191 - Φαινόμενο Joule

191 - Φαινόμενο Joule

Γουρζής Στάθης – Φυσικός ΥΣΕΦΕ 2014 - 2015 Εργαστήρια Φυσικών Επιστημών Νυδριού Λευκάδος

Θα δοκιμάσουμε σε αυτό πείραμα, να παρατηρήσουμε και να καταγράψουμε, την θερμότητα που εκλύεται από μια αντίσταση R = 10 Ω, όταν αυτή συνδεθεί σε ένα ωμικό κύκλωμα. Θα χρησιμοποιήσουμε το Multilog με τον αισθητήρα της θερμοκρασίας, και θα προβάλουμε την γραφική παράσταση των μετρήσεων, στην οθόνη του υπολογιστή και τον πίνακα του εργαστηρίου.

Παίρνουμε, πρώτα, μια αντίσταση R = 10 Ω, …

Ωμόμετρο

… ( μετρώντας την τιμή της, με ένα πολύμετρο - ωμόμετρο του εργαστηρίου ).

Θα χρειαστούμε μια πηγή συνεχούς ρεύματος και ένα αμπερόμετρο, …

Αμπερόμετρο

… έναν υδροβολέα και ένα μικρό ποτήρι ζέσης, …

… μια ζυγαριά ακριβείας του εργαστηρίου, ...

… και τον μαγνητικό αναδευτήρα του εργαστηρίου, που θα χρησιμοποιηθεί σαν πηγή θέρμανσης,( και ανάδευσης ).

Θα χρησιμοποιήσουμε, ακόμα, το Multilog, και τον αισθητήρα της θερμοκρασίας, ….

… μεταλλικές βάσεις στήριξης, μικρές ράβδους, λαβίδα και μερικούς συνδέσμους, για να στηρίξουμε τα καλώδια που θα συνδεθούν με την αντίσταση και το κινητό τηλέφωνο για τις φωτογραφίες και το video του πειράματος.

Ο υπολογιστής του εργαστηρίου θα χρησιμοποιηθεί ...

… μαζί με το βιντεοπροβολέα, για την κατασκευή και την προβολή των γραφικών παραστάσεων στην οθόνη και τον πίνακα του εργαστηρίου.

Ξεκινάμε το πείραμά μας, κατασκευάζοντας την πειραματική μας διάταξη, συνδέοντας, πρώτα, στην παροχή τάσης του εργαστηρίου, την πηγή του συνεχούς ρεύματος.

Ύστερα συνδέουμε, σε σειρά με την πηγή, το αμπερόμετρο, ώστε να ελέγχουμε την ροή του ρεύματος ...

… και τοποθετούμε τον μαγνητικό αναδευτήρα, κοντά στην υπόλοιπη πειραματική διάταξη.

Βάζουμε και το Multilog με τον αισθητήρα της θερμοκρασίας, κοντά με τα υπόλοιπα όργανα, …

… συναρμολογούμε την πρώτη μεταλλική βάση στήριξης, για την στερέωση των καλωδίων ...

… και την τοποθετούμε δίπλα στον μαγνητικό αναδευτήρα.

Παίρνουμε, ύστερα, την ζυγαριά ακριβείας, για να μετρήσουμε την μάζα του νερού που θα χρησιμοποιήσουμε στο πείραμα. Η τιμή της μάζας θα μας χρειαστεί, στην περίπτωση που θέλουμε να υπολογίσουμε την εκλυόμενη θερμότητα, ( κατά προσέγγιση, λαμβάνοντας υπ’ όψη τις απώλειες στο περιβάλλον ), από τον τύπο Q = m . c . Δθ.

Τοποθετούμε την ζυγαριά σε κοντινή απόσταση από την πειραματική διάταξη, μη τυχόν και χρειαστεί να ζυγίσουμε κάποια μάζα νερού στη διάρκεια του πειράματος, και την ανοίγουμε.

Γεμίζουμε το ποτήρι ζέσης με τον υδροβολέα …

… και μετράμε κοντά στα 50 ml νερό.

Ζυγίζουμε την ποσότητα, και προσθέτοντας ή αφαιρώντας, πλησιάζουμε τα 50 γραμμάρια μάζας νερού.

Τοποθετούμε το μικρό ποτήρι ζέσης πάνω στον μαγνητικό αναδευτήρα και προσθέτουμε και ένα μικρό μαγνήτη ανάδευσης .

Συνδέουμε, τώρα στο αμπερόμετρο την αντίσταση που θα χρησιμοποιήσουμε …

… και με ένα άλλο καλώδιο, στην άλλη της άκρη ...

… κλείνουμε το κύκλωμα με την πηγή του ρεύματος.

Παίρνουμε την αντίσταση, την βάζουμε μέσα στο ποτήρι ζέσης και την βυθίζουμε στο νερό.

Αυτή είναι η πειραματική μας διάταξη, πριν ξεκινήσουμε τις μετρήσεις της θερμοκρασίας.

Ανοίγουμε το Multilog …

… και συνδέουμε τον αισθητήρα της θερμοκρασίας.

Στη συνέχεια στερεώνουμε τον αισθητήρα στο ποτήρι ζέσης, χρησιμοποιώντας μια ξύλινη λαβίδα …

… και ξεκινάμε μια « ελαφριά » ανάδευση, ώστε να διοχετεύουμε την εκλυόμενη από την αντίσταση θερμότητα, σε όλη την μάζα του νερού.

Συναρμολογούμε, τώρα, την δεύτερη μεταλλική βάση στήριξης, για την στερέωση του κινητού τηλεφώνου ...

… και την τοποθετούμε σε θέση ώστε να μπορεί να « βλέπει » το ποτήρι ζέσης και την θερμαινόμενη αντίσταση.

Ξεκινάμε το πρόγραμμα DB-Lab …

… που συνδέει το Multilog με το computer.

Από το μενού « Καταγραφέας », επιλέγουμε « Πίνακας Ελέγχου » …

… και στην κάρτα που παρουσιάζεται, διαλέγουμε για την επιλογή « Ρυθμός » τα « 50 / sec », … ενώ για την επιλογή « Σημεία » βάζουμε « 20000 ». . ,…

Ξεκινάμε την λήψη των δεδομένων, τις μετρήσεις της θερμοκρασίας …

… και μεγαλώνουμε το παράθυρο της απεικόνισης της γραφικής παράστασης ...

… ώστε να έχουμε καλύτερη και μεγαλύτερη άποψη των αποτελεσμάτων.

Σταματάμε, κατόπιν, την διαδικασία των δοκιμαστικών μετρήσεων και της διαμόρφωσης της απεικόνισης των αποτελεσμάτων.

Ανοίγουμε το αμπερόμετρο …

… και την πηγή του συνεχούς ρεύματος.

Ρυθμίζουμε την τάση της πηγής, ώστε να έχουμε « αρκετό» ρεύμα στο κύκλωμα …

… και ξεκινάμε να παίρνουμε μετρήσεις θερμοκρασίας με το Multilog.

Η αντίσταση εκλύει μεγάλο ποσό θερμότητας, γι’ αυτό και η θερμοκρασία του νερού ανεβαίνει πολύ γρήγορα …

… και συνεχίζει να ανεβαίνει γρήγορα …

… σε όλη τη διάρκεια του πειράματος …

… δίνοντάς μας μια καλή γραφική παράσταση …

… της γρήγορης αύξησης της θερμοκρασίας …

… στην μάζα του αναδευόμενου νερού.

Η γραφική παράσταση των δεδομένων …

… μας υποδεικνύει ότι και η εκλυόμενη θερμότητα …

… είναι μέγεθος ανάλογο με την θερμοκρασία, αν μπορούσαμε να την παραστήσουμε ταυτόχρονα με όμοιο τρόπο.

Παρατηρούμε την αλλαγή στο χρώμα του νερού, το πιθανότερο λόγω της διάλυσης μέρους από το υλικό της αντίστασης …

… πράγμα που φαίνεται εδώ, από την πάνω πλευρά του ποτηριού ζέσης.

Εδώ το πείραμά μας βρίσκεται σε πλήρη εξέλιξη …

… με την τιμή του ρεύματος να κυμαίνεται γύρω από τα 2 Αμπέρ.

Σταματάμε τις μετρήσεις με το Multilog ...

… και κλείνουμε τον μαγνητικό αναδευτήρα, το αμπερόμετρο και την πηγή του συνεχούς ρεύματος.

Η γραφική παράσταση της θερμοκρασίας, στην οθόνη του computer ….

… και η προβολή της στον πίνακα του εργαστηρίου.

… τέλος πειράματος.