Fiecare dispozitiv electric și electronic, de la un încărcător de telefon până la o rețea națională, este proiectat și diagnosticat folosind două reguli formulate de Gustav Kirchhoff în 1845. Acestea nu sunt noi forțe ale naturii, ci două legi de conservare scrise în limbajul circuitelor. Legea curenților a lui Kirchhoff spune că curentul care intră în orice nod este egal cu curentul care iese — sarcina electrică se conservă, deci nu se poate acumula într-un nod și nici nu poate dispărea din acesta. Legea tensiunilor a lui Kirchhoff spune că, în jurul oricărei bucle închise, suma creșterilor și scăderilor de tensiune este zero — energia se conservă, astfel încât o sarcină transportată o dată în jurul unei bucle revine cu energia cu care a început. Împreună cu legea lui Ohm, ele sunt suficiente pentru a rezolva orice rețea de rezistoare, motiv pentru care sunt primele instrumente predate în orice curs de electronică. În acest laborator, veți supune ambele legi unui test experimental direct. Veți construi un circuit serie și apoi un circuit paralel folosind aceleași trei rezistoare (100 Ω, 200 Ω și 300 Ω) la o sursă de 12 V, veți măsura curentul în fiecare punct și tensiunea pe fiecare componentă cu un multimetru și veți verifica dacă curenții din fiecare nod și tensiunile din jurul fiecărei bucle se adună exact așa cum cer cele două legi.
Obiective educaționale
Înțelegerea legilor lui Kirchhoff
- Aplică legea curenților (suma curenților care intră într-un nod este egală cu suma celor careies) și legea tensiunilor (suma căderilor de tensiune dintr-o buclă închisă este egală cu tensiunea de alimentare) circuitelor serie și paralel.
- Recunoașteți cele două legi ca fiind conservarea sarcinii și conservarea energiei exprimate în limbajul circuitelor.
Asamblarea circuitelor
- Construiți un circuit în serie și un circuit în paralel din aceleași trei rezistoare pe o placă de test (breadboard) și citiți valorile componentelor din benzile lor colorate.
Utilizarea multimetrului
- Măsurați curentul în serie cu o componentă și tensiunea în paralel pe aceasta, alegând modul și conexiunea corecte pentru fiecare.
- Măsurați sistematic: curentul în fiecare punct al fiecărui circuit și tensiunea la bornele fiecărei componente și ale sursei.
Conectarea teoriei la practică
- Preziceți fiecare curent și tensiune pe baza legii lui Ohm și a rezistenței echivalente înainte de măsurare, apoi comparați predicția cu măsurătoarea.
Gândire analitică
- Evaluați discrepanțele dintre valorile calculate și cele măsurate utilizând eroarea procentuală față de valoarea nominală și interpretați banda de toleranță ca fiind limita garantată de producător pentru acea eroare.
Protocol
- Configurați un circuit în serie care conține cei 3 rezistori.
- Porniți sursa de alimentare și setați-o la 12V.
- Măsurați intensitatea curentului la ieșirea fiecărui rezistor.
- Măsurați intensitatea curentului la sursă.
- Măsurați tensiunea pe fiecare rezistor.
- Măsurați tensiunea la sursă.
- Salvează schema circuitului și dezasambleaz-o.
- Configurați un circuit paralel care conține cele 3 rezistențe.
- Repetați pașii de la 2 la 7.
Rezultate anticipate
Valorile componentelor. Sursă de alimentare 12 V. Cele trei rezistoare sunt:
| Rezistor | Benzi colorate | Valoare nominală |
|---|---|---|
| R1 | Maro – Negru – Maro – Maro | 100 Ω ±1% |
| R2 | Roșu – Negru – Maro – Maro | 200 Ω ±1% |
| R3 | Portocaliu – Negru – Maro – Maro | 300 Ω ±1% |
Circuit serie, pașii de la 1 la 7. Rezistența totală 100 + 200 + 300 = 600 Ω, deci curentul este 12 V / 600 Ω = 0,020 A.
| Măsurare | R1 | R2 | R3 | Sursă |
|---|---|---|---|---|
| Curent (pasul 3, pasul 4) | 0,020 A | 0,020 A | 0,020 A | 0,020 A |
| Tensiune (pasul 5, pasul 6) | 2 V | 4 V | 6 V | 12 V |
Circuit paralel, pașii 8 și 9. Rezistența echivalentă este dată de 1/R = 1/100 + 1/200 + 1/300, deci R = 54,5 Ω.
| Măsurare | R1 | R2 | R3 | Sursă |
|---|---|---|---|---|
| Curent | 0,120 A | 0,060 A | 0,040 A | 0,220 A |
| Tensiune | 12 V | 12 V | 12 V | 12 V |
Eroare procentuală. Comparați fiecare rezistență măsurată cu valoarea indicată de benzile sale colorate, nu cu o altă măsurătoare: eroarea procentuală = (valoarea măsurată − valoarea nominală) / valoarea nominală × 100. A patra bandă indică toleranța specificată de producător, astfel încât o rezistență de 100 Ω marcată cu ±1% este garantată să se încadreze doar între 99 și 101 Ω. În această simulare, componentele sunt ideale, iar multimetrul indică exact valoarea nominală, astfel încât fiecare eroare procentuală rezultă ca fiind 0.0%. Acesta este răspunsul corect în acest caz, și merită să explicăm clar de ce: banda de toleranță reprezintă o limită superioară a erorii, nu o previziune că va apărea o eroare. Pe un banc de testare fizic, același calcul ar da o valoare mică, diferită de zero, iar un rezultat în afara intervalului ±1% ar indica o componentă defectă sau o problemă de măsurare, mai degrabă decât o dispersie normală.
Analiza circuitelor în serie
-
Măsurători curenteStudenții vor observa valori identice ale curentului în toate punctele circuitului serie, validând KCL.
-
Măsurători de tensiune: Suma căderilor de tensiune pe rezistoare () va fi egal cu tensiunea sursei (12V), confirmând KVL.
Analiză circuit paralel
-
Măsurători curente：Suma curenților prin rezistoarele individuale va fi egală cu curentul total de la sursă, respectând KCL.
-
Măsurători de tensiune: Tensiunea identică pe toți rezistorii în paralel va fi în concordanță cu predicțiile KVL.
Calcule
-
Studenții vor calcula rezistența totală () pentru ambele circuite și comparați valorile teoretice (de exemplu, ) cu rezultate experimentale obținute din .
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
Focalizare: comportamentul circuitului ca un șablon observabil. Elevii asamblează circuitele serie și paralel, fac setul complet de măsurători de curent și tensiune și enunță cele două modele în cuvinte: în serie, curentul este același peste tot, iar tensiunile se împart la alimentare; în paralel, tensiunea este aceeași peste tot, iar curenții împart totalul. Ei disting cele două configurații la vedere și dobândesc o primă competență cu cele două moduri ale multimetrului.
Clasa a XI-a
Accent: estimarea înainte de măsurare. Elevii calculează rezistența echivalentă a fiecărui circuit (600 Ω în serie; 54,5 Ω în paralel, din suma reciprocă), estimează fiecare curent și tensiune pe baza legii lui Ohm și verifică în mod explicit suma la fiecare joncțiune și buclă: 2 + 4 + 6 = 12 V și 0,120 + 0,060 + 0,040 = 0,220 A. Ei calculează eroarea procentuală față de valorile nominale ale componentelor și citesc singuri benzile colorate.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
Accent: legile ca principii de conservare. Elevii justifică legea curentului pe baza principiului conservării sarcinii și legea tensiunii pe baza independenței potențialului electric față de traseu, deduc formula pentru circuitele paralele pornind de la conductanțe și tratează corect banda de toleranță — ca o limită superioară a erorii componentelor, nu ca o predicție a dispersiei. Ei extind analiza la putere, verificând dacă puterea sursei este egală cu suma puterii disipate în rezistențe în ambele circuite și identifică care rezistență fizică ar necesita cea mai mare putere nominală și de ce.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Placă de prototipare
- Rezistențe: 100 Ω, 200 Ω, 300 Ω (±1 %)
- Conectarea firelor
- Multimetru
- Sursă de alimentare (12 V)
Produse
Niciunul — acest laborator nu folosește reactivi chimici.