečně měkká. Výsledek pokusu může negativně ovlivnit přítomnost feromagnetických materiálů-oceli v desce a pod deskou stolu. Proudový zdroj Magnetická indukční čára mg. pole vodiče 2 Vodič 2 Vodič 1 A 2. Vodič připojíme ke zdroji proudu cca 25 – 50 A a pozorujeme silový účinek magnetického pole na proudovodič. Doba sepnutí proudu je limitována vyvinutým Joulovým teplem na několik sec. 11. Ampérův pokus 2. Proudový zdroj Vodič 2 Vodič 1 A 1. Sestavíme experiment podle obrázku. Jako prověšené vodiče lze použít neizolovaná pletená měděná lanka určená k odsávání cínu, která jsou dostatečně měkká. Vnější propojovací vodiče je třeba vést co nejdál od vodičů zavěšených. Výsledek pokusu může negativně ovlivnit přítomnost feromagnetických materiálů-oceli v desce a pod deskou stolu. 11. Ampérův pokus 3. Proudový zdroj Vodič 2 Vodič 1 Magnetická indukční čára mg. pole vodiče 2 A 11. Ampérův pokus 4. 2. Vodič připojíme ke zdroji proudu cca 25 A a pozorujeme silový účinek magnetického pole na proudovodič, který je výraznější, než dle bodu 2., protože vodiče se k sobě přibližují. Doba sepnutí proudu je limitována vyvinutým Joulovým teplem na několik sec. Proudový zdroj N S A 12. Určení polarity permanentního magnetu 1. Sestavíme experiment podle obrázku. Jako prověšené vodiče lze použít neizolovaná pletená měděná lanka určená k odsávání cínu, která jsou dostatečně poddajná. Proudový zdroj N S Vektor mg. Indukce magnetické pole permanentního magnetu A 12. Určení polarity permanentního magnetu 2. Proudový zdroj A 13. Oerstedův pokus 1. Sestavíme experiment podle obrázku. Jako vodič lze použít vodiče z předchozích experimentů, který napneme v severojižním směru. Proudový zdroj Magnetická indukční čára magnetického pole vodiče A 13. Oerstedův pokus 2. Pro dostatečně dlouhý vodič platí přibližně z Ampérova zákona Vodič připojíme k regulovatelnému zdroji proudu. Magnetické pole vodiče se superponuje s magnetickým polem zemským. Vzhledem k tomu, že magnetické pole vodiče není v místě magnetické střelky homogenní, nelze jednoduše určit výsledný směr střelky (nebo naopak ze směru střelky magnetické pole vodiče.) 14. Demonstrace tvaru elektromagnetického pole v okolí proudovodičů 1. Celkový pohled na demonstrační desku. Obsahuje dvě cívky, které lze zapojit tak, že vytváří pole proti sobě, nebo ve stejném směru. Dále samostatné vodiče 1 a 4 a dvojice vodičů s proudem ve stejném směru 2, 3 a dva vodiče s proudem v opačném směru 5, 6. Cívka 2. Cívka 1. 1 2 3 4 5 6 14. Demonstrace tvaru elektromagnetického pole v okolí proudovodičů 2. Cívka 1. Cívka 2. V 1 2 3 4 5 6 Zapojte ke zdroji stejnosměrného napětí přes spínač cívky 1 a 2 tak, aby vytvářely pole ve směru proti sobě. Posypte desky práškem z magneticky měkkého feritu nebo železných pilin a sepněte na krátký okamžik spínač za stálého poklepávání desky, aby se piliny mohly uspořádat do tvaru indukčních čar. Totéž proveďte s cívkami zapojenými tak, aby vytvářeli magnetické pole ve stejném směru. Tvar indukčních čar magnetického pole jednoho vodiče 1 a 4, dvojice proudovodičů se stejným směrem proudu 2, 3 a dvou proudovodičů s opačným směrem proudu zobrazíme stejným způsobem jako pole cívek. A Příčka, kvádřík z uhlíkaté oceli C jádro z transformátorové oceli Propojovací vodiče od cívky s indukčností nepřipojovat a ani neodpojovat od zdroje pod napětím. Stáhnout proud Nastavit proud Sepnout spínač Rozpojit spínač 15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 1. První odtržení A A Napájení cívky odpojeno 15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 2. Druhé odtržení A A Napájení cívky odpojeno 15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 3. Zjednodušení problému Příčka, kvádřík z uhlíkaté oceli C jádro z transformátorové oceli jádro z transformátorové oceli - předpoklad: dokonale magneticky měkké Jádro ve tvaru toroidu vysvětlení 15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 4. Čárový popisek 4: Integrační cesta Integrační cesta A A Integrační cesta Oddálení příčky Integrační cesta Integrační cesta Integrační cesta Integrační cesta cesta 15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 5. Jádro z magneticky měkké oceli 0 Chromová ocel (98Fe, 0.9Cr, 0.6 C, 0.4Mn) Integrační cesta 15. Demonstrace zmagnetování magneticky tvrdé oceli 6. 16. Hysterezní křivka feromagnetika 1. Mr remanentní magnetizace M (Am-1) H Hc koercitivní pole Hsat Msat Br remanentní magnetizace B (T) H Hc koercitivní pole Hsat 0 Transformátorová ocel plech m120-27S, magnetizace ve směru vinutí role Magneticky měkký materiál (velmi malé koercitivní pole) 16. Hysterezní křivka feromagnetika 2. Příklad hysterezní křivky 0 Chromová ocel (98Fe, 0.9Cr, 0.6 C, 0.4Mn) Magneticky tvrdší materiál (středně velké koercitivní pole) Příklad hysterezní křivky 16. Hysterezní křivka feromagnetika 3. Převzato z: Witold Mazgaj; Zbigniew Szular; Michał Sierżęg Approximation of Hysteresis Loops of Transformer Steel Sheets 2018 International Symposium on Electrical Machines (SME) DOI: 10.1109/SME43824.2018 10-13 June 2018 Fe Ni Co magnet Termočlánkový teploměr 17. Demonstrace a přibližné určení Curieovy teploty vzorků Fe a Ni, 1. Termočlánkový teploměr magnet Currieová teplota Teplota vzorku Vzorek Fe, Ni ohřejeme nad Curieovu teplotu, přiblížíme magnet a odečteme teplotu v okamžiku přitažení vzorku k magnetu. Curieova teplota Co je běžným plynovým kahanem nedosažitelná. 17. Demonstrace a přibližné určení Curieovy teploty vzorků Fe a Ni, 2. Curieova teplota vybraných prvků 17. Demonstrace a přibližné určení Curieovy teploty vzorků Fe a Ni, 3.