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

141 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

4205. Дослідження вхідних і вихідних характеристик транзисторів 179 KB
  Дослідження вхідних і вихідних характеристик транзисторів Мета роботи: отримання експериментальним шляхом вхідних і вихідних характеристик транзисторів, отримання навичок роботи з довідковою літературою. Схема дослідження характеристик тр...
4206. Условная функция. Использование диапазона клеток с применением статических функций 162.52 KB
  Условная функция Цель: Научится: Пользоваться диапазоном клеток и стандартными статическими функциями. Использовать логические функции. Создавать сложные формулы. Работать с несколькими листами. Составлять логические выражения. Ход работы Используя...
4207. Електробезпека. Основні причини та особливості електротравм 226.5 KB
  Електробезпека. Основні причини та особливості електротравм. Електробезпека — система організаційних і технічних заходів та засобів, що забезпечують захист людей від шкідливої і небезпечної дії електричного струму, електричної дуги, електричног...
4208. Надання першої допомоги при ураженні електричним струмом 160 KB
  Надання першої допомоги при ураженні електричним струмом Людина, яка надає першу долікарську допомогу, повинна знати: характерні ознаки порушення функцій організму потерпілого загальні принципи надання першої долікарської допомоги при отриманих ушк...
4210. ФСП НТУУ КПІ з позиції концепції управління за цілями 276.5 KB
  Вступ Метою даної роботи є аналіз діяльності ФСП НТУУ КПІ з позиції концепції управління за цілями. Спираючись на мету, я виділила наступні завдання для вирішення у даній роботі: --встановити основні положення концепції управління за цілями, її ет...
4211. Логотипи, бренди та слогани на сучасному ринку 1018 KB
  Мифы и легенды брендов Мифы и легенды давно стали условием успешности бренда на рынке. Продукт, о котором невозможно рассказать историю, брендом не является. Известные бренды окутаны мифами и легендами половина из которых это реальные факты из ис...
4212. Юстування супутникової антені за допомогаю спектроаналізатора ST-2 Rover 6.66 MB
  Отримати практичні навики налаштування приймальної офсетної дзеркальної антени на супутник телевізійного мовлення за допомогою аналізатора SAT/TV сигналов ST-2.
4213. Асиметричні алгоритми кодування 144.61 KB
  Асиметричні алгоритми кодування. Загальні відомості про криптоалгоритми В асиметричних криптоалгоритмах для шифрування повідомлення використовується один ключ, а для розшифровки інший. Ключ шифрування відомий усім, але перетворення є незворотним, т...