De elektrisch verwarmde weerstand

Datum: september 2002

Principe:

Door een draad aan te sluiten op een spanningsbron warmte deze op.

Materiaal:

  • multimeters
  • voedingsbron of batterij
  • temperatuurmeter
  • rheostaat: konstantaandraad met een diameter van 0.2 mm gewikkeld op een plaatje geÔsoleerd materiaal.

Uitvoering:

Bouw de opstelling op volgens het schema hiernaast.

Sluit de spanningbron aan en meet tijd,temperatuur, spanning en stroom.

Bepaal de weerstand van de draad met de weerstandsmetings functie van de multimeter.

De temperatuur van de draad kun je meten door de sensor erop te leggen.

Resultaat:

De gemeten weerstandswaarde: 36.0 Ohm.

(m:ss)
Temperatuur 
(įC)
U
(V)

(mA)

meting en opstelling

0 21.7 8.79 212
1:13 33.0 8.81 211
2:00 39.0 8.81 211
2:30 41.2 8.80 211
3:00 42.4 8.80 211

We zien dat de temperatuur van de draad onmiddellijk omhoog gaat terwijl spanning en stroomsterkte constant blijven. De stijging vlakt na enige tijd af zoals te zien is in onderstaande figuur.

Discussie en conclusie:

Met de wet van Ohm (U=I*R) en P=U*I kunnen we de weerstand van de draad en het vermogen berekenen.

t 
T
U
I 
R
P
(m:ss)
(įC)
(V)
(mA)
(Ohm)
(Watt)
00:00
21,7
8,79
212
41,5
1,86
01:13
33,0
8,81
211
41,8
1,86
02:00
39,0
8,81
211
41,8
1,86
02:30
41,2
8,80
211
41,7
1,86
03:00
42,4
8,80
211
41,7
1,86

Op basis van de metingen kunnen we uitrekenen hoeveel Joule we gedurende de meting aan de draad hebben toegevoegd nl. W = U * I * t = 8.79 * 0.212 * 90 = 167.4 J (40 cal).

De temperatuurtoename neemt af aangezien het warmteverlies naar de omgeving steeds groter wordt.

We zien onmiddellijk dat de op deze manier berekende weerstandswaarde niet overeenkomt met de directe meting via een multimeter. Een goede verklaring heb ik nog niet gevonden. Het is wel zo dat bij toename van de temperatuur de weerstand toeneemt. Dat is echter geen goede verklaring aangezien U en I constant blijven.

Metalen geleiden elektriciteit aangezien de atomen in het materiaal de elektronen niet extreem sterk vasthouden waardoor vrije elektronen gecreŽerd worden die een negatieve lading dragende door de draad bewegen. Weerstand wordt veroorzaakt als de elektronen die naar de + stromen als het ware over atomen heen moeten springen. Als we dus de draad twee keer zo lang maken verdubbelen we het aantal atomen in de draad en dus het het aantal benodigde sprongen hetgeen betekent dat er twee keer zoveel energie nodig is.

Hoe dunner de draad des te minder kanalen er aanwezig zijn waardoor de elektronen kunnen stromen, de energie kan zich minder verspreiden waardoor de weerstand toeneemt. Als het oppervlak van de draad toeneemt met een factor 2, neemt het aantal mogelijke routes voor de stroom toe, hierdoor wordt de energie twee keer zoveel verspreid en kan de weerstand eventueel halveren. 

Opmerkingen:

  • Een rheostaat is hetzelfde als een variabele weerstand. Dat effect kan men in deze opstelling bereiken door de stroomkring in de draad zelf te sluiten.

  • Constantaan is een composiet van koper, nikkel en mangaan (zie de tabel hierbeneden).

Literatuur:

  • IR.J.T.van Konijnenburg; "Natuurkunde Zien end Doen"; Agon Elsevier (Heron); 1973; ISBN 9010104354; blz. 85-83;94-96
  • "BINAS"; Wolters-Noordhoff; 1977; ISBN 9001893546; blz.18

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Het experiment hierboven is eigenlijk het principe van vele elektrische apparaten zoals elektrische radiatoren, strijkijzers, elektrisch fornuis, elektrische waterkoker, etc.

CONSTANTAAN eenheid  
samenstelling  massa %  54% Cu; 45% Ni; 1% Mn
dichtheid (T=293 K)  103 kh m-3  8.9
elasticiteitsmodulus  1010 Pa 11
lineaire uitzettingscoŽfficiŽnt
(T = 273 -373 K)
10-5 K-1  1.5
soortelijke warmte  102 J kg-1 K-1 4.1
warmtegeleidingscoŽfficiŽnt 
(T=293 K)
102 W m-1 K-1 0.22
smelttemperatuur(p=p0) K 1540
soortelijke weerstand (T=293 K)  10-8 Ohm m  45
weerstandstemperatuurcoŽfficiŽnt  10-3 K-1 0.05

12-01-2017