L. Gratton Appunti per il corso di Laboratorio di Fisica per le Scuole Superiori L.Gratton Trento AA 2000-01 Misura contemporanea di corrente e di tensione Ci si propone di studiare il seguente circuito in corrente continua. Dallo schema si ricavano le seguenti relazioni. E = i(Rc + R1 ) V AB = iRc Vogliamo misurare contemporaneamente i e V. Dobbiamo utilizzare due strumenti. Abbiamo due possibilità di inserire gli strumenti nel circuito. 1) Voltmetro a valle dell’amperometro. Lo schema del circuito è il seguente. In questo caso si ha che la VAB è proprio la tensione misurata dal voltmetro Vmis. Tuttavia la corrente misurata è più grande di quella che attraversa la resistenza di carico Rc in quanto la imis si partisce tra la Rc e la RV. Abbiamo pertanto: imis > i Rc L’errore sistematico relativo che si commette (per eccesso) è dato da err = imis − i RV iRc Tale errore può essere trascurato soltanto se risulta: err < ∆i Dove con ∆i è stata indicata la risoluzione dello strumento (nel caso in esame è l’1% del fs utilizzato dato che il tester a disposizione è di classe 1). Vediamo da cosa dipende e come valutare quando si può o meno trascurarlo. 1 Università di Trento Facoltà di Scienze L. Gratton Appunti per il corso di Laboratorio di Fisica per le Scuole Superiori Un’analisi qualitativa ci fa osservare subito che si deve avere RV>>Rc: in questo caso infatti quasi tutta la corrente passa attraverso Rc. Questo modo di effettuare la misura andrà scelto pertanto quando si è in tale situazione. Quantitativamente abbiamo: R iV = i c RV i mis = iV + iRc Si ricava: i Rc = i mis RV RV + Rc Sostituendo si ottiene: i mis − i mis err = RV RV + Rc RV RV + Rc imis Dopo le opportune semplificazioni si ricava finalmente la condizione cercata. err = Rc RV L’errore sistematico per eccesso commesso dipende dal rapporto tra Rc ed RV. Ricordando che ∆i=0.01ifs possiamo scrivere: Rc < 0.01 RV L’errore sistematico commesso risulta mascherato dall’errore strumentale se si ha RV>100Rc. In caso contrario è necessario apportare una correzione alla misura oppure scegliere, se conveniente, un’altra configurazione per la misura. 2) Voltmetro a monte dell’amperometro Lo schema di assemblaggio della misura è il seguente. In questa situazione la imis risulta proprio uguale alla corrente che attraversa la Rc. La tensione misurata risulta tuttavia maggiore della tensione ai capi della resistenza Rc a causa della caduta di tensione sulla resistenza dell’amperometro RA. Si ha pertanto: 2 Università di Trento Facoltà di Scienze L. Gratton Appunti per il corso di Laboratorio di Fisica per le Scuole Superiori Vmis > VR c Pertanto la misura di VAB è affetta da un errore sistematico per eccesso. Tale errore relativo vale: err = Vmis − VRc VRc Tale errore può essere trascurato soltanto se risulta: err < ∆V Dove ∆V e la risoluzione dello strumento, che, nel caso del tester, è dell’1% del fs utilizzato. Qualitativamente si vede che questa configurazione è adatta alle situazioni in cui la resistenza interna dell’amperometro RA è molto minore di Rc. Per ricavare una relazione quantitativa conviene procedere nel seguente modo. Abbiamo che: Vmis = i mis (R A + Rc ) V Rc = imis Rc Sostituendo i mis (R A + Rc ) − i mis Rc R A = imis Rc Rc Cioè, per quanto detto sulla risoluzione dello strumento, si deve avere: err = RA < 0.01 Rc Affinché l’errore dovuto alla risoluzione strumentale mascheri l’errore sistematico si deve avere che RA<0.01Rc. In caso contrario si deve apportare una correzione alla misura. In conclusione per effettuare misure i V nella condizione ottimale si deve scegliere la configurazione più opportuna considerando i valori relativi di Rc, RA ed RV. Sarebbe anche indispensabile conoscere i valori delle resistenze interne degli strumenti (e del generatore): inoltre se si verificano le condizioni qui descritte può essere opportuno (ed in alcuni casi indispensabile) effettuare delle correzioni ai valori di i e di V misurati per tenere conto dell’errore sistematico introdotto nella misura. 3 Università di Trento Facoltà di Scienze