Дослідження електричних кіл із нелінійними елементами

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментального пристрою

Електричні кола можуть містити елементи, параметри яких залежать від прикладеної напруги U. Зі зміною прикладеної напруги може змінюватися струм, який проходить крізь елементи за складним законом, не підпорядкованим лінійній функції. Такі елементи називаються нелінійними. До них належать напівпровідникові діоди, транзистори тощо.

Основною характеристикою нелінійних елементів, за якою роблять висновок про їхні електричні властивості, є залежність струму від напруги. Її називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ). Оскільки теоретично розрахувати залежність не можна, цю характеристику визначають експериментально.

У завданнях роботи зазначено, що потрібно провести експерименти з елементами електричних кіл, що мають нелінійну вольт-амперну характеристику, і побудувати графік залежності струму, який проходить крізь них, від прикладеної напруги. Виконати це завдання можна, увімкнувши елемент у коло, в якому буде плавно змінюватися прикладена напруга (автоматично або в ручному режимі). Або це можна забезпечити, використовуючи особливий модуль, приєднаний до ЦВК, – функціональний генератор. Функція цього приладу полягає в тому, щоб плавно із заданим періодом покроково збільшувати прикладену до елемента напругу. Базовий модуль ЦВК фіксує значення прикладеної напруги і струм, що проходить крізь елемент.

Хід роботи

Частина 1. Отримання даних 

1. Приєднайте до ЦВК модуль функціонального генератора та живлення до нього.
2. Складіть електричне коло за схематичним зображенням.

3. Як перший елемент приєднайте напівпровідниковий діод.
4. Запустіть програму і в якості приладу оберіть Power Graph. Запустіть налаштування. У вікні програми оберіть зображення аналогового входу 2S.
5. У вікні аналогового входу оберіть такі налаштування:

6. Оберіть зображення модуля функціонального генератора та введіть такі налаштування:

7. Оберіть “Ок” і запустіть процес вимірювань. Процес вимірювань відбувається автоматично із кроковим збільшенням напруги і вимірюванням струму. Завершіть процес вимірювань, коли напруга досягне максимального значення, вказаного в рамці “Кінцева напруга”. Передайте виміри на опрацювання.
8. По черзі змініть досліджувані елементи і виконайте попередні дії. Для світлодіода і для лампи розжарення кінцеву напругу доберіть згідно з параметрами цих елементів.
9. Якщо можливості провести експеримент немає, завантажте дані вимірювань з ресурсу.

Аналіз даних

1. Для аналізу отриманих даних у наведеному експерименті використовується програма Phywe measure 4 версія 6.13 (https://repository.curriculab.net/files/software/setupm_version_4613.exe). Файл даних має бути отриманий або відкритий у цій програмі.
2. На екрані збережено вікна графіків, що відповідають усім дослідам.
3. Оберіть вікно, що відповідає напівпровідниковому діоду. У графічному вікні розташовані два графіки струму і напруги.

Рис. 2. Зовнішній вигляд екрану з графіками напруги і струму

4. Оберіть один із каналів, перемикаючись кнопками у верхній частині меню . Оберіть інструмент “Згладжування”    і доберіть середній рівень згладжування. Виконайте дію згладжування для іншого графіка.
5. Оберіть у верхньому меню “Вимірювання” – “Управління каналами”. 
6. У вікні, що з’явиться, за допомогою кнопок керування встановіть відповідність осей. 
7. Отримайте остаточний вигляд графіка залежності струму від напруги і збережіть результат.
8. Повторіть усі дії аналізу для решти дослідів.
9. Проаналізуйте отримані графіки та сформулюйте висновок до роботи.