3. Изучение вольтамперных характеристик лампы

Вольтамперная характеристика - зависимость тока в неком элементе от приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) данного элемента это график функции I = f(U). Для металлических проводников и электролитов сила тока прямо пропорциональна напряжению. Здесь, как правило, выполняется закон Ома. Поэтому вольтамперная характеристика такого проводника имеет вид прямой линии проходящей через начало координат. Или I = k·U, здесь k - тангенс угла наклона прямой. В данном случае k = ΔI/ΔU и он численно равен 1/R. Здесь R – сопротивление элемента.

В ряде элементов вследствие разного рода физических процессов ток зависит от приложенного напряжения. ВАХ такого элемента уже не будет описываться прямой линией. Такие элементы называют нелинейными.

Для нелинейных элементов вводится понятие дифференциального сопротивления R = dU/dI. На практике дифференциальное сопротивление при заданном значении напряжения определяется по известной ВАХ элемента. Для этого на ВАХ выбирают относительно линейный участок, и вычисляют:

R = ΔU/ΔI. (13.1)

Одним из примеров нелинейных проводников является электрическая лампа. Для получения света в лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании электрического тока (тепловое действие тока). До включения в сеть нить лампы находится при комнатной температуре, её сопротивление относительно невелико. В первый момент после включения по нити протекает очень большой ток, который в три-пять раз больше рабочего тока лампы. Температурная зависимость сопротивления от температуры для чистых металлов дается выражением:

R_t = R₂₀[1+(t - 20C)], (13.2)

где R₂₀ - сопротивление проводника при 20 С,  - температурный коэффициент сопротивления вольфрама. Вследствие температурной зависимости сопротивления проводника за короткое время сопротивление нити увеличивается в десятки раз, что приводит уменьшению тока протекающего через лампу. При номинальном напряжении U сопротивление лампы можно определить из выражения:

R = U²/P,

где Р – мощность лампы. Либо необходимо независимо измерить номинальный ток и рассчитать R по закону Ома.

Если измерить сопротивление лампы при напряжении много меньшем чем номинальное напряжение, можно считать, что температура нити порядка комнатной. Из выражения (13.2), зная сопротивление нити лампы при комнатной температуре R₂₀ и в разогретом состоянии R_t, можно оценить температуру нити лампы. Из (13.2) можно получить:

t = (R_t – R₂₀ + 20·α ·R₂₀)/α·R₂₀ (13.3)

Сильная зависимость сопротивления нити лампы от температуры приводит к тому, что в широком диапазоне напряжений закон Ома не выполняется. Поэтому ВАХ лампы отклоняется от прямой линии.

В данной работе изучается ВАХ индикаторной лампочки.