Charakteristiky elektromotoru
Úkol: Změřte voltampérové charakteristiky elektromotoru v různých režimech provozu.
Vybavení: elektromotor, dřevěný kolíček na prádlo, potenciometr, zdroj napětí, spojovací vodiče, dva multimetry, kleště.
Elektromotor se na rozdíl od běžných spotřebičů (žárovka, rezistor, svítivá dioda) chová nezvykle – ze zdroje odebírá proud podle toho, jak moc je zatížený (tj. jak velký výkon po něm požadujeme). Pokud se může volně točit, počíná si jinak, než pokud musí roztáčet složité soukolí.
Vaším úkolem v této laboratorní práci bude změřit závislosti proudu na napětí elektromotoru v různých provozních režimech: motor naprázdno, motor se zablokovanou hřídelí, motor se zátěží.
Zdroj
Zdroj
Postup měření:
- Zapojte obvod podle schématu.
- Změřte charakteristiku motoru bez zátěže. Napětí na motoru zvyšujte potenciometrem postupně od nuly po maximum, zapisujte hodnoty napětí a proudu.
- Pokud máte k dispozici vhodný motorek a vybavení, změřte i frekvenci otáček motorku v závislosti na napětí.
- Proveďte stejné měření, ale osku motoru držte v kleštích, aby se nemohla otáčet. Pozor! Během měření pouštějte proud do motoru jen po nejkratší nutnou dobu! Může dojít k jeho přehřátí a spálení!
- Zátěž motoru modelujte tak, že jeho osku chytnete do kolíčku na prádlo. Při provozu musí motor překonávat tření kolíčku. Napodobíte tak situaci, při níž by motor poháněl nějaký spotřebič. Opět změřte charakteristiku motoru.
- Ze všech tří měření vytvořte grafy závislosti proudu tekoucího elektromotorem na napětí.
Otázky:
- Každý spotřebič má charakteristický tvar grafu závislosti proudu na napětí. Jakému spotřebiči se podobá charakteristika zablokovaného motoru?
- Zkuste najít příčinu toho, že nezatíženým motorem teče velmi malý proud.
- Pokud jste pořádně proměřili charakteristiky i pro malá napětí, je v grafu motoru běžícího naprázdno viditelné zalomení průběhu charakteristiky. Co se v tom okamžiku stalo?
- Odhadněte, jak by se změnila třetí charakteristika, kdyby se zátěž motoru zmenšila nebo zvětšila.
- Proč je nebezpečné, když se elektromotor při práci zasekne?
- Pokud jste měřili i otáčky motorku, jak závisí jejich frekvence na napětí?
Poznámky pro učitele
Pro měření je možné použít libovolný elektromotor vymontovaný ze staré hračky nebo bateriového spotřebiče. Při měření je nutné hlídat rozsah ampérmetru – při zablokování motoru může dojít k nárůstu proudu o více než desetinásobek!
Vzorová data:
| U (V) | 0,08 | 0,12 | 0,29 | 0,65 | 1,25 | 2 | 3,05 | 4,02 | 5,29 | 6,23 | 7,25 | 7,8 | 9,02 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I (mA) | 8,2 | 12,1 | 17 | 17,4 | 18 | 18,8 | 20 | 21 | 22,7 | 23,7 | 25,5 | 26,9 | 30 |
| U (V) | 0,6 | 0,9 | 1,4 | 1,86 | 2,4 | 2,9 | 3,66 | 4,5 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I (mA) | 57 | 86 | 133 | 175 | 220 | 270 | 340 | 420 | 470 |
| U (V) | 0,15 | 0,46 | 0,75 | 1,34 | 1,72 | 2,2 | 2,75 | 3,64 | 4,4 | 5,09 | 6,23 | 7,61 | 8,9 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I (mA) | 14,2 | 43,6 | 60 | 70,4 | 74,7 | 76,8 | 79,8 | 81 | 82 | 80 | 80 | 82,4 | 84,1 |
A totéž v grafu:
Zdroj
Měření otáček motorku:
Je potřeba použít motorek s tyčkou, která je drátem uchycena ke hřídeli (viz obrázek).
Zdroj
Zdroj
Použijte libovolný software pro nahrávání zvuku (zde je použit freeware Audacity). K roztočenému motorku přiložte proužek papíru – nárazy tyčky nahrajte.
Zdroj
Ze záznamu určete čas jedné otáčky motoru (je lepší jich změřit 10 a dobu jedné otáčky dopočítat) a z ní frekvenci otáček.
Vzorová data:
| U (V) | 1,5 | 2,9 | 4,5 | 6,1 | 7,5 | 9 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| I (mA) | 19 | 21 | 27 | 33 | 41 | 52 |
| f (Hz) | 9,8 | 21,8 | 34,4 | 46,7 | 57,5 | 69,0 |
Měření střídavého proudu
Úkol: Změřte časové průběhy usměrněného napětí.
Vybavení: zdroj střídavého napětí, jednocestný a dvoucestný usměrňovač, senzor napětí a proudu (Vernier nebo Pasco), žárovka, kondenzátor v řádu milifaradů.
Chceme-li experimentálně studovat obvody se střídavým proudem, potřebujeme k tomu měřicí přístroj, který zaznamenává napětí a proud s dostatečnou frekvencí. Pro frekvenci 50 Hz, se kterou zde budeme pracovat, je nutná vzorkovací frekvence alespoň 1 000 Hz. Můžeme použít buď osciloskop, nebo senzor, který lze připojit k počítači.
Vašim úkolem bude proměřit a porovnat časové průběhy střídavého napětí a průběhy napětí usměrněných.
Zdroj
Postup měření:
- Změřte časový průběh napětí střídavého zdroje. Použijte režim „osciloskop“, který umožňuje překreslovat data v reálném čase. Určete všechny důležité parametry střídavého napětí. Vypočítejte také efektivní napětí zdroje.
- Změřte napětí zdroje také pomocí multimetru (je nutné přepnout do režimu AC). Získaná data porovnejte s hodnotami z předchozího úkolu.
- Ke zdroji připojte jednocestný usměrňovač a na jeho výstup žárovku. Změřte průběh napětí na žárovce.
- Totéž proveďte pro dvoucestný usměrňovač.
- Připojte na výstup usměrňovače kondenzátor. Pozor! U kondenzátoru záleží na polaritě a při přepólování hrozí jeho zničení. Kladný pól kondenzátoru je nutné připojit ke kladnému výstupu z usměrňovače a záporný pól k zápornému výstupu. Změřte opět průběh napětí na výstupu. To proveďte jak pro jednocestný, tak pro dvoucestný usměrňovač.
- Zpracujte naměřená data tak, aby bylo možné přehledně porovnat průběh napětí ve všech zapojeních.
Otázky:
- Jaká je nejdůležitější vlastnost usměrňovací diody?
- Jak svítí žárovka při jednocestném a jak při dvoucestném usměrnění? Zdůvodněte rozdíl.
- Jak se změní svit žárovky při připojení kondenzátoru? Zdůvodněte.
- Jak bude vypadat vyhlazení napětí při použití kondenzátoru o větší kapacitě? Pokud máte k dispozici takový kondenzátor, změřte, jestli byl váš odhad správný.
- Proč dochází k poklesu amplitud napětí při použití usměrňovače?
Poznámky pro učitele
V této laboratorní práci jsme zvolili měření napětí, protože to není ovlivněno spotřebičem. Je možné měřit i proud, ale u napětí vycházejí pěknější výsledky.
Usměrňovače můžete mít pro žáky nachystané nebo si je žáci mohou sami sestavovat z jednotlivých diod (například pomocí nepájivého pole).
Grafy ze vzorových měření:
Zdroj
Zdroj
