232 - Φαινόμενο Joule 2020

232 – Φαινόμενο Joule

Γουρζής Στάθης – Φυσικός ΓΕ Λύκειο Νυδριού Λευκάδος ΥΣΕΦΕ Εργαστηρίου Φυσικών Επιστημών 2019 - 2020

Στο σημερινό πείραμα θα συνδυάσουμε, τα όργανα μέτρησης του εργαστηρίου, με το Multilog και τον προβολέα, για να δείξουμε τη μετατροπή σε θερμότητα,

ενός μέρους της ηλεκτρικής ενέργειας που διαρρέει μια αντίσταση R, με αντίστοιχη αύξηση της θερμοκρασίας T του μεταλλικού αγωγού.

Στο πείραμά μας, θα χρησιμοποιήσουμε μια πηγή συνεχούς ρεύματος I …

… ένα πολύμετρο – Αμπερόμετρο όργανο μέτρησης του εργαστηρίου, για το ρεύμα Ι …

… ένα πολύμετρο – Βολτόμετρο όργανο μέτρησης του εργαστηρίου, για την τάση V …

… και καλώδια σύνδεσης για τα πολύμετρα.

Παράδειγμα σύνδεσης για το πολύμετρο ως μετρητής της αντίστασης R.

Θα χρειαστούμε δύο μεταλλικές βάσεις από το εργαστήριο …

… για να στηρίξουμε το ένα από τα κινητά, που θα χρησιμοποιήσουμε για να φωτογραφίσουμε το πείραμά μας.

Θα συνδέσουμε ακόμα, τo Multilog του εργαστηρίου …

… με τον αισθητήρα της θερμοκρασίας Τ του Multilog …

… τον Ηλεκτρονικό Υπολογιστή του εργαστηρίου, για σύνδεση του Multilog με το αντίστοιχο πρόγραμμα DB – Lab 3.2 …

… και τον προβολέα του εργαστηρίου.

Ξεκινάμε, λοιπόν, το πείραμά μας, εκκινώντας τον ηλεκτρονικό υπολογιστή …

… καθώς και το Multilog …

… συνδέοντας και τον αισθητήρα της θερμοκρασίας T.

Προβάλουμε την εικόνα στον πίνακα του εργαστηρίου …

,,, και ξεκινάμε το πρόγραμμα DB – Lab …

…. που συνδέει το computer με το Multilog.

Πηγαίνουμε στον Πίνακα Ελέγχου του προγράμματος …

… και ορίζουμε την δειγματοληψία του αισθητήρα της θερμοκρασίας, ( εδώ είναι 10/sec), καθώς και το σύνολο των μετρήσεων μας.

Στον πίνακα του εργαστηρίου μπορούμε να προβάλουμε …

… και μια πιο επεξεργασμένη εικόνα της γραφικής παράστασης …

… χρησιμοποιώντας το μενού του προγράμματος « Προβολή », και την επιλογή « Μεγέθυνση ».

Με αυτό τον τρόπο προβάλουμε την εικόνα στον πίνακα του εργαστηρίου, μόνο του τμήματος της γραφικής παράστασης που μας ενδιαφέρει.

Στον πάγκο επίδειξης των πειραμάτων του εργαστηρίου ...

… τοποθετούμε μια αντίσταση R, ( R = 47 Ω ) ...

… και ένα πολύμετρο – Αμπερόμετρο, …

… το οποίο και συνδέουμε με την αντίσταση R, για να μετρήσουμε το ρεύμα Ι που την διαρρέει.

Ξεκινάμε τον προβολέα και τον Η/Υ του εργαστηρίου …

… γιατί θα συνδέσουμε, στην πειραματική μας διάταξη και το Multilog …

… με τον αισθητήρα της θερμοκρασίας T.

Μπορούμε να συνδέσουμε και ένα βολτόμετρο, για την μέτρηση της παρεχόμενης τάσης V από την πηγή συνεχούς I.

Στο πείραμά μας θα χρησιμοποιήσουμε και τον μαγνητικό αναδευτήρα, για να κατανείμουμε ομοιόμορφα την θερμοκρασία που εκλύεται από την αντίσταση R.

Τοποθετούμε ένα ποτήρι ζέσης με νερό, ( m = 0,2 Kg ), …

… και μέσα σε αυτό, την αντίσταση R.

Στερεώνουμε, με μια ξύλινη λαβίδα τον αισθητήρα της θερμοκρασίας Τ, για να μην παρασυρθεί από την ανάδευση του νερού ….

… και ρυθμίζουμε την δειγματοληψία του αισθητήρα ...

… σε 10 δείγματα το δευτερόλεπτο, ( 10/s ), σε σύνολο Ν = 2000 δειγμάτων, πράγμα που σημαίνει συνολικό χρόνο αύξησης της θερμοκρασίας Θ σε t = 200 s.

Ξεκινάμε την λήψη των μετρήσεων, και αμέσως παίρνουμε την γραφική παράσταση της μεταβολής της θερμοκρασίας Τ σε συνάρτηση με τον χρόνο t.

Ανοίγουμε την πηγή του ρεύματος …

… και ρυθμίζουμε την τάση V στα 10, περίπου, Volt, ( V = 10 V).

I

V

Στον πίνακα του εργαστηρίου …

I

V

… παρατηρούμε την μεταβολή της θερμοκρασίας του νερού …

I

V

… αφού, με την πάροδο του χρόνου, …

I

V

… η αντίσταση R, ενόσω διαρρέεται από το ρεύμα Ι …

I

V

… εκλύει θερμότητα στη μάζα του νερού …

I

V

… ανεβάζοντας την θερμοκρασία του θ.

I

V

Ο τύπος που θα μας δώσει την εκλυόμενη θερμότητα είναι Q = m c Δθ ,

I

V

… όταν γνωρίζουμε ότι m = 0,2 Kgr και c = 4200 J / ( Kgr . Grad ).

Αντίστοιχα, ο τύπος που θα μας δώσει την ηλεκτρική ενέργεια του κυκλώματος, είναι W = I2 R t ,

I

V

… όταν γνωρίζουμε ότι R = 47 Ω και t = 200 s, με I = 0,22 A.

Αν, λοιπόν, υπολογίσουμε και τη διαφορά θερμοκρασίας Δθ, που εδώ βγαίνει Δθ = 0,6 ▫C, …

I

V

Έχουμε W = I2 R t , W = ( 0,22 )2 . 47 . 200 = 455 J …

I

V

… και Q = m c Δθ, Q = 0,2 . 4200 . 0,6 = 504 J.

I

V

Κανονικά θα πρέπει να είναι W > Q, αλλά, σημειώνουμε εδώ, ότι οι μετρήσεις στο εργαστήριο, δεν έγιναν με την μέγιστη δυνατή ακρίβεια,

Το γεγονός όμως, ότι έχουν παραπλήσιες τιμές, επιβεβαιώνουν την πρόθεση να συμβεί πιο ακριβές πείραμα στο μέλλον.

… τέλος του πειράματος.