Ассортимент резисторов (номер в каталоге Radio Shack 271-312 – ассортимент из 500 штук)
Выпрямительный диод (1N4001 или эквивалент; номер в каталоге Radio Shack 276-1101)
Фотоэлемент на основе сульфида кадмия (номер в каталоге Radio Shack 276-1657)
Беспаечная макетная плата (номер в каталоге Radio Shack 276-174 или аналог)
Перемычки (зажимы типа «крокодил»)
Бумага
Карандаш
Стакан воды
Столовая соль
Этот эксперимент описывает, как измерить электрическое сопротивление различных объектов.
Вам не нужно обладать всеми предметами, перечисленными выше, чтобы эффективно изучить сопротивление.
И напротив, вам не обязательно ограничивать свои эксперименты только этими элементами.
Однако ни в коем случае не измеряйте сопротивление какого-либо «электрически живого» объекта или цепи.
Другими словами, не пытайтесь измерить сопротивление батареи или любого другого источника значительного напряжения с помощью мультиметра, настроенного на функцию измерения сопротивления («Ом»).
Несоблюдение этого предупреждения может привести к повреждению счётчика и даже травмам.
Определение и понимание «электрической непрерывности»
Определение и понимание «электрически общих точек»
Измерение сопротивления
Характеристики сопротивления
Выбор правильного диапазона измерения
Относительная проводимость различных компонентов и материалов
Иллюстрации
Рис. 1. Некоторые компоненты, сопротивление которых будем измерять.
Ход эксперимента
Сопротивление — это мера электрического «трения» при движении зарядов по проводнику.
Измеряется в единицах «Ом», в англоязычных странах принято обозначать заглавной греческой буквой «омега» («Ω»).
Установите мультиметр на самый высокий доступный диапазон сопротивления. Функция сопротивления обычно обозначается символом единицы сопротивления: греческой буквой «омега» («Ω») или иногда словом «Ом».
Соедините два измерительных щупа вашего измерителя вместе. Когда вы это сделаете, измеритель должен зарегистрировать нулевое сопротивление (0 Ом).
Если вы используете аналоговый измеритель, вы заметите, что стрелка отклоняется на полную шкалу, когда щупы соприкасаются друг с другом, и возвращается в исходное положение, когда щупы находятся на расстоянии друг от друга.
Шкала сопротивления на аналоговом мультиметре «обратна» по сравнению с другими шкалами: нулевое сопротивление указано в крайней правой части шкалы, а бесконечное сопротивление указано в крайней левой части.
На аналоговом мультиметре также должна быть небольшая регулировочная ручка или «колесо» для его калибровки на «нулевое» сопротивление в омах.
Соедините измерительные щупы и перемещайте эту регулировку до тех пор, пока стрелка точно не укажет на ноль на правом конце шкалы.
Несмотря на то, что ваш мультиметр способен выдавать количественные значения измеренного сопротивления, он также полезен для качественных тестов непрерывности: позволяет выяснить, есть ли постоянное электрическое соединение между двумя точками.
Вы можете, например, проверить непрерывность отрезка провода, подключив щупы измерителя к противоположным концам провода и проверив, перемещается ли стрелка на полную шкалу.
Что бы мы сказали об отрезке провода, если бы стрелка омметра вообще не двигалась при соединении щупов с противоположными концами?
Как измерить сопротивление
Цифровые мультиметры, установленные в режим «сопротивление», указывают на нарушение непрерывности, выводя на дисплей некоторую нечисловую индикацию.
На некоторых моделях написано «OL» (разомкнутый контур), а на других появятся пунктирные линии.
Используйте свой измеритель, чтобы определить непрерывность между отверстиями на макетной плате: устройство, используемое для временного построения цепей, где клеммы компонентов вставляются в отверстия на пластиковой сетке, металлические пружинные зажимы под каждым отверстием соединяют одни отверстия с другими.
Используйте небольшие кусочки сплошного медного провода 22-го калибра AWG, вставленные в отверстия на макетной плате, чтобы подключить измеритель к этим пружинным зажимам, дабы вы могли проверить непрерывность:
Рис. 2. Электрически общие точки → Некоторое сопротивление → НепрерывностьРис. 3. Электрически НЕ-общие точки → Бесконечное сопротивление → Непрерывность отсутствует
Непрерывность и общность
Важным понятием в электричестве, тесно связанным с электрической непрерывностью, является понятие точек, электрически общих друг с другом.
Электрически общие точки – это точки контакта на устройстве или в цепи, имеющие между собой пренебрежимо малое (крайне малое) сопротивление.
Тогда мы могли бы сказать, что точки внутри колонки на макетной плате (вертикальные на иллюстрациях) электрически общие друг с другом, потому что между ними существует электрическая непрерывность.
И наоборот, точки макета внутри ряда (горизонтальные на иллюстрациях) не являются электрически общими, поскольку между ними нет непрерывности.
Непрерывность описывает то, что находится между точками соприкосновения, а общность описывает, как сами точки связаны друг с другом.
Подобно непрерывности, общность является качественной оценкой, основанной на относительном сравнении сопротивления между другими точками цепи.
Это важная концепция, которую следует усвоить, поскольку существуют определённые факты (касающиеся напряжения в отношении электрически общих точек, которые важны при анализе цепей; поиске и устранении неисправностей) первый из которых заключается в том, что никогда не будет существенного падения напряжения между электрически общими точками.
Как измерить сопротивление резистора?
Выберите резистор на 10 000 Ом (10 кОм) из ассортимента запчастей.
Это значение сопротивления обозначается на корпусе резистора серией цветных полос: коричневой, чёрной, оранжевой, а затем другим цветом, представляющим точность резистора – золотым (±5%) или серебряным (±10%).
Некоторые резисторы не имеют цвета для точности, что обозначает их как ±20%. Другие резисторы используют пять цветовых полос для обозначения их значения и точности, и в этом случае цвета для резистора 10 кОм будут коричневым, чёрным, снова чёрным, красным и пятым цветом для точности.
Подсоедините щупы измерителя к самому резистору и обратите внимание на его показания на шкале сопротивления:
Рис. 4. Измерение сопротивления непосредственно на резисторе.
Если стрелка указывает очень близко к нулю, вам нужно выбрать более низкий диапазон сопротивления на измерителе, точно так же, как вам нужно было выбрать соответствующий диапазон напряжения при считывании напряжения батареи.
Если вы используете цифровой мультиметр, вы должны увидеть цифру, близкую к 10, отображаемую на дисплее, с небольшим символом «k» с правой стороны, обозначающим метрическую приставку для «кило-» (т.е. речь о тысячах ом).
Некоторые цифровые измерители ранжируются вручную и требуют соответствующего выбора диапазона, как и аналоговые измерители.
Если у вас так, поэкспериментируйте с разными положениями переключателя диапазонов и посмотрите, какое из них даёт наилучшие показания.
Попробуйте поменять местами соединения щупа на резисторе. Это вообще меняет показания счётчика?
Что это говорит нам о сопротивлении резистора? Что произойдёт, если вы прикоснетесь к резистору только одним щупом?
Что это говорит нам о природе сопротивления и о том, как оно измеряется?
Как это соотносится с измерением напряжения, и что произошло, когда мы попытались измерить напряжение батареи, прикоснувшись только одним щупом к батарее?
Когда вы прикасаетесь щупами измерителя к клеммам резистора, старайтесь не прикасаться кончиками обоих щупов к пальцам.
Если вы это сделаете, вы будете измерять параллельную комбинацию резистора и собственного тела, что приведёт к тому, что показания прибора будут ниже, чем должны быть!
При измерении резистора 10 кОм эта ошибка будет минимальной, но она может быть более существенной при измерении резисторов других номиналов.
Вы можете безопасно измерить сопротивление собственного тела, удерживая один наконечник щупа пальцами одной руки, а другой наконечник щупа пальцами другой руки.
Аккуратно: будьте очень осторожны с щупами, так как они зачастую заточены и поэтому весьма остры.
Держите наконечники щупов по всей их длине, а не в самых точках! Возможно, вам придется снова отрегулировать диапазон измерителя после измерения резистора 10 кОм, так как сопротивление вашего тела, как правило, превышает 10 000 Ом.
Попробуйте смочить пальцы водой и повторно измерить своё сопротивление мультиметром.
Как это влияет на индикацию? Попробуйте смочить пальцы солёной водой (в заранее приготовленном стакане) и повторно измерить сопротивление.
Какое влияние это оказывает на сопротивление вашего тела, измеряемое прибором?
Сопротивление – это мера «трения» при протекании электрического заряда через объект.
Чем больше сопротивление между двумя точками, тем труднее зарядам перемещаться (течь) между этими двумя точками.
Учитывая, что поражение электрическим током вызывается большим потоком зарядов, прошедших через тело человека, а повышенное сопротивление тела выступает в качестве защиты, затрудняя прохождение зарядов через нас, что мы можем узнать об электробезопасности из показаний сопротивления, полученных с помощью мокрых пальцев?
Вода увеличивает или уменьшает опасность поражения людей электрическим током?
Измерение сопротивления других материалов
Измерьте сопротивление выпрямительного диода аналоговым измерителем. Попробуйте поменять местами подключения щупа к диоду и повторно измерить сопротивление.
Что кажется вам замечательным в диоде, особенно в отличие от резистора?
Возьмите лист бумаги и нарисуйте на нем очень жирную чёрную отметку грифельным карандашом (не ручкой!).
Измерьте сопротивление на чёрной полосе с помощью своего мультиметра, поместив наконечники щупов на каждый конец метки следующим образом:
Рис. 5. Делаем отметку на бумаге и измеряем сопротивление нарисованной полоски.
Сдвиньте кончики щупов ближе друг к другу на чёрной метке и отметьте изменение значения сопротивления.
Увеличивается или уменьшается он с уменьшением расстояния между щупами?
Если результаты противоречивы, вам нужно перерисовать отметку большим количеством и более толстыми штрихами карандаша, чтобы она была равномерной по своей плотности.
Что это говорит вам о зависимости сопротивления от длины проводящего материала?
Подсоедините измеритель к клеммам фотоэлемента на основе сульфида кадмия (CdS) и измерьте изменение сопротивления, вызванное разницей в освещении.
Как и в случае со светоизлучающим диодом (LED) в эксперименте с вольтметром, вы можете использовать перемычки с зажимами типа «крокодил» для соединения с компонентом, оставив руки свободными, чтобы поднести фотоэлемент к источнику света и/или изменить диапазон измерения в омметре:
Рис. 6. Измерение сопротивление фотоэлемента, поглощающего свет.
Поэкспериментируйте с измерением сопротивления нескольких различных типов материалов, но не пытайтесь измерять что-либо, производящее значительное напряжение, например батарею.
Рекомендуемые материалы для измерения: ткань, пластик, дерево, металл, чистая вода, грязная вода, солёная вода, стекло, бриллиант (на кольце с бриллиантом или другом ювелирном изделии), бумага, резина и масло.
