Moc prądu

Podstawy programowe: KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Wyznaczyć moc żarówek, \(P = U \cdot I\), i porównać ich jasność przy połączeniu równoległym i szeregowym.

Układ

Dwa obwody zasilane ze źródeł 6 V, z żarówkami 6 V / 3 W i 6 V / 1 W. U góry żarówki są połączone równolegle, każda z własnym amperomierzem, a woltomierz wskazuje napięcie na żarówkach. Na dole są połączone szeregowo, z amperomierzem i woltomierzem przy żarówce 1 W.

Przebieg doświadczenia

1. Porównać jasność żarówek w każdym obwodzie.
2. W górnym obwodzie obliczyć moc każdej żarówki: \(P = U \cdot I\), gdzie \(U\) to wskazanie woltomierza.
3. W dolnym obwodzie obliczyć moc żarówki 1 W i oszacować napięcie na żarówce 3 W: 6 V minus wskazanie woltomierza.

Oczekiwany wynik

Równolegle: na żarówkach około 5,6 V — część z 6 V traci się wewnątrz źródła; żarówka 3 W — około 478 mA, 2,7 W; żarówka 1 W — około 160 mA, 0,9 W; moc obu jest nieco mniejsza od znamionowej, a żarówka o większej mocy świeci jaśniej. Szeregowo: natężenie prądu wynosi około 151 mA, a na żarówce 1 W jest około 5,09 V (0,77 W); na żarówce 3 W szacunek daje około 0,9 V (w rzeczywistości około 0,8 V — trochę więcej traci się w źródle i amperomierzu), a żarówka ledwo się żarzy. Jaśniej świeci żarówka o większym oporze.

Pytania

1. Dlaczego przy połączeniu szeregowym jaśniej świeci żarówka o mniejszej mocy?
2. Ile energii zużywa żarówka 3 W w ciągu godziny?

Odpowiedzi

1. Przy połączeniu szeregowym przez obie żarówki płynie prąd o tym samym natężeniu, więc zgodnie z \(P = I^2 R\) większą moc pobiera żarówka o większym oporze. Z danych znamionowych \(R = U^2 / P\) daje 36 Ω dla żarówki 1 W i 12 Ω dla żarówki 3 W, więc na żarówkę 1 W przypada większość napięcia: około 5,09 V i 0,77 W, wobec około 0,8 V i 0,12 W dla żarówki 3 W.
2. \(E = P \cdot t\) = 3 W × 3600 s = 10 800 J, czyli 3 W·h. W tym układzie, przy połączeniu równoległym, żarówka pobiera około 2,7 W, co daje około 9,7 kJ w ciągu godziny.