Feladat: 264. fizika mérési feladat Korcsoport: 16-17 Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Illés Máté ,  Kocsis Vilmos ,  Kőrösi Márton ,  Láng Marcell ,  Meszéna Balázs ,  Mirk Katinka ,  Tüzes Dániel 
Füzet: 2006/november, 504 - 505. oldal  PDF file
Témakör(ök): Elektromos mérés, Mérési feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2005/november: 264. fizika mérési feladat

Egy huzamosabb ideje működő volfrámszálas olvasólámpa villásdugóját húzzuk ki a konnektorból. Mérjük meg, hogyan változik a lehűlő izzószál ellenállása az idő függvényében.
Mennyi idő alatt csökken az ellenállás az üzemi érték felére?

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Megoldás. A felhasznált eszközök: 12 V-os adapter, kapcsoló, 0-tól 1000 Ω-ig változtatható ellenállású potenciométer, 3 db 6 V-os és 6 W-os izzó, vezetékek, multiméter és egy digitális fényképezőgép (mozgóképfelvevő funkcióval).
A mérés elve: Amikor az izzóra feszültséget kapcsolunk, akkor az felmelegszik, világítani kezd, és az ellenállása (a volfrám izzószál hőfoktényezője miatt) a kezdeti érték többszörösére is megnőhet. Az áram kikapcsolása után az izzó sugárzása szinte azonnal megszűnik, viszont a szál még mindig nagyon meleg, csak jónéhány másodperc alatt hűl le.
A lehűlő testek hőmérséklete (pontosabban a környezethez viszonyított hőmérsékletkülönbsége) általában az idő exponenciálisan csökkenő függvénye, az ellenállás és a hőmérséklet között pedig (a vizsgált tartományban) R(T)=R0(1+αT) alakú lineáris kapcsolatot tételezhetünk fel, ezért azt várhatjuk, hogy a lehűlő izzó ellenállása is exponenciálisan csökken időben.
A mérés menete: Előzetes kísérleteim során ellenállásmérőt és olvasólámpát használtam. Még ha ki is tudtam küszöbölni az érintkezési hibákat, azt tapasztaltam, hogy az izzó a mérés kezdetére már gyakorlatilag teljesen kihűlt. Szerettem volna a kontakthibákat is kiküszöbölni, valamint a lehűlést lassítani, ezért az ábrán látható kapcsolást állítottam össze. (A K kapcsolót és minden vezetéket stabilan rögzítettem, hogy ne lépjenek fel érintkezési hibák.)

 
 

Ha a K kapcsoló zárt, akkor mindhárom (azonosnak tekinthető) izzó egyforma fényerővel ég. Amikor nyitjuk a kapcsolót, akkor az izzókhoz képest nagy R ellenálláson esik a feszültség nagy része, az izzók teljesen kialszanak, de rajtuk továbbra is folyik egy kevés áram. U és R ismeretében és egyetlen műszer, az árammérő figyelésével I a kör eredő ellenállása meghatározható, és ebből az egyes izzók időben változó ellenállása mérhető:
r(t)=13(UI(t)-R).
A jelenség még így is viszonylag gyorsan játszódott le, ezért videofelvételen rögzítettem, majd másodpercről másodpercre kikockáztam a felvételt. Különböző R ellenállások mellett mértem, és az izzók ellenállásának változását 30 másodpercig követtem nyomon. Az eredményeket táblázatokba foglaltam és grafikusan is ábrázoltam.
A mérés kiértékelése: Az izzók ellenállása R=265Ω-nál 6,7 s alatt csökkent az üzemi érték felére, és ez az idő R=505Ω-nál 3,4 s, végül R=1023Ω-nál 0,9 s volt. Az eredeti kérdésfeltevésnek R felelne meg, ezt legjobban a legnagyobb, R1kΩ ,,közelíti meg''. Ebből (és esetleges extrapolációból) azt állíthatjuk, hogy az izzók ellenállása kb. 0,5‐1 s alatt csökken le a kezdeti érték felére.
Hibabecslés: A legnagyobb hibát R változása, az áramerősségen keresztül a hőmérséklettől való függése okozta. Hibaforrást jelentett a mérésnél felhasznált sok vezetéken eső feszültség, a digitális műszer ,,tehetetlensége'', a kontaktusokból származó érintkezési hibák. Összességében a mérés pontossága néhány százalékosnak tekinthető.