7.16. Hőfejlődés vizsgálata áramjárta vezetőkön

A kísérlet célja 

Az I áramerősségű árammal átjárt R ellenállású vezetőn t idő alatt fejlődő Q Joule-hő kiszámítására megismert

összefüggés demonstrálása.

Szükséges anyagok, eszközök

• tápegység (váltakozó feszültségű, 24 V-os)
• tolóellenállás, 13 Ω-os
• demonstrációs V/A mérő, középállású
• drótközpont, 4 db
• banándugóval ellátott vezetékek
• Kanthal-huzalok, 2 db (15-15 cm hosszúságú, 40 Ω/m, illetve 80 Ω/m ellenállású)
• Huzal-lánc (40 Ω/m, illetve 80 Ω/m ellenállású Kanthal-huzalokból csomózott 15 cm hosszúságú lánc)

a) Sorba kapcsolt ellenállások esetén

Leírás

Szereljük össze az ábrán látható összeállítást. Vegyünk két egyenlő hosszúságú, de különböző ellenállású huzaldarabot és erősítsük ezeket két-két drótközpont közé az ábrán látható módon. Kapcsoljuk az így előkészített huzalokat sorba, és árammérő műszeren (melynek méréshatárát 5 A-re állítottunk), tolóellenálláson át kapcsoljunk rá 24 V váltakozó feszültséget. Bekapcsoláskor a tolóellenállás a maximális értéken legyen!

Csökkentsük a tolóellenállás ellenállásának értékét! Egy meghatározott áramerősséget túllépve (esetünkben kb. 1A) a nagyobb ellenállású huzal izzik, a másik nem.

b) Párhuzamosan kapcsolt ellenállások esetén

Leírás

Rendezzük át az összeállítást az ábra szerint. (Előtte húzzuk a tolóellenállást a maximális értékre, és kapcsoljuk ki a tápegységet!) Most a két huzal párhuzamosan van kötve. Kapcsoljuk be a tápegységet, csökkentsük a tolóellenállás ellenállásának értékét. Kb. 3 A áramerősséget meghaladva a kisebb ellenállású huzal izzását láthatjuk.

Kísérlethez kapcsolódó kérdések

• Magyarázzuk meg a kísérletek eredményét és ismertessük a soros és párhuzamos kapcsolás esetén létrejövő hőképződések matematikai hátterét!

c) A hőfejlődés különböző vezetőkből készült láncon

Leírás és feladat

Látványos kísérlet állítható össze sorosan kapcsolt ellenállás-huzalokkal, ha kétféle huzalból hosszabb „láncot” készítünk oly módon, hogy 6-8 darabot egymás után csomózunk felváltva.

Rendezzük át az a) pont összeállítását a fénykép szerint, melyben az a különbség, hogy most csak 2 drótközpontra van szükség, és a drótközpontokba most a láncot fogjuk be. (Előtte húzzuk a tolóellenállást a maximális értékre, és kapcsoljuk ki a tápegységet!) Kapcsoljuk be a tápegységet, csökkentsük a tolóellenállás ellenállásának értékét, míg néhány láncszem izzani nem kezd!

d) A hőfejlődés és a vezető alakja közötti összefüggés bemutatása

Leírás és feladat

Rendezzük át az a) pont összeállítását a fénykép szerint. (Előtte húzzuk a tolóellenállást a maximális értékre, és kapcsoljuk ki a tápegységet!)

Csavarjuk az ellenálláshuzalt egymást követő egyenes- és spirál alakra és fogjuk be drótközpontok közé. Kapcsoljuk az így kialakított huzalra a feszültséget és változtassuk a tolóellenállás ellenállását. Megfelelő áramerősségnél a spirál szakaszok izzásba jönnek, de az egyenes szakaszok nem. Ez a kísérlet látszólag ellentmond az előző kísérleteknek, hiszen a kanthal-huzal fajlagos ellenállása azonos a tekercselt és egyenes részeken. Magyarázzuk meg a jelenséget!

Módszertani kiegészítések

• Az egyenes-spirál huzal házilag is elkészíthető. Célszerű adatok: 30 cm hosszúságú, 40 ohm/méter értékű kanthal-huzal, 10-10 szoros menetben egy-egy gyufaszáldarabra csavarva. A kísérlet bemutatása előtt az áramerősséget növelve égessük ki a gyufaszál darabokat. Így egyenletesen tekercselt spirálszakaszokat kapunk.