Spanningsdeler Lab: Ontwerp, Meting en Verificatie van Kirchhoffs Spanningswet

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Rekenmachine (of potlood en papier voor rekenkunde)
• 6-volt batterij
• Weerstanden variërend van 1 kΩ tot 100 kΩ

Voor nauwkeurige metingen beperken we weerstandswaarden tot de 1 kΩ–100 kΩ band. Extreem lage weerstanden kunnen de amperemeter's interne weerstand vervormen, terwijl zeer hoge weerstanden de voltmeter kunnen laden en de effectieve circuitweerstand veranderen.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, hoofdstuk 6: "Divider Circuits and Kirchhoff's Laws."

LEERDOELEN

• Voltmeter, amperemeter en ohmmeter gebruiken
• Ohms Wet toepassen
• Kirchhoffs Spanningswet (KVL) toepassen
• Een spanningsdeler ontwerpen

SCHEMA DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

Deze oefening demonstreert drie veelvoorkomende constructiemethoden: breadboard, klemstrook, en vrij-vorm. Het bouwen van dezelfde circuit met elke techniek helpt je hun respectieve voor- en nadelen te waarderen. De vrij-vorm benadering, die alligator-stijl kabeltjes gebruikt, is geschikt voor een eenvoudige demonstratie; breadboards bieden veelzijdigheid en hoge componentendichtheid maar zijn tijdelijk; klemstroken bieden een meer permanente montage ten koste van ruimte.

Selecteer drie weerstanden uit je assortiment en verifieer elke waarde met een ohmmeter. Noteer de metingen. Verbind de weerstanden in serie en koppel ze aan de 6-volt batterij zoals getoond. Meet de batterijspanning met een voltmeter terwijl de circuit aangedreven is, en noteer deze meting. Hoewel de belasting licht is, levert meten onder belasting data op die echte bedrijfsomstandigheden weerspiegelt.

Gebruik Ohms Wet (I = E/R) om de verwachte circuitstroom te berekenen. Verifieer deze waarde door de stroom te meten met een amperemeter (zie het klemstrook voorbeeld hieronder).

Met weerstandswaarden tussen 1 kΩ en 100 kΩ en een 6-volt bron, zal de stroom in de milliampere of microampere bereik liggen. Digitale meters geven meestal de schaal (m of μ) op het display aan; lees het correct.

Vervolgens, gebruik de berekende stroom om de spanningsval over elke weerstand te voorspellen (V = I R). Schakel je multimeter naar spanningsmodus en meet elke val. De gemeten waarden zouden de voorspellingen nauwkeurig moeten matchen, wat het spanningsdeeler principe bevestigt: elke weerstandsval is een vast fractie van de totale spanning, bepaald door zijn weerstand ten opzichte van de serietotaal.

De volgende sectie valideert Kirchhoffs Spanningswet (KVL). Wijs een uniek nummer toe aan elk distinct knooppunt in de circuit; knooppunten die direct verbonden zijn delen hetzelfde nummer. Bijvoorbeeld, gebruik nummers 0–3 zoals geïllustreerd. Bevestig kleine labels of tape om de knooppuntnummers op de echte circuit aan te duiden.

Gebruik een digitale voltmeter, meet het spanningsverschil rond een gesloten lus (bijv. 0 → 1 → 2 → 3 → 0). Noteer elke meting met zijn teken zoals getoond – draai de meetpennen niet om om een "positief" resultaat te forceren. Tel de getekende spanningen algebraïsch op; de totaal moet nul zijn, wat KVL demonstreert. Je mag elke lus kiezen die begint en eindigt op hetzelfde knooppunt; alle dergelijke lussen zullen de wet voldoen.

Hieronder zijn illustratiestappen rond de 0-1-2-3-0 lus:

Typische metingen leveren drie positieve waarden en één negatieve op; algebraïsch optellen zou nul moeten produceren.

Voel je vrij om te experimenteren met verschillende lussen, zoals 1 → 2 → 3 → 1, en verifieer dat de algebraïsche som nul blijft. Deze eigenschap geldt ongeacht de circuittopologie.

Kirchhoffs Spanningswet is een krachtig analytisch hulpmiddel dat voorspelling van spanninggroottes en polariteiten in elk netwerk mogelijk maakt door te waarborgen dat de algebraïsche som rond elke gesloten pad nul is.

COMPUTER SIMULATIE

Netlist (maak een tekstbestand met de volgende inhoud verbatim):

 Voltage divider v1 3 0 r1 3 2 5k r2 2 1 3k r3 1 0 2k .dc v1 6 6 1 * Voltages around 0-1-2-3-0 loop algebraically add to zero .print dc v(1,0) v(2,1) v(3,2) v(0,3) * Voltages around 1-2-3-1 loop algebraically add to zero .print dc v(2,1) v(3,2) v(1,3) .end 

De simulatie gebruikt knooppunten 0–3, met weerstandswaarden gekozen om 50%, 30%, en 20% van de totale spanning over R1, R2, en R3 respectievelijk te leveren. Je mag de bronspanning of weerstandswaarden aanpassen naar wens. Het draaien van de simulatie zal spanningwaarden outputten; het optellen van elke regel bevestigt de wet.

GERELATEERDE WERKBLADEN:

Spanningsdeler Circuits Werkblad