Электроника:Эксперименты/Основные концепции и испытательное оборудование/Рассеяние мощности

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Рассеяние мощности

Оборудование и материалы

• Калькулятор (или карандаш и бумага для выполнения арифметических действий)
• 6-вольтовая батарея
• Два резистора ¼ Вт: 10 Ом и 330 Ом.
• Маленький термометр

Значения резисторов не обязательно должны быть точными, но в пределах пяти процентов от указанных цифр (±0,5 Ом для резистора 10 Ом; ±16,5 Ом для резистора 330 Ом).

Цветовые коды для резисторов 10 Ом и 330 Ом с допуском 5% следующие: 10 Ом ±5% – коричневый, черный, золотой и оранжевый; 330 Ом ±5% – оранжевый, коричневый, золотой.

Не используйте для этого эксперимента батареи любого другого номинала, кроме 6 вольт.

Термометр должен быть как можно меньше, чтобы облегчить быстрое обнаружение тепла, выделяемого резистором.

Я рекомендую медицинский термометр, используемый для измерения температуры тела.

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 1 «Постоянный ток», глава 2: «Закон Ома»

Цели эксперимента

• Использование вольтметра
• Использование амперметра
• Использование омметра
• Использование закона Джоуля
• Важность номинальной мощности компонентов
• Значение электрически общих точек

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: источник питания и резистор.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: источник питания и резистор (+ термометр для измерения выделяемого резистором тепла).

Ход эксперимента

Измерьте сопротивление каждого резистора с помощью омметра, отметив точные значения на листе бумаги для дальнейшего использования.

Подсоедините резистор 330 Ом к 6-вольтовой батарее с помощью пары перемычек, как показано на рисунке 2 выше.

Подсоедините перемычки к клеммам резистора перед подключением других концов к аккумулятору.

Это гарантирует, что ваши пальцы не касаются резистора при подаче питания от батареи.

Вам может быть интересно, почему я советую не прикасаться к питаемому резистору. Это связано с тем, что при питании от аккумулятора он нагревается.

Вы будете использовать термометр для измерения температуры каждого резистора при включении питания.

С резистором 330 Ом, подключённым к аккумулятору, измерьте напряжение с помощью вольтметра.

При измерении напряжения существует несколько способов получить правильные показания.

Напряжение можно измерять непосредственно на батарее или непосредственно на резисторе.

Напряжение батареи совпадает с напряжением резистора в этой цепи, поскольку эти два компонента имеют один и тот же набор электрически общих точек: одна сторона резистора напрямую подключена к одной стороне батареи, а другая сторона резистора напрямую подключена с другой стороны.

Рис. 3. Электрически общие точки в цепи.

Все точки контакта вдоль верхнего провода на иллюстрации (обозначены красным) электрически общие друг с другом.

Все точки контакта вдоль нижнего провода (окрашенного черным) также электрически общие друг с другом.

Напряжение, измеренное между любой точкой верхнего провода и любой точкой нижнего провода, должно быть одинаковым.

Однако напряжение, измеренное между любыми двумя электрически общими точками, должно быть равно нулю.

С помощью амперметра измерьте ток в цепи. Опять же, не существует единственного «правильного» способа измерения тока, если амперметр находится на пути прохождения электронов через резистор, а не через источник напряжения.

Для этого сделайте разрыв в цепи и поместите амперметр в этот разрыв: подключите два измерительных щупа к двум концам провода или клеммы, оставшимся открытыми после разрыва. Один из возможных вариантов показан на следующем рисунке:

Рис. 4. Подключение амперметра для измерения силы тока в цепи.

Теперь, когда вы измерили и записали сопротивление резистора, напряжение в цепи и силу тока в цепи, всё готово для расчёта рассеиваемой мощности.

В то время как напряжение является мерой электрического «толкателя», побуждающего электроны двигаться по цепи, а ток – мерой скорости потока электронов, мощность – это мера скорости работы: насколько быстро выполняются электрические процессы в цепи.

Требуется определённая работа, чтобы протолкнуть электроны через сопротивление, а мощность – это описание того, насколько быстро выполняется эта работа.

В математических уравнениях мощность обозначается латинской буквой «P» и измеряется в ваттах (Вт).

Мощность можно рассчитать с помощью любого из трёх уравнений, которые в совокупности называются законом Джоуля, для любых двух из трёх величин (напряжение, сила тока и сопротивление):

Рис. 5. Закон Джоуля.

Попробуйте рассчитать мощность в этой цепи, используя три измеренных значения напряжения, силы тока и сопротивления.

Как бы вы ни рассчитывали, показатель рассеиваемой мощности должен быть примерно одинаковым.

Предполагая, что у нас батарея на 6 вольт и резистор ровно 330 Ом, рассеиваемая мощность составит 0,1090909 ватт или 109,0909 милливатт (мВт), если использовать метрическую приставку.

Поскольку резистор имеет номинальную мощность ¼ Вт (0,25 Вт или 250 мВт), он более чем способен выдерживать такой уровень рассеяния мощности.

Поскольку фактический уровень мощности составляет почти половину номинальной мощности, резистор должен заметно нагреться, но не перегреваться.

Прикоснитесь концом термометра к середине резистора и посмотрите, насколько он нагреется.

Номинальная мощность любого электрического компонента говорит нам не о том, сколько энергии он будет рассеивать, а просто о том, сколько энергии он может рассеять, не получив повреждений.

Если фактическое количество рассеиваемой мощности превышает номинальную мощность компонента, этот компонент повысит температуру до точки повреждения.

Для иллюстрации вышесказанного отключите резистор 330 Ом и замените его резистором 10 Ом. Опять же, не прикасайтесь к резистору, когда цепь замкнута, так как он быстро нагревается и можно получить ожог.

Самый безопасный способ сделать это – отсоединить одну перемычку от клеммы аккумулятора, затем отсоединить резистор 330 Ом от двух зажимов типа «крокодил», затем подключить резистор 10 Ом между двумя зажимами и, наконец, снова подключить перемычку обратно к клемме аккумулятора.

Осторожно: держите резистор 10 Ом подальше от легковоспламеняющихся материалов, когда он питается от батареи!

У вас может не хватить времени для измерения напряжения и тока до того, как резистор начнёт дымить.

При первых признаках задымления отсоедините одну из перемычек от клеммы аккумулятора, чтобы отключить ток в цепи, и дайте резистору несколько минут остыть.

При отключённом питании измерьте сопротивление резистора с помощью омметра и отметьте любое существенное отклонение от его первоначального значения.

Если сопротивление резистора по-прежнему находится в пределах ±5% от заявленного значения (между 9,5 и 10,5 Ом), снова подключите перемычку и разрешите ему ещё немного подымиться.

Какую тенденцию вы замечаете со значением резистора, поскольку он всё больше и больше повреждается при перегрузке?

Обычно резисторы выходят из строя с сопротивлением выше нормального при перегреве.

Часто такое самозащитное поведение является отказоустойчивым режимом, поскольку повышенное сопротивление приводит к меньшей силе тока и (как правило) меньшему рассеиванию мощности, вновь охлаждая его. Однако нормальное значение сопротивления резистора не вернётся, если он был существенно повреждён.

Снова выполнив некоторые расчеты по закону Джоуля для мощности резистора, мы обнаруживаем, что резистор 10 Ом, подключённый к 6-вольтовой батарее, рассеивает около 3,6 Вт мощности, что примерно в 14,4 раза больше его номинальной рассеиваемой мощности. Неудивительно, что он так быстро начинает дымить после подключения к аккумулятору!