2533

Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора

Лабораторная работа

Физика

Изучить теорию зарядки и разрядки конденсатора, экспериментально получить зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке и разрядке.

Русский

2013-01-06

125.98 KB

147 чел.

Дата       Фамилия      Группа

 

Лабораторная работа №26

I.Название работы:

Изучение процессов зарядки и разрядки конденсатора.  

Цель работы:

Изучить теорию зарядки и разрядки конденсатора, экспериментально получить зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке и разрядке.

II.Краткое теоретическое обоснование:

Возникновение переходных процессов

В электрических цепях могут происходить включения или выключения пассивных (не содержащих источники энергии) или активных (содержащих источники энергии) ветвей, кроткие замыкания отдельных участков, различного рода переключения, внезапные изменения параметров и т. д. В результате таких изменении, называемых часто коммутационными или просто коммутациями, которые будем считать происходящими мгновенно, в цепи возникают переходные процессы, заканчивающиеся спустя некоторое (теоретически бесконечно большое) время после коммутации.

Законы коммутации

1.В любой ветви с индуктивностью ток и магнитный поток в момент коммутации сохраняют те значения, которые они имели до коммутации, и дальше начинают изменяться именно с этих значений.

2. В любой ветви напряжение и заряд на емкости сохраняют в момент коммутации те значения, которые они имели до коммутации, и в дальнейшим изменяются, начиная именно этих значении.

В дальнейшим мы будем изучать только изменение напряжения на конденсаторе при коротком замыкании цепи RC (ветви, имеющей последовательное соединение сопротивления R емкости С) и включении этой цепи RC  на постоянное напряжение, т.е. процессы разрядки и зарядки конденсатора.

Разрядка конденсатора

Зарядим разряженный конденсатор емкостью С путем перевода переключателя П в положение 1 (см рис. 11.1) до некоторого напряжения Uco

 Uc= Uco                                                                                                                                               (11.1)

В частности, при бесконечно большом времени зарядки   t  Uco

Затем переключатель П мгновенно перевести в положение 2, и конденсатор разряжается через сопротивление R. Введем следующие обозначения:

Uc мгновенное значение напряжения на конденсаторе;

Uco напряжение на конденсаторе при начале разрядки;                   

UR –мгновенное значение напряжения на сопротивлении; 

i  мгновенное значение тока в цепи;

q – заряд на обкладке конденсатора. 

                                UR = Ri = R • (dq/dt),       UC = (1/C)q                 (11.2)

Напомним второй закон Кирхгофа: в любом контуре алгебраическая сумма эдс равна алгебраической сумме напряжений на сопротивлениях, входящих в этот контур. Поэтому можно записать

                                 UR + UC = 0 ,                                 (11.3)

Из уравнений (11.2) и (11.3) получим                 

R (dq/dt) + (1/C)q=0

Преобразуем это уравнение к следующему виду

                                               (dq/dt)+ (1/RC)q=0                            (11.4)

Уравнение (11.4) представляет собой линейное однородное дифференциальное уравнение 1-го порядка. Его легко проинтегрировать, разделив переменные, т.е. записав в виде

dq/q = – (1/RC) dt

откуда следует

∫ (1 / q) dq = – ∫ (1/RC) dt

Взяв интегралы, получим

lg q = – (t/RC) + ln const

(имея в виду дальнейшие преобразования, мы постоянную интегрирования написали в виде ln const).                                                                         

Потенцирование этого соотношения дает

(q / const) = e – (t / RC)

отсюда                                           q = const e – (t / RC)                        (11.5)

Выражение (11.5) является общим решением уравнения (11.4). Значение const найдем из начальных условий. При t = 0 из (11.1) и (11.2) получим

q = UcoC

После подстановки полученного выражения в уравнение (11.5) получим:

UcoC = const e – (0 / RC) = const 1               

Поэтому уравнение (11.5) может быть представлено в следующем виде:

q = UcoC • C • e – (t / RC)

Разделив левую и правую части этого уравнения на С с учетом (11.2) можно записать

UC  = Uco   e – (t / RC)

Из (11.6) следует, что при коротком замыкании цепи R, С напряжение на конденсаторе убывает по экспоненциальному закону от Uco при t = 0 от 0 при     t=∞. Теоретически UC будет всегда больше нуля, т. к. t всегда конечная величина.

Зарядка конденсатора.

При полной разрядке конденсатора (при нулевом показании вольтметра, измеряющего напряжение на конденсаторе) мгновенно переключим переключатель П в положение 1 (см. рис.11.1)

По второму закону Кирхгофа можно записать:                        

                                   UR + UC = ε                                  (11.7)

(11.7) получим:

R (dq / dt) + (1 / C)q = ε

преобразуем это уравнение к следующему виду:

                         (dq / dt) + (1 / RC) q =  ε / R                    (11.8)

    Уравнение    (11.8)    представляет    собой    линейное    неоднородное    дифференциальное уравнение 1-го порядка. Как известно из теории дифференциальных уравнений, общее решение линейного неоднородного дифференциального уравнения можно получить, прибавив любое его частное решение к общему решению соответствующего однородного уравнения.         Уравнение   (11.5)   дает   общее   решение   однородного   уравнения.    Частное   решение получим  из условия,   что   конденсатор заряжается до напряжения  UС = ε при бесконечно большом времени зарядки t. Поэтому

                                    qчастн = ε C                                       (11.9)

Сложив (11.5) и (11.9), получим

                                 q = ε C + const e – (t / RC)                    (11.10)                   

Найдем const из начального условия при t = 0, UC = 0, q = 0.

0 = ε  Cε C  e – (t / RC)

const = ε  C

Тогда из (11.10) будем иметь:

q = ε  Cε C  e – (t / RC)

Разделив это уравнение на С, с учетом (11.2), запишем:

                               UС = ε (1 – e – (t / RC))                                (11.11)

Из уравнений (11.6) и (11.11) следует, что напряжение на емкости изменяется по экспоненциальному закону. Напряжение уменьшается или возрастает тем медленнее, чем больше произведение RС. Поэтому произведение RС называют постоянной времени и обозначают буквой  τ (тау).

                                            τ = RС                                   (11.12)

Найдем физический смысл постоянной времени τ. В соответствии с (11.6)

(UC / UC (t + τ)) = (UCO  e – (t / RC)) / (UCO  e – (t+τ ) / (RC)) = e  (τ / RC) = e  (RC / RC) = e

UC  (t + τ) = UC (t) / e

Следовательно, τ – это время, за которое напряжение на конденсаторе уменьшится в е раз.

Постоянную времени τ называют также временем релаксации (от латинского «relaxatio» – ослабление, уменьшение напряжения).

Найдем уравнение касательной к экспоненте (11.6) с учетом (11.12).  

dUC / dt = UCO  e – (t / τ) (– (l / τ)) = – UC / τ = tg α

Экспонента (.11.6) и касательная к ней в момент t показаны на рис. 11.2.

Из  рис. 11.2 следует, что τ – это время, за которое напряжение на конденсаторе достигло бы установившегося значения UC=0, если с момента t скорость изменения напряжения на конденсаторе не изменялась бы.   

III.Рабочие формулы и единицы измерения.

τ = RС                     UR + UC = ε

IV.Схема установки.

V.Измерительные приборы и принадлежности.

  1.  Конденсатор
  2.  Секундомер
  3.  Элемент питания

VI.Результаты измерения.

Изменение напряжения Uc, B

Время изменения напряжения t ,c

Среднее время tср, с

      от                  до

1-ый опыт     2-ой опыт

       0                  0,1             

      4,45                5,3

4,875

       0                  0,2

       9,6                10,4

10

       0                  0,3

       16                 16,6

16,3

       0                  0,4

      24,6               25,7

25,15

       0                  0,5

      36,1               37,3

36,7

       0                  0,6

        52                53,2

52,6

Изменение напряжения Uc, B

Время изменения напряжения t ,c

Среднее время tср, с

      от                  до

1-ый опыт     2-ой опыт

       0,7                  0,6             

      2,9                  2,6   

2,75

       0,7                  0,5

      5,5                  5,2

5,35

       0,7                  0,4

      8,9                  8,7

8,8

       0,7                  0,3

     14,1                13,4

13,75

       0,7                  0,2

       27                 21,1

24,05

VII. Черновые записи и вычисления.

tср = (9,6 + 10,4) / 2 =10                                        tср = (2,9 + 2,6) / 2 = 2,75

tср = (16 + 16,6) / 2 =16,3                                      tср = (5,5 + 5,2) / 2 = 5,35

tср = (24,6 + 25,7) / 2 =25,15                                 tср = (8,9 + 8,7) / 2= 8,8

tср = (36,1 + 37,3) / 2 =36,7                                   tср = (14,1 + 13,4) / 2 = 13,75

tср = (52 + 53,2) / 2 =52,6                                      tср = (27 + 21,1) / 2 = 24,05

VIII. Основные выводы.

Мы изучили теорию зарядки и разрядки конденсатора, экспериментально получили зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке и разрядке.

IX. Графики.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32525. БЛОЧНО-МОДУЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩЕГОСЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПРМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 41 KB
  ППС и методика их использования БЛОЧНОМОДУЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩЕГОСЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПРМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ. Блочномодульная структура деятельности учащегося в технологии применения ПС Необходимо отметить два направления к которым ведет использование средств информационных технологий. Усложнение технических средств влечет за собой обогащение форм деятельности. Можно утверждать что внедрение средств новых информационных технологий влияет на духовную эмоциональную коммутативную и деятельностную сферы жизни человека.
32526. КРИТЕРИИ ЭФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 37.5 KB
  Технология применения ПС в учебном процессе имеет специфику в том что в качестве основного средства обучения используются программные средства это частнодидактическая технология имеющая приложения для всех общеобразовательных дисциплин в школе. В качестве критериев оценки технологии применения ПС отобраны следующие: 1 критерии среды обучения оценивались по соответствию педагогическим условиям реализации технологии применения ПС эмоциональному фону урока и общению между учителем и учащимися; 2 критерии эффективности программных средств...
32527. РОЛЬ И МЕСТО ИНФОРМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ОБУЧЕНИЯ В ШКОЛЕ. СВЯЗИ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ ИНФОРМАТИКИ С ДРУГИМИ ПРЕДМЕТАМИ 69.5 KB
  СВЯЗИ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ ИНФОРМАТИКИ С ДРУГИМИ ПРЕДМЕТАМИ Роль и место информатизации процесса обучения в школе В стандартах по информатике [11] были определены следующие педагогические функции образовательной области связанной с информатикой: Формирование основ научного мировоззрения. В современной психологии отмечается значительное влияние изучения информатики и использования компьютеров в обучении на развитие у школьников теоретического творческого мышления а также формирование нового типа мышления так называемого операционного...
32528. ДИАЛЕКТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ВНЕДРЕНИЯ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС. ВНЕШНИЕ И ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЙ ОБУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 61 KB
  ВНЕШНИЕ И ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЙ ОБУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Чтобы осознать влияние средств информационных технологий на процесс обучения необходимо выявить движущие силы педагогического процесса в условиях применения программных средств необходимо вскрыть диалектический характер развития педагогических технологий при использовании программных средств. Влияние программных средств информационных технологий на диалектические закономерности процесса обучения Влияние СИТ на существующие...
32529. ОБЩЕДИДАКТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ. ЧАСТНО_МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ 54 KB
  ЧАСТНО_МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОТРАЖАЮЩИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ Дидактические принципы применения программных средств в процессе обучения Общедидактические принципы использовании ПС в процессе обучения. Для достижения стабильных и высоких результатов в обучении педагог должен следовать принципам обучения основным нормативным положениям которыми следует руководствоваться чтобы обучение было эффективным. Для совершенствования психологических характеристик учащихся существуют специальные развивающие...
32530. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧИТЕЛЯ-ПРЕДМЕТНИКА 1.2 MB
  ППС и методика их использования ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧИТЕЛЯПРЕДМЕТНИКА Использование электронных таблиц на уроках физики: Законы отражения и преломления света Рисованные объекты. Или угол падения равен углу преломления или угол преломления равен углу отражения или вообще все углы равны или наоборот между ними разница в 90 градусов. Но вот отразится и преломится свет в точке падения обозначенной буквой S совсем не так как указывают ему направления SB и SC поскольку проведены они с нарушением обоих...
32531. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕКТОРНЫХ ГРАФИЧЕСКИХ РЕДАКТОРОВ НА УРОКАХ ГЕОМЕТРИИ 378 KB
  Паркет называется правильным если он составлен из равных правильных многоугольников.3 Примеры правильных паркетов дают заполнения плоскости: а квадратами рисунок 1; б равносторонними треугольниками рисунок 2; в правильными шестиугольниками рисунок 3. Докажем что других правильных паркетов не существует. Действительно углы правильного гаугольника равны 180 Заполним таблицу состоящую из углов  правильных n угольников.
32532. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧИТЕЛЯ-ПРЕДМЕТНИКА 1.5 MB
  Для отображения даты подходящей будет ориентация текста под углом в 90 градусов для всей третьей строки и горизонтальное и вертикальное выравнивание по центру а для ячейки S3 ещё и с переносом по словам. Вообще полученный список имеет смысл запомнить на будущее поскольку он наверное потребуется ещё не раз и в других таблицах связанных с классом. Поскольку сдвиг будет производиться вертикально вниз то во всех фигурирующих в формуле адресах цифровая составляющая увеличится на единицу для следующей строки затем ещё на единицу для...
32533. Использование графического редактора для решения задач на разрезание 351 KB
  Рассмотрим линии разбивающие фигуру Ф на части из которых можно составить фигуру Ф' и кроме того линии разбивающие фигуру Ф на части из которых можно составить фигуру Ф . Те и другие линии разбивают фигуру Ф на более мелкие части из которых можно составить как фигуру Ф' так и Ф . Доказанная теорема позволяет в принципе разрезать один из двух равновеликих многоугольников на части и сложить из них другой многоугольник. Фигура будет разрезана на две части вдоль прямой линии.