Làm quen sử dụng dụng cụ đo điện

Bài 7 thí nghiệm vật lý BKE-010
làm quen Sử dụng dụng cụ đo điện
Khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều

I.mục đích thí nghiệm
1. Làm quen và sử dụng đồng hồ đa năng hiện
số (Digital Multimeter) để đo hiêụ điện thế và
cờng độ dòng điện trong các mạch điện một chiều
và xoay chiều, hoặc đo điện trở của các vật dẫn.
2. Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim
loại bằng cách vẽ đờng đặc trng vôn-ampe của
bóng đèn dây tóc. Từ đó xác định nhiệt độ của dây
tóc bóng đèn.
3. Khảo sát các mạch điện RC và RL có dòng
xoay chiều để kiểm chứng phơng pháp giản đồ
vectơ Fresnel, đồng thời dựa vào định luật Ohm đối
với dòng xoay chiều để xác định tổng trở, cảm
kháng và dung kháng của các mạch điện. Từ đó
xác định điện dung của tụ điện và hệ số tự cảm của
cuộn dây dẫn.

II. Dụng cụ
2 đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT9205 ;
1 bóng đèn dây tóc 12V-3W ;
1 mẫu điện trở R
x
;
1 mẫu tụ điện C
x
;
1 mẫu cuộn cảm L

x
;
1 bảng lắp ráp mạch điện ;
6 dây dẫn nối mạch dài 60cm ;
1 nguồn cung cấp điện 12V-3A/AC-DC

III. Cơ sở lý thuyết
1. Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ đa năng
hiện số kiểu DT 9202
Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có
độ chính xác cao và nhiều tính năng u việt hơn
hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trớc đây, đợc dùng
để đo hiệu thế và cờng độ dòng điện một chiều,
xoay chiều, điện trở, điện dung của tụ điện....Nhờ
một núm chuyển mạch chọn thang đo, ta có thể
chọn thang thích hợp với đại lợng cần đo.
Thông thờng một đồng hồ vạn năng hiện số
loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo ( từ 0 đến 1999) .
Giả sử ta chọn thang đo hiệu thế một chiều
DC
V
20V, thì đại lợng :
V
V
.01,0
2000
20
==

(1)

đợc gọi là độ phân giải của thang đo.
Nếu hiệu thế ta đo đợc là U thì sai số tuyệt đối
của phép đo trực tiếp đại lợng U này là:
U = (%) . U + n

.

(2)
Trong đó :
U : Giá trị đo đợc, chỉ thị trên đồng hồ.
(%) : Cấp chính xác của thang đo


: Độ phân giải của thang đo.
n = 1 4 3 ( quy định theo từng thang đo bởi nhà
sản xuất ).Cách tính tơng tự đối với các thang đo
thế và dòng khác.
Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất
thờng là 200mV và 200àA hoặc 2mA, đợc dùng
để đo các hiệu thế và dòng điện một chiều rất nhỏ.
Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang đo này.
Nếu vô ý để hiệu thế hoặc dòng điện lớn gấp 5-10
lần giá trị thang đo này, có thể gây ra h hỏng trầm
trọng cho đồng hồ. Vì vậy, các quy tắc nhất thiết
phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiện
số là :
1.Không bao giờ đợc phép chuyển đổi thang
đo khi đang có điện ở đầu đo.
2.Không áp đặt điện áp, dòng điện vợt quá giá
trị thang đo. Trờng hợp đại lợng đo cha biết, thì

hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện
ra để chọn thang thích hợp.
3. Để đo cờng độ dòng điện nhỏ chạy trong
đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ
COM (lỗ chung ) và lỗ A trên đồng hồ. Hai đầu
cốt còn lại của dây đo đợc mắc nối tiếp với đoạn
mạch. Chuyển mạch chọn thang đo đợc vặn về
các vị trí thuộc giải đo
DC
A để đo dòng điện một
chiều,
AC
A để đo dòng xoay chiều. Sau lỗ A bên
trong đồng hồ có cầu chì bào vệ, nếu dòng điện đo
vợt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị thiêu
cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngng
hoạt động cho đến khi một cầu chì mới đợc thay.
Điều tai hại tơng tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc
Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu
thế.
Hy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo
dòng, không để cháy cầu chì !
4. Để đo cờng độ dòng điện lớn 0-10A, ta
dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM (lỗ chung )
và lỗ 10A ( hoặc 20A ) trên đồng hồ. Hai đầu cốt
2
OFF
ON
còn lại của dây đo đợc mắc nối tiếp với đoạn
mạch. Chuyển mạch chọn thang đo đợc vặn về vị

trí
DC
A-10A để đo dòng một chiều,
AC
A-10A để đo
dòng xoay chiều. Sau lỗ 10A( hoặc 20A), bên trong
đồng hồ không có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản
mạch thờng gây cháy, nổ ở mạch điện ngoài hoặc
ở nguồn điện.
Tóm lại : chọn thang đo đúng, và không nhầm
lẫn khi thao tác đo thế và dòng là hai yếu tố quyết
định bảo vệ an toàn cho đồng hồ.
5. Để đo hiệu thế một chiều, xoay chiều,hoặc đo
điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM
(lỗ chung ) và lỗ V trên mặt đồng hồ. Hai đầu có
mỏ kẹp cá sấu còn lại của dây đo đợc mắc song
song với đoạn mạch. Chuyển mạch chọn thang đo
đợc vặn về các vị trí thuộc giải đo
DC
V để đo hiệu
thế một chiều,
AC
V để đo hiệu thế xoay chiều,và
để đo điện trở.



digital multimeter
DT 9202

1.289



2K 20K 2M 20M


200 200M

2m 200m

ACA
20m
X
2
DCV

200m 20


20 200

20 1000
200m


700

20m

200

DCA
2m 20
ACV


20à 2

2à 200n 2n 200m

C
x
F h
FE


20A A

COM V/



2. Khảo sát mạch điện một chiều
Xét mạch điện gồm nguồn điện một chiều U
n

cung cấp điện cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở
R (Hình 2). Điện áp ra của nguồn điện U
n

có thể
thay đổi đợc nhờ biến trở núm xoay P. Hiệu điện
thế U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng vônkế một
chiều V, và cờng độ dòng điện
I

chạy qua bóng
đèn đo bằng ampekế một chiều A .


Theo định luật Ôm đối với mạch điện một chiều,
cờng độ dòng điện
I
chạy qua đoạn mạch tỷ lệ với
hiệu điện thế
U
giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ
nghịch với điện trở R của đoạn mạch :

I
=
U
R
(3)
Nếu R không đổi thì
I

tỷ lệ bậc nhất với
U.
Đồ

thị
I
=
f
(
U
) - gọi là đặc tuyến

vôn-ampe, có dạng
đờng thẳng qua gốc toạ độ với hệ số góc :

G
R
1
tg ==

(4)
trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch.
Nhng do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lợng nhiệt Q toả
ra trên điện trở R trong thời gian

bằng :
Q = R
I
2


(5)
Lợng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm
thay đổi điện trở của đoạn mạch. Vì dây tóc bóng

đèn Đ làm từ Vonfram, nên điện trở R của nó thay
đổi theo nhiệt độ t theo công thức :

( )
2
0t
tt.1RR

++=
(6)
với R
t
là điện trở ở
Ct
0
và R
0
là điện trở ở
C0
0
, còn
= 4,82.10
-3
K
-1
và

= 6,76 .10
-7
K

-2
, là các hệ
số nhiệt của điện trở của Vonfram.
Kết quả là cờng độ dòng điện
I
chạy qua dây
tóc đèn Đ không tăng tỷ lệ tuyến tính theo hiệu điện
thế
U
giữa hai đầu dây tóc đèn nữa. Đặc tuyến

vôn-ampe
I
=
f
(
U
) của bóng đèn dây tóc có dạng
đờng cong. Gọi
p
R
là điện trở của dây tóc đèn ở
nhiệt độ phòng
p
t
. Khi đó từ (6) ta suy ra :

2
pp
p

0
t.t.1
R
R

++
=
(7)
Giải phơng trình (6) đối với t, cộng thêm 273K
ta xác định đợc nhiệt độ tuyệt đối của dây tóc đèn:


















++=

14
2
1
273
0
2
R
R
T
t
(8)
+
-
Un
E
A B, B
Đ
1
P
Hình 2
A
Đ
2
C
V
Đ
+
+
I

3
trong đó điện trở
p
R
và
t
R
tính theo công thức (3)
với I là dòng điện một chiều chạy qua dây tóc đèn
Đ và
U
là hiệu điện thế tơng ứng giữa hai đầu dây
tóc đèn
.

3. Khảo sát mạch điện xoay chiều R-C
Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào hai
đầu mạch điện gồm tụ điện có điện dung C mắc
nối tiếp với điện trở thuần R (Hình 3).
Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong mạch ở
thời điểm t có dạng :
i =
I f t
0
2.sin .

(9)
Khi đó : u = u
R
+ u

C
(10)
Vì u
R
cùng pha với i , còn u
C
chậm pha

/ 2
so
với i , nên ta có thể viết :
u =
U f t U f t
R C0 0
2 2
2
.sin . .sin( . )


+
(11)



U
R0

I
0

U
C0

U
0


Hình 4

áp dụng giản đồ vectơ Fresnel (Hình 4), ta tìm đợc
dạng của hiệu điện thế xoay chiều u :
u =
U f t
0
2.sin( . )

+
(12)
với
U
0
=
U U
R C0

2
0
2
+
(13)
tg

= -
U
U
C
R
0
0
= -
1
2

f CR.
(14)
Thay
RU
0R0
I=
và
C.f2
ZU
0
C0C0

I
I ==

vào (13), ta có biểu thức :

ZZRU
0
2
C
2
00
II =+=
(15)
với Z
C
là dung kháng của tụ điện :

C.f2
1
Z
C

=
(16)
và Z là tổng trở của mạch R-C đối với dòng điện
xoay chiều tần số f :

Z
=
R Z

C
2 2
+
(17)
Chia hai vế của (15) cho
2
, ta nhận đợc định
luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều R-C :

I

=
U
Z
(18)
trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện
thế và cờng độ dòng xoay chiều trong mạch R-C có
thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số.

4. Khảo sát mạch điện xoay chiều R-L
Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào
hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện trở
thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện
trở R (Hình 5).


Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong đoạn
mạch ở thời điểm t có dạng :
i =
I

0
2.sin .

f t

Khi đó : u = u
R
+ u
r
+u
L
(19)
Vì u
R
và u
r
cùng pha với i , còn u
L
nhanh pha /2
so với i, nên ta có thể viết :
u = U
oR
.sin 2

f.t +U
or
. sin 2

f.t + U
oL

.sin (2

f.t+/2)
(20)
Tơng tự trên, áp dụng giản đồ vectơ Fresnel
(Hình 6), ta tìm đợc :
u = U
0
.sin (2

f t. )+
(21)

với
U
0
=
oL
oroR
UUU
22
)( ++
(22)

tg

=
oroR
oL
UU

U
+
=
rR
Lf
+
.2

(23)

Thay U
0R
= I
0
.R , U
0r
= I
0
.r và U
0L
=I
0
.2

f.L vào
(22), ta có biểu thức :

22
00
)(

L
ZrRIU ++=
=
I
0
.Z
(24)

với Z
L
là cảm kháng của cuộn dây dẫn :
Z
L
=
L.f2

(25)
A B
L , r
~
U

A
V
Hình 5
C
R

E
R

B
V A
A
E
C
~U
C
Hình 3
4

và Z là tổng trở của mạch R-L đối với dòng điện
xoay chiều tần số f :

22
)(
L
ZrRZ ++=
(26)
Chia hai vế của (24) cho
2
, ta nhận đợc định
luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều R-L :

I
=
U
Z
(27)
trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện
thế và cờng độ dòng xoay chiều trong mạch R-L có

thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số.


IV. Trình tự thí nghiệm
1. Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn điện 12V-3A
(AC-DC POWER SUPPLY)



nguồn điện 12V-3A
AC-DC POWER SUPPLY P

A V 0

~12V +12V K


Hình 7

Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC (Hình 7) có thể
cung cấp :
Điện áp một chiều 0ữ12V đợc lấy ra từ hai cọc
đấu dây 612V phía phải, cung cấp dòng tối đa 3A,
có thể điều chỉnh liên tục nhờ núm xoay P. Hai
đồng hồ A và V lắp trên mặt bộ nguồn dùng chỉ thị
gần đúng điện áp và dòng điện ra (>1,5%).
Điện áp xoay chiều cố định ~12V lấy ra từ hai
lỗ đấu dây phía trái.
Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn bằng cách :
- Cắm phích lấy điện của bộ nguồn này vào ổ

điện xoay chiều ~220V trên bàn thí nghiệm.
- Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn : đèn LED của
nó phát sáng báo hiệu sẵn sàng hoạt động.
- Vặn từ từ núm xoay P theo chiều kim đồng hồ
đồng thời quan sát vônkế V trên mặt bộ nguồn. Nếu
kim chỉ thị của nó dịch chuyển đều đặn trên toàn
thang đo ( 0 12V) là đạt yêu cầu.
- Vặn trả lại núm xoay P về vị trí tận cùng bên
trái. Bấm khoá K để tắt bộ nguồn .

2. Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của bóng đèn dây tóc.
a. Mắc mạch điện trên bảng lắp ráp theo sơ
đồ hình 2. Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC cung cấp

điện áp một chiều biến đổi 0ữ12V (lấy trên hai

cực
12V của nó) cho bóng đèn dây tóc Đ (12V- 3W).
Dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202 làm
vônkế một chiều V và ampekế một chiều A .
b. Chọn thang đo cho hai đồng hồ :
Vônkế V đặt ở thang đo một chiều
DCV20V. Lỗ "V/

" là cực dơng (+), lỗ "COM"
là cực âm () của von kế. Sử dụng hai dây đo
có hai đầu phích ( hoặc có mỏ kẹp cá sấu) để
nối von kế song song với mạch điện
Ampekế A đặt ở thang đo một chiều DCA
10A. Lỗ 20A" là cực dơng (+), lỗ "COM" là cực

âm (). Sử dụng hai dây đo có hai đầu cốt để
mắc Ampe kế nối tiếp với mạch điện.

Sau khi thiết lập xong, Mời thày giáo kiểm tra mạch điện
trớc khi cấp điện cho mạch. Bấm khóa K trên mặt
bộ nguồn: đèn LED phát sáng, báo hiệu sẵn sàng
hoạt động .

c. Tiến hành đo : Bấm núm "ON/OFF" trên
vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động .
Vặn từ từ núm xoay P của bộ nguồn để điều
chỉnh hiệu điện thế U( chỉ trên vônkế hiện số V )
tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 10V. Đọc và ghi
các giá trị cờng độ dòng điện
I
tơng ứng ( chỉ
trên von kế số A ) vào bảng 1 .
d. Kết thúc phép đo : Vặn nhẹ núm xoay P về
tận cùng bên trái, Bấm khoá K để tắt bộ nguồn.
Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ để tắt
điện cho chúng .

3. Xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn.
Để xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc
đèn, ta phải đo điện trở cúa dây tóc đèn ở nhiệt độ
phòng. Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện , vặn
chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí 200
dùng nó làm ômkế để đo điện trở. Các cực "V/

"

và "COM" của ômkế đợc nối với hai đầu của
bóng đèn Đ.
Bấm núm "ON" trên mặt ômkế , đọc giá trị điện trở
dây tóc đèn và ghi vào bảng 1. Đọc và ghi giá trị
U
r
U
R
I
U
0L
U
0
U
L
Hình 6


5
nhiệt độ phòng t
p
trên nhiệt kế 0ữ100
0
C vào bảng
1. Bấm núm "OFF" để tắt điện cho Ômkế .
Ghi vào bảng 1 : giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp
chính xác và số n qui định đối với thang đo đã chọn
trên vônkế V và ampekế A (xem bảng các thông số
kỹ thuật của đồng hồ hiện số DT 9202 ở trang cuối
của tập tài liệu này).

4. Xác định điện dung của tụ điện trong mạch RC
a. Mắc mạch điện: Mắc tụ điện C và điện trở R
vào bảng điện nh trên sơ đồ hình 3. Điện áp xoay
chiều ~12V đợc lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V
trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện.
Tiếp tục dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9202
làm vônkế và ampekế xoay chiều .
b. Chọn thang đo cho hai đồng hồ :
Vônkế V đặt ở thang đo xoay chiều ACV 20V,
mắc song song với các đoạn mạch cần đo.
Ampekế A đặt ở thang đo xoay chiều ACA
200mA, Hai dây đo cắm vào 2 lỗ COM và A, rồi
mắc nối tiếp xen vào mạch điện giữa R và C bằng
hai đầu cốt( Hình 3 )
Sau khi thiết lập xong, Mời thày giáo kiểm tra
mạch điện trớc khi cấp điện cho mạch.

c. Tiến hành đo : Bấm núm "ON/OFF" trên
mặt vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động .
Bấm khoá K của bộ nguồn. Quan sát ,đọc và ghi
giá trị cờng độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào
bảng 2.
Dùng vônkế V lần lợt đo các giá trị hiệu điện
thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, U
R
giữa hai
đầu điện trở thuần R , và U
C
giữa hai đầu tụ điện

C, đọc và ghi vào bảng 2.
d. Kết thúc phép đo : Bấm khoá K để tắt bộ
nguồn. Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ
để tắt điện cho chúng .
Ghi vào bảng 2 : giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp
chính xác và số n qui định đối với thang đo đã chọn
trên vônkế và ampekế.

5. Xác định hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn
trong mạch RL

a. Mắc mạch điện : Mắc cuộn dây dẫn có điện
trở thuần r, hệ số tự cảm L nối tiếp với điện trở R
vào bảng lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình 5. Điện
áp xoay chiều ~12V đợc lấy từ hai lỗ ra xoay
chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho
mạch điện. Vẫn dùng hai đồng hồ đa năng hiện số
DT9202 làm vônkế và ampekế xoay chiều .
b. Chú ý : Giữ nguyên vị trí thang đo của
vônkế xoay chiều V và ampekế xoay chiều A nh
trong thí nghiệm khảo sát mạch điện RC nêu trên.
Mời thày giáo kiểm tra mạch điện trớc khi nối
mạch điện cần đo với bộ nguồn 12V-3A/AC-DC.

c. Tiến hành đo : Bấm núm "ON/OFF" trên
mặt vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động .
Bấm khoá K của bộ nguồn. Quan sát ,đọc và ghi
giá trị cờng độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào
bảng 3.
Dùng vônkế V lần lợt đo các giá trị hiệu điện

thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, U
R
giữa hai
đầu điện trở thuần R , và U
L
giữa hai đầu cuộn dây
dẫn L, đọc và ghi vào bảng 2.
d. Kết thúc phép đo : Bấm khoá K để tắt bộ
nguồn. Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ
để tắt điện cho chúng .
e. Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện , vặn
chuyển mạch chọn thang đo của nó về vị trí 200
hoặc 2k dùng nó làm ômkế để đo điện trở thuần r
của cuộn dây. Các cực "V/

" và "COM" của
ômkế đợc nối với hai đầu của cuộn dây L.
Bấm núm "ON" trên mặt ômkế , đọc giá trị điện trở
r của cuộn dây và ghi vào bảng 3.
Sau đó, bấm núm "ON/OFF" tắt điện cho ômkế
Ghi vào bảng 3 : giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp
chính xác và số n đợc qui định đối với thang đo đã
chọn trên vônkế V, ampekế A và ômkế .

V. Tính toán kết quả đo
1. Dựa vào các cặp giá trị của I, U tơng ứng, và
các giá trị R
p
và t
p

thu đợc trong bảng 1, hãy :
vẽ đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng
đèn dây tóc.
Xác định nhiệt độ T của dây tóc đèn Đ nóng
sáng khi giữa hai cực của đèn có hiệu điện thế
V10U =
dựa theo các công thức (3), (7) và
(8).
2. Dựa vào các giá trị
I
, U , U
R
, U
C
đo đợc trong
bảng 2 để xác định :
tổng trở
I
U
ZRZ
2
C
2
=+=

điện trở thuần
I
R
U
R =

dung kháng
I
C
C
U
Z =

điện dung
CC
U.f.2Z.f.2
1
C

I
==

với f = 50Hz

1% là tần số lới điện quốc gia.