Verlustleistung

TEILE UND MATERIALIEN

• Taschenrechner (oder Bleistift und Papier zum Rechnen)
• 6-Volt-Batterie
• Zwei 1/4-Watt-Widerstände:10 Ω und 330 Ω.
• Kleines Thermometer

Die Widerstandswerte müssen nicht genau sein, aber innerhalb von fünf Prozent der angegebenen Werte (+/- 0,5 für den 10 Ω Widerstand; +/- 16,5 Ω für den 330 Ω Widerstand).

Farbcodes für 5 % Toleranz 10 Ω und 330 Ω Widerstände sind wie folgt:Braun, Schwarz, Schwarz, Gold (10, +/- 5 %) und Orange, Orange, Braun, Gold (330, +/- 5 %) .

Verwenden Sie für dieses Experiment keine andere Batteriegröße als 6 Volt.

Das Thermometer sollte so klein wie möglich sein, um eine schnelle Erkennung der vom Widerstand erzeugten Wärme zu ermöglichen.

Ich empfehle ein medizinisches Thermometer, das zur Messung der Körpertemperatur verwendet wird.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 1, Kapitel 2:„Ohmsches Gesetz“

LERNZIELE

• Voltmeter verwenden
• Amperemeter verwenden
• Ohmmeter verwenden
• Anwendung des Jouleschen Gesetzes
• Bedeutung der Leistungswerte der Komponenten
• Bedeutung von elektrisch gemeinsamen Punkten

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Messen Sie den Widerstand jedes Widerstands mit Ihrem Ohmmeter und notieren Sie die genauen Werte auf einem Blatt Papier zum späteren Nachschlagen.

Verbinden Sie den 330--Widerstand wie in der Abbildung gezeigt mit einem Paar Überbrückungskabeln mit der 6-Volt-Batterie.

Verbinden Sie die Überbrückungsdrähte mit den Widerstandsklemmen vor Verbinden Sie die anderen Enden mit der Batterie.

Dadurch wird sichergestellt, dass Ihre Finger den Widerstand nicht berühren, wenn Batteriestrom angelegt wird.

Sie fragen sich vielleicht, warum ich keinen Körperkontakt mit dem gespeisten Widerstand empfehle. Dies liegt daran, dass es heiß wird, wenn es mit dem Akku betrieben wird.

Sie werden das Thermometer verwenden, um die Temperatur jedes Widerstands zu messen, wenn er mit Strom versorgt wird.

Messen Sie die Spannung mit einem Voltmeter, während der 330--Widerstand an die Batterie angeschlossen ist.

Bei der Spannungsmessung gibt es mehr als einen Weg, um einen korrekten Messwert zu erhalten.

Die Spannung kann direkt an der Batterie oder direkt am Widerstand gemessen werden.

Die Batteriespannung ist in dieser Schaltung die gleiche wie die Widerstandsspannung, da diese beiden Komponenten die gleichen elektrisch gemeinsamen Punkte haben:eine Seite des Widerstands ist direkt mit einer Seite der Batterie verbunden und die andere Seite des Widerstands ist direkt verbunden auf die andere Seite der Batterie.

Alle Kontaktstellen entlang des oberen Kabels in der Abbildung (rot eingefärbt) sind elektrisch miteinander verbunden.

Alle Kontaktstellen entlang des unteren Kabels (schwarz eingefärbt) sind ebenfalls elektrisch miteinander verbunden.

Die zwischen jedem Punkt des oberen Kabels und jedem Punkt des unteren Kabels gemessene Spannung sollte gleich sein.

Spannung gemessen zwischen zwei beliebigen gemeinsamen Punkten , sollte jedoch null sein.

Messen Sie mit einem Amperemeter den Strom durch den Stromkreis. Auch hier gibt es keine „richtige“ Methode, um Strom zu messen, solange das Amperemeter innerhalb des Strömungswegs platziert ist der Elektronen durch den Widerstand und nicht über eine Spannungsquelle.

Machen Sie dazu eine Unterbrechung im Stromkreis und platzieren Sie das Amperemeter innerhalb dieser Unterbrechung:Schließen Sie die beiden Prüfspitzen an die beiden Draht- oder Klemmenenden an, die von der Unterbrechung offen gelassen wurden. Eine praktikable Option ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Nachdem Sie nun den Widerstandswiderstand, die Stromkreisspannung und den Stromkreis gemessen und aufgezeichnet haben, können Sie die Leistung . berechnen Verlustleistung.

Während die Spannung das Maß für den elektrischen „Push“ ist, der Elektronen dazu bringt, sich durch einen Stromkreis zu bewegen, und der Strom das Maß für die Elektronenflussrate ist, ist die Leistung das Maß für die Arbeitsrate :wie schnell in der Schaltung gearbeitet wird.

Es erfordert eine gewisse Arbeit, Elektronen durch einen Widerstand zu drücken, und Leistung ist eine Beschreibung dafür, wie schnell dass die Arbeit stattfindet.

In mathematischen Gleichungen wird Leistung durch den Buchstaben „P“ symbolisiert und in der Einheit Watt (W) gemessen.

Die Leistung kann durch eine von drei Gleichungen berechnet werden – zusammenfassend als Joulesches Gesetz bezeichnet – bei gegebenen zwei von drei Größen von Spannung, Strom und Widerstand:

Versuchen Sie, die Leistung in dieser Schaltung zu berechnen, indem Sie die drei gemessenen Werte von Spannung, Strom und Widerstand verwenden.

Wie auch immer, die Verlustleistung sollte ungefähr gleich sein.

Angenommen, eine Batterie mit 6.000 Volt und einem Widerstand von genau 330 Ω beträgt die Verlustleistung 0,1090909 Watt oder 109,0909 Milliwatt (mW), um ein metrisches Präfix zu verwenden.

Da der Widerstand eine Nennleistung von 1/4 Watt (0,25 Watt oder 250 mW) hat, kann er diese Verlustleistung mehr als aufrechterhalten.

Da die tatsächliche Leistung fast die Hälfte der Nennleistung beträgt, sollte der Widerstand merklich warm werden, aber nicht über Hitze.

Berühren Sie mit dem Thermometerende die Mitte des Widerstands und sehen Sie, wie warm es wird.

Die Nennleistung einer elektrischen Komponente sagt uns nicht, wie viel Leistung sie wird abführen, aber wie viel Leistung es kann zerstreuen, ohne Schaden zu nehmen.

Wenn die tatsächliche Verlustleistung die Nennleistung einer Komponente überschreitet, erhöht diese Komponente die Temperatur bis zur Beschädigung.

Zur Veranschaulichung trennen Sie den 330--Widerstand und ersetzen ihn durch den 10--Widerstand. Vermeiden Sie auch hier, den Widerstand zu berühren, sobald der Stromkreis abgeschlossen ist, da er sich schnell aufheizt.

Der sicherste Weg, dies zu tun, besteht darin, ein Überbrückungskabel von einer Batterieklemme zu trennen, dann den 330--Widerstand von den beiden Krokodilklemmen zu trennen, dann den 10 Ω-Widerstand zwischen den beiden Klemmen anzuschließen und schließlich das Überbrückungskabel wieder an die Batterie anzuschließen Terminal.

Achtung:Halten Sie den 10--Widerstand von brennbaren Materialien fern, wenn er mit der Batterie betrieben wird!

Möglicherweise haben Sie nicht genug Zeit, um Spannungs- und Strommessungen durchzuführen, bevor der Widerstand zu rauchen beginnt.

Trennen Sie beim ersten Anzeichen von Not eines der Überbrückungskabel von einer Batterieklemme, um den Stromkreis zu unterbrechen, und lassen Sie den Widerstand einige Augenblicke abkühlen.

Messen Sie bei unterbrochener Stromversorgung den Widerstand des Widerstands mit einem Ohmmeter und notieren Sie jede wesentliche Abweichung von seinem ursprünglichen Wert.

Wenn der Widerstand immer noch innerhalb von +/- 5% seines angegebenen Wertes (zwischen 9,5 und 10,5 Ω) misst, schließen Sie das Überbrückungskabel wieder an und lassen Sie es etwas mehr rauchen.

Welchen Trend bemerken Sie beim Widerstandswert, da dieser durch Überlastung immer mehr beschädigt wird?

Es ist typisch für Widerstände, dass sie bei Überhitzung mit einem höheren als dem normalen Widerstand ausfallen.

Dies ist oft eine selbstschützende Fehlerart, da ein erhöhter Widerstand zu weniger Strom und (im Allgemeinen) weniger Verlustleistung führt und ihn wieder herunterkühlt. Der normale Widerstandswert des Widerstands wird jedoch nicht zurückkehren, wenn er ausreichend beschädigt ist.

Wenn wir noch einmal einige Berechnungen des Joule-Gesetzes für die Widerstandsleistung durchführen, stellen wir fest, dass ein 10 Ω-Widerstand, der an eine 6-Volt-Batterie angeschlossen ist, etwa 3,6 Watt Leistung verbraucht, etwa 14,4 mal seine Nennverlustleistung. Kein Wunder, dass es nach dem Anschließen an die Batterie so schnell raucht!

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt Energie, Arbeit und Leistung