Jelenség leírása
4,5 V-os zsebtelepre kössünk egy adott névleges teljesítményû zseblámpaizzót! Mérjük meg, hogyan változik az izzó tényleges teljesítménye a bekapcsolástól eltelt hosszú idõ folyamán! Határozzuk meg az izzó által felvett energiát az idõ függvényében!
Eszközök
digitális voltmérő, stopper, zsebtelep
Magyarázat
Mérési feladatok megoldása
M. 247. 4,5 V-os zsebtelepre kössünk egy adott névleges teljesítményû zseblámpaizzót! Mérjük meg, hogyan változik az izzó tényleges teljesítménye a bekapcsolástól eltelt hosszú idõ folyamán! Határozzuk meg az izzó által felvett energiát az idõ függvényében!
(6 pont)
Közli: Varga István, Békéscsaba
Megoldás. A teljesítmény mérését nyilván a zseblámpaizzón átfolyó áram erõsségének és a rajta esõ feszültségnek mérésére lehet visszavezetni. A mérést elvégzõ és beküldõ versenyzõk a mûszereket (digitális vagy analóg ampermérõt és voltmérõt) kivétel nélkül az ábrán látható módon kapcsolták. Vajon miért pont így?
Erre Haszpra Zsolt (Budapest, Árpád Gimn., 9. évf.) válaszolt: ,,Az áramerõsségmérõ mûszerek kis belsõ ellenállásúak, a rájuk esõ feszültség általában elhanyagolható. Esetünkben azonban az izzó ellenállása is csekély, ezért van a feszültségmérõ az izzóval párhuzamosan kapcsolva. Az ampermérõ az egymással párhuzamosan kapcsolt izzón és voltmérõn átfolyó együttes áramot méri. A feszültségmérõ ellenállása lényegesen nagyobb, mint az izzóé, így a rajta átfolyó áram az izzón átfolyó áramhoz képest jelentéktelen.''
,,A mérés eléggé passzív volt, ugyanis miután az áramkört zártam, nem lehetett semmi különöset tenni, csak adott idõközönként leolvasni az áramerõsség és feszültség értékeket, utána pedig kiszámolni a teljesítményt és az energiát,'' - vallja többekhez hasonlóan Gyenis András (Veszprém, Lovassy L. Gimn., 11. évf.).
Milyen idõközönként? Volt, aki szabályosan, ugyanolyan idõközönként (15 perc; 10 perc; 1 perc; 5 perc) olvasta le a mérõmûszereket, de többen menet közben hosszabb idõközökre váltottak. Besnyõ Márton (Heves, Eötvös J. Gimn., 12. évf.) például - miután látta, hogy ,,itt bizony hosszú órákról lesz szó'' - a 10 percenkénti leolvasást 30 percenkéntire váltotta.
Milyen hosszú ideig tartott a mérés? A legtöbben néhány óráig mértek, néhányan azonban 10 óránál is hosszabb ideig (Besnyõ Márton 14, Horváth Dóra 15, Illés Máté 16, Váradi Bence pedig 18 óra hosszan).
A tulajdonképpeni mérések és a kiértékelés elsõ része nem okozott különösebb gondot a versenyzõknek. Az eredmények is hasonlóak: ,,eleinte exponenciálisan csökken a teljesítmény, majd egy egyenletesebb csökkenés következik'', summázza tapasztalatait többekhez hasonlóan Gyenis András. Dolgozatából tudjuk meg azt is, hogy a nagyobb névleges teljesítményû (kis ellenállású) izzók esetében az exponenciális csökkenés sokkal erõteljesebb, mint a kisebb névleges teljesítményû (nagyobb ellenállású) izzóknál, de azt is, hogy lassú csökkenés folyamán egyes izzóknál - érdekes módon - átmenetileg teljesítménynövekedés is elõfordulhat.
,,Az izzó ellenállása csökken a mérés során. Ennek az az oka, hogy egyre kevésbé világít, és lehûl,'' - állapítja meg Paulin Dániel (Fazekas M. Fõv. Gyak. Gimn., 12. évf.). Habár nem volt feladat, többen is megvizsgálták az ellenállás változását az idõ függvényében.
A mérési feladat második része nem hozott osztatlan sikert. Néhányan egyszerûen megfeledkeztek róla, többen félreértették. Akik jól értelmezték, azok számára ,,az izzó által felvett energia a teljesítmény idõ szerinti integrálja'', - állapítja meg Gyenis András. Az integrálás módjáról legtöbben említést sem tesznek; néhányan, pl. Mezei Márk (Budapest, ELTE Radnóti M. Gyak. Gimn., 12. évf.) és Lantos Judit (Hódmezõvásárhely, Bethlen G. Ref. Gimn., 11. évf.) a numerikus integrálás (közelítõ területszámítás) különbözõ módszereit használják.
Eredményként valamennyien azt kapták, hogy az égõ által felvett energia az idõ függvényében (érthetõ módon) nõ, de nem egyenletesen (nem lineárisan); eleinte gyorsabb a növekedés, majd egyre gyengülõ ütemben nõ a felvett energia, a függvény ,,ellaposodik''.
Többen is tapasztalták, hogy ha valamilyen okból (pl. éjszaka) a méréseket megszakították, a mérés folytatásakor az elemek valamennyire regenerálódtak. Ilyen irányú megfigyelését írja le Besnyõ Márton dolgozata végén:
,,A mérés végén már túl fáradt voltam, hogy elpakoljak magam után, s így jó szokásomhoz hûen elõl hagytam mindent. Másnap este, amikor szedtem volna szét az áramkört, még szórakozásból bekapcsoltam utoljára. Megdöbbenve tapasztaltam, hogy az elemek 0,11 illetve 0,13 amperre visszatöltõdtek. Ezt érdekes jelenségnek tartottam, ezért kiváncsiságból továbbra sem szedtem szét az áramkört, csak megszakítottam. Következõ nap estéjére az elemek tovább töltõdtek, s már 0,18, illetve 0,19 A-nél ,,jártak'', a harmadik nap pedig 1-1 század amper különbséggel teljesen visszaállt az eredeti áramerõsség. Ezután elkezdtem az elemeket folyamatosan lemeríteni, s azt tapasztaltam, hogy a korábbinál jóval gyorsabban, látványos ütemben merülnek le. Sajnos idõ hiányában nem tudtam a jelenségnek alaposabban utánajárni, de úgy gondolom, hogy az elemekben lejátszódó kémiai reakciók miatt volt ilyen látványos az elem töltõdése.
