В търсене на още по-интересни експерименти за третото лабораторно упражнение по СКЕ... (In search of even more interesting experiments for the third lab exercise in SCE...)

Утре ми предстои да проведа едно от най-интересните лабораторни упражнения по СКЕ - У3: Електрически схеми с резистори. Това е първото реално упражнение след продължителното онлайн обучение. На него първо набързо ще изследваме на практика нещата, които сме обсъждали в ZOOM, и след това ще продължим напред.

Имам идея как да накарам студентите да правят протоколите си още в лабораторията, а не да ги преписват след това. За целта, ще предлагам, точка по точка, какво да се прави, и заедно ще описваме експериментите - аз на черната дъска, а те на листове хартия или в тетрадка. Така те неусетно ще направят иначе омразния протокол…

И така, въодушевен от идеята да събудя човешката любознателност у моите студенти чрез интересни лабораторни експерименти, аз започнах да сглобявам, стъпка по стъпка, подробен сценарий за третото лабораторно упражнение с идеята да направя един "микс" от експерименти (ще ги означаваме с EXP). Закачих малкото диктофонче на ревера си, излязох на разходка и започнах да мисля на глас… Вечерта пък започнах да прослушвам 50-минутния запис и да го описвам в този пост. Ето какво се получи до момента...

Източник на напрежение

Идеален източник на напрежение

Изследване:

• без товар (на празен ход)

Включете 12 V адаптор в мрежата и захранете шините на платката ("плюсът" горе, "минусът" долу). След това включете към източника мултицет, конфигуриран като волтметър на обхват ..… Внимавайте да не сте избрали режим "амперметър", защото ….. и измерете напрежението на "празен ход" на източника EXP. Какво представлява волтметърът, "гледан" от страната на източника? Можете да използвате гъбата за изтриване на черната дъска, за да илюстрирате убедително обяснението си. Добре, какъв товар се явява волтметърът за източника, когато е идеален/реален?

Можем ли да направим така, че един реален ("лош") волтметър да се държи като "идеален"? Не му е мястото да го обсъждаме тук, но не пречи да помислим… Все пак, тази идея не е нова, а се е родила още през 19-ти век (така нареченият "компенсационен принцип за измерване на напрежение").

• с товар

Оставете включен волтметъра и включвайте различни резистори и консуматори като товари:

• два резистора по 1 к последователно (малък товар) EXP
• резистор 1 к (двойно по-голям товар) EXP
• 1 к || 1 к (четворно по-голям товар) EXP
• пробна лампа (голям товар, измерете съпротивлението й с омметър) EXP
• автомобилна лампа 12 V/5 W за габарити (много голям товар) EXP
• лампа за 220 V EXP. Голям товар ли е? Голям е по размер, но дали е голям като консуматор?)
• автомобилна лампа 12 V/21 W за мигачи EXP (изключително голям товар)

За всеки от товарите начертавайте схемичка и записвайте измереното напрежение.

Какво означава малък/голям товар? Малко/голямо съпротивление? Малък/голям ток? Е, добре... голям товар означава, че той има малко съпротивление и поради това консумира голям ток...

Интересно (и полезно) е да отгатнете какво ще бъде напрежението още преди да сте натоварили източника. Какво е обяснението ви? Може би, че "източникът няма вътрешно съпротивление"? Или просто, че източникът има достатъчна мощност?

Интересно е и да измерите съпротивлението на (тока, протичащ през) лампата в студено и нагрято състояние. Колко е токът за всяка от лампите? I = P/V, R = V/I. Надхвърли ли 1 A, защитата изключва...

Също можете да направите и някои измервания на уреди чрез други уреди: 

• с омметър можете да измерите съпротивлението на (лош) амперметър EXP

• с волтметър можете да измерите напрежението на омметър EXP (има вътрешен източник) или пада на напрежение върху (лош) амперметър EXP...

Мдааа... доста интересни експерименти стават... Тази идея може да бъде доразвита...

А ето и някои още по-виртуозни (sophisticated, както казват англичаните) експерименти:

Интересно е да видим с какви елементи още можем да натоварване един "идеален" източник на напрежение. Например, може ли един друг източник на напрежение да бъде товар на нашия източник на напрежение EXP? Какъв товарен ток ще протече? Да разгледаме три случая - 0 V, 6 V и 12 V напрежение на "източника-товар". Ето, например, един регулируем източник на напрежение 0 ÷ 30 V. Още по-просто е да включим тази доста "яка" 1,2 V Ni Cd rechargeable battery към 12 V адаптора и да видим дали ще изключи защитата му EXP.

Или пък, може ли един друг източник на ток да бъде товар на нашия източник на напрежение EXP? Ето един регулируем източник на ток 0 ÷ 1 A. Забележете, че тези захранвания си имат вградени измервателни уреди, които измерват напрежението и тока; това опростява работата ни.

Така, че можем да свържем два такива източника един към друг - единият ще задава напрежението, а другият - тока. Но нека първо да проверим дали някой от изводите не е свързан към корпуса, че да не стане някоя беля. Защо? Също, дали можем да включваме източниците както еднопосочно (+  -, +  -) или противопосочно (+  -, -  +)? Въпросът е дали тези източници позволяват протичане на ток в обратна посока през тях. Мдааа... може би това зависи от изходното им стъпало (дали е единично или комплементарно). Най-добре първо да пробваме с една батерийка, като я свързваме еднопосочно или противопосочно на източника...

Но защо са толкова големи и тежки тези регулируеми стабилизирани захранвания, а адапторите са леки като перушинка? Формално отговорът е, че едните са аналогови, а другите - импулсни... но все пак, защо?

Реален източник на напрежение

Сглобяване от "идеален" източник и резистор

Сега искаме да изследваме "лош" източник на напрежение... но нямаме такъв. Тогава? Правим го като "влошаваме" един "идеален" източник на напрежение. Как по-точно? Следваме дефиницията от учебниците по електротехника и включваме един резистор (нека да е пак 1 k) последователно. Той "създава" напрежителен пад V = I.R, който зависи линейно от тока. Този пад се вади от напрежението на "идеалния" източник и го намалява. Така напрежението на реалния източник спада, когато включим товар.

Можем да кажем, че резисторът играе ролята на преобразувател "ток -> напрежение", познат ни от лекциите. Той всъщност не преобразува, а задава връзката между тока и напрежението.

Монтиране върху платката

Опитайте се да разполагате елементите на по-голяма площ, по същия начин като схемата на черната дъска. Резисторът, имитиращ вътрешното съпротивкение, може да включите между двете части на захранващата шина + 12 V.

Изследване:

• без товар (на празен ход), случай 1 на черната дъска по-долу EXP

Интересно е да отгатнете какво ще бъде напрежението преди да сте го измерили - 0 V, 6 V или 12 V? 12 V, нали? Интересно защо...

Изводът е, че един "лош" източник на напрежение е много "добър", ако не го товарим... точно, както в живота, някои хора са добри, докато не ги натоварим с нещо...

• с товар

Използвайте същите товари като по-горе и сравнете получените резултати EXP. Сега виждаме, че този реален източник се влияе от товара, докато на идеалния "не му пукаше" от товара:)

Делител на напрежение

Не можем ли обаче да използваме това вредно явление за нещо полезно? Има такъв изобретателски принцип - обръщане на вредата в полза. Или пък такава пословица - ако съдбата ти поднесе лимон, направи си лимонада. Нека тогава да се възползваме от тази мъдрост.

"Изобретяване"

И така, задачата ни е да понижим едно напрежение... да получим по-ниско напрежение от съществуващото. За целта, решаваме да изхвърлим (отстраним, премахнем, извадим) част от напрежението. За целта, натоварваме един "лош" източник на напрежение с вътрешно съпротивление R1 с (линеен) резистор R2. В резултат, напрежението му спада пропорционално на тока.

А ако резисторът е нелинеен? Например, представете си, че това е един диод, който поддържа постоянно напрежението върху изводите си. Тогава ще получим стабилизатор на напрежение.

Изследване без товар (на празен ход)

• Товар с изкуствено увеличено (дори до безкрайност) съпротивление. Идеята на Милър EXP.
  

..........................

Понятие за "маса" като точка с относителен потенциал

• O V. Отрицателният полюс на източника е маса. Измерваме напрежения 6 V и 12 V EXP.
• +12 V. Положителният полюс на източника е маса. Измерваме напрежения -6 V и -12 V EXP.
• +6 V. Плъзгачът на потенциометъра (в средата) е маса. Измерваме напрежения +6 V и -6 V EXP.

Изследване с товар

• Товар с изкуствено намалено (дори до нула) съпротивление EXP. Идеята на Милър.

.........................

Източник на ток

Изследване на "празен ход" (отворена верига) EXP.

Изследване "без товар" (късо съединение) EXP.

• Товар с изкуствено намалено (дори до нула) съпротивление. Идеята на Милър EXP.

Изследване "с товар" (резистор)

Резистивен суматор

.......................

Мост на Уитстон

.....................................