Исследование работы источников света в цепи переменного тока

Работа 3.3. Исследование работы источников света в цепи переменного тока.
Постановка задачи.
Известно, что в бытовой электрической цепи течет ток, меняющийся с частотой
=50Гц по синусоидальному закону I=I0sin(2t), то есть ток каждые 0,01 с меняет свое
направление и раз в 0,01 с значение силы ток проходит через значение I=0.
Используя
 источник переменного напряжения школьный ВУ-4М
 источник постоянного тока на основе химических источников тока (на 4,5 В)
 датчик напряжения осциллографический
 датчик света
 лампу накаливания на 4,5 В
 светодиод белый
 настольную лампу с газоразрядной («экономной») лампой
 резистор на 200 Ом
 переменный резистор на 0150 Ом
 соединительные провода
 ключ
исследуйте, меняется ли яркость свечения трех различных источников света при
прохождении переменного тока через них. Если меняется, то определите характерное
время изменения, выскажите гипотезы о причинах такого изменения и проверьте их
экспериментально.
Рекомендации по проведению исследования:
1. Для изучения лампы накаливания с маркировкой 4,5 В в цепи переменного тока можно
подключить ее к источнику переменного тока ВУ-4М через ключ. Для измерения
напряжения на лампе можно использовать датчик напряжения осциллографический,
соединив его кабелем с USB портом компьютера. Знакомство с порядком работы и
настройкой параметров регистрации этого датчика происходит в ходе выполнения работы
№3.1 «Знакомство с интерфейсом цифрового осциллографа. Измерение силы тока с
помощью осциллографа», описанной в методическом пособии «Цифровая лаборатория по
физике. Базовый уровень» (или см. www.nau-ra.ru ). Рекомендуется выбрать режим работы
«Ждущий», вид сигнала «Постоянный», развертку 0,02 с/дел, запуск осуществлять при
достижения регистрируемого сигнала величины 1В при его нарастании, регистрировать
сигнал и запускать используя канал №1 с чувствительностью 1 В/дел (рис.1а).
а)
б)
Рис.1
Датчик света устанавливается рядом с лампой накаливания (рис.2а). В отличие от датчика
освещенности датчик света может регистрировать достаточно быстрые изменения
интенсивности подающего излучения. Для настройки регистрация датчиком света
достаточно после открытия окна регистрации нажать кнопку
и в появившемся меню
выбрать наименьшее значение промежутка времени между регистрируемыми датчиком
значениями - 1 мс.
а)
б)
Рис.2
2.
Одновременная регистрация сигнала с двух датчиков позволит соотнести режим
протекания тока в лампе и изменение интенсивности излучения при ее работе. Если такие
изменения интенсивности наблюдаются, то выскажете гипотезы о причинах таких
изменений и проверьте их, регистрируя изменения интенсивности излучения при
подключении через ключ и выключении лампы накаливания к источнику постоянного
тока (от стандартных батареек). Для такого опыта нельзя использовать стандартный
школьный источник тока ВУ-4 или ВУ-4М, питающийся от сети в 42 В (рис.2), поскольку
он дает пульсирующее напряжение. Рекомендуется при регистрации времени загорания
лампы одновременно регистрировать сигнал с датчика света и с датчика напряжения
осциллографического, подключенного к лампе накаливания. Для получения
окончательных кривых, вносимых в Отчет об исследовании, рекомендуется
зарегистрировать в затемненном помещении, выключив освещение в комнате.
3.
При изучении свечения светодиода в цепи переменного тока рекомендуется
одновременно регистрировать напряжение на источнике тока, силу тока в нем и
интенсивность излучения. Для регистрации напряжения на источнике используется Канал
№1 осциллографического датчика, для измерения силы тока в цепь последовательно с
диодом подключается резистор 10 Ом и на нем измеряется напряжение с помощью канала
№2 осциллографического датчика (рис.2б). Проследите за тем, чтобы красные щупы
осциллографического датчика были присоединены так, что полярность сигнала на обоих
каналах совпадала. Для ограничения силы тока через светодиод напряжение на него
подается с переменного резистора, который включен последовательно с резистором 200
Ом к источнику тока ВУ-4М через ключ.
ВНИМАНИЕ! Напряжение на светодиоде не должно превышать 3 В, а сила тока через
него 10 мА.
2)
Если в излучении светодиода наблюдаются изменения во времени, то соотнесите
их с изменениями напряжения подаваемого на концы цепи, силой тока через светодиод и
выскажите гипотезы о таком поведении светодиода, вспомнив особенности обычного
диода (см. работу №3.5 в методических указаниях «Цифровая лаборатория по физике.
Базовый уровень».). Рекомендуется провести наблюдения интенсивности света,
излучаемого диодом, заменив источник переменного тока, источником постоянного тока
и регулируя полярность его подключения и напряжение на нем с помощью переменного
резистора (рис.3).
ВНИМАНИЕ! Предельный ток через светодиод не должен превышать 10 мА, иначе
светодиод будет выведен из строя. Поэтому при работе с переменным резистором,
лучше последовательно включить постоянный резистор 360 Ом, входящий в набор
оборудования.
Для получения окончательных кривых, вносимых в Отчет об исследовании,
рекомендуется зарегистрировать в затемненном помещении, выключив освещение в
комнате.
К USB-порту
5В
– +
Датчик
освещенности
360 Ом
К USB-порту
Датчик
напряжения 2,5 В
К USB-порту
Рис.3
3) Проведите изучение изменения интенсивности излучения газоразрядной
(«экономной») лампы поднося к работающей от бытовой электросети лампе датчик
света. Для получения окончательных кривых, вносимых в Отчет об исследовании,
рекомендуется зарегистрировать в затемненном помещении, выключив освещение
в комнате. Если изменения наблюдаются, то сравните степень падения
интенсивности по отношению к максимальной в газоразрядной лампе, светодиоде
и лампе накаливания.
4) *Если санитарные нормы рекомендуют для уменьшения усталости глаз в
помещении отсутствие существенных колебаний освещенности предметов, то
какой из источников света, Вы бы порекомендовали использовать. Как можно
уменьшить эффект изменения освещенности рабочего стола при использовании
источников света в цепи переменного тока, используя осветители на основе ламп
накаливания, светодиодов и газоразрядных ламп.