2637

Определение емкости конденсатора и батареи конденсаторов

Лабораторная работа

Физика

Определение ёмкости конденсатора и батареи конденсаторов  Цель работы: определение ёмкости конденсатора и батареи из двух конденсаторов при их параллельном и последовательном соединении. Описание установки В состав лабораторной установки входят...

Русский

2012-11-12

371 KB

140 чел.

Определение ёмкости конденсатора и батареи конденсаторов

 Цель работы: определение ёмкости конденсатора и батареи из двух конденсаторов при их параллельном и последовательном соединении.

Описание установки

В состав лабораторной установки входят: лабораторный модуль, источник питания ИП, стрелочный микроамперметр.

Электрическая схема лабораторного модуля изображена на его

передней панели (рис. 2.1). Внутри лабораторного модуля на печатной плате смонтированы: поляризационное реле типа РПС–32А, а также два конденсатора. Конденсаторы подключаются к источнику питания с помощью гибких выводов со штекерами. К гнездам "РА" подключается микроамперметр. Один из гибких выводов подключён через поляризационное реле, а второй – непосредственно к источнику тока. Переменное питание на реле подается через тумблер "РПС" и кнопку "К" с нормально разомкнутыми контактами.

В первую половину периода замыкаются контакты реле, через которое подается напряжение на гибкие выводы, и конденсатор заряжается. Контакты, в цепь которых включен микроамперметр, разомкнуты. Во вторую половину периода размыкаются контакты реле, через которые подается напряжение на конденсатор, и замыкаются контакты, через которые к заряженному конденсатору подключается измерительный прибор. Этот процесс проходит с частотой питания обмотки поляризационного реле, равной 50 Гц.

Вывод расчётной формулы

За время Т, равное периоду перезарядки конденсатора, через микроамперметр пройдёт заряд Q, величина которого определяется площадью (рис. 2.2), ограниченной кривой тока разряда конденсатора i(t) и осью времени t. С другой стороны, Q можно определить через площадь, ограниченную прямой I = const и осью времени t в пределах периода перезарядки конденсатора. Здесь I – среднее значение тока, которое показывает микроамперметр. Обе площади, выделенные на рис. 1.3, равны, следова-тельно, можно записать

.                                            (1.1)

Напряжение U, заряд конденсатора Q и ёмкость конденсатора С связаны известным соотношением

Q = CU.                                                  (1.2)

Приравнивая (1.1) и (1.2), а также учитывая соотношение = 1/Т, где - частота перезарядки конденсатора, равная частоте питания поляризационного реле 50 Гц, получим формулу для расчёта ёмкости конденсаторов или их соединений

                                                 (1.3)

Подготовка модуля к работе.

1. Подсоединить к гнездам "РА" микроамперметр.

2. Подключить к лабораторному модулю источник питания ИП.

3. Включить в сеть лабораторный модуль и источник питания.

4. Включить тумблер "РПС" на лицевой панели модуля.

5. Установить на источнике питания ИП напряжение, равное 5 В  10 В.

Порядок проведения измерений

1. С помощью гибких выводов на панели лабораторного модуля подсоединить конденсатор емкостью С1 к гнёздам 1 и 2 (рис. 2.1).

2. Нажав и удерживая кнопку "К" в течение 3 – 4 с, измерить среднее значение тока разряда конденсатора С1.

3. Присоединить гибкие выводы к конденсатору С2 (гнезда 2 и 3) и измерить его ток разряда.

4. Присоединить гибкие выводы к гнездам 1 и 3 и измерить ток разряда последовательно соединенных конденсаторов С1, С2.  

5. Закоротить гнезда 3 и 4 перемычкой, подсоединить гибкие выводы к гнездам 1 и 2 и измерить ток разряда параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2.

6. Результаты измерений занести в табл. 2.1.

7. Повторить пункты 1 – 6, изменяя напряжение на источнике ИП в диапазоне 5 – 10 В с шагом в 1 В.

Таблица 2.1

U, В

I, C

С1

С2

Спос

Спар

5

I, мкА

С, мкФ

I, мкА

С, мкФ

10

I, мкА

С, мкФ

Обработка результатов измерений

1. По формуле (1.3) рассчитать емкости конденсаторов С1 и С2 и их соединений. Результаты расчета занести в табл. 2.1.

2. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности определения одной из ёмкостей.

Контрольные вопросы

1. От каких параметров зависит ёмкость конденсатора?

2. Изложить суть метода определения ёмкости конденсатора посредством измерения тока разрядки.

3. Какой физический смысл имеет площадь, ограниченная кривой графика i = i(t)?

4. Вывести формулы для электроёмкости последовательно и параллельно соединённых конденсаторов.

Лабораторная  работа  

Определение ёмкости конденсатора

      Состав работы:

          - лабораторный модуль ______________________________1 шт.

   - микроамперметр постоянного тока в корпусе __________1 шт.

  •  источник питания типа «HY 180 3D __________________1 шт.
  •  полка ____________________________________________1 шт.

      Параметры и состав модуля:

      - реле поляризованное типа РПС-32А ____________________1 шт.

      - трансформатор  220/24 В _____________________________1 шт.

      - конденсаторы ёмкости:

                                                С1 = 0,1_________________________1 шт.

                                                С2 = 0,16_____ ___________________1 шт.

                                                 Примечание.

       Напряжение источника питания не должно превышать значения, при котором    ток   при    параллельно      соединённых     конденсаторах   не

более  100     мкА ( U = 7 В ).

Измеряемые параметры:

        - с помощью микроамперметра измеряется среднее значение тока

        разряда конденсатора, по которому определяется его заряд.

        - подобные измерения производятся для параллельно и последовательно соединённых конденсаторов.

        

Лабораторная работа №3

Изучение обобщённого закона Ома
и измерение электродвижущей силы
методом компенсации

 Цель работы: изучение зависимости разности потенциалов на участке цепи, содержащем ЭДС, от силы тока; расчёт ЭДС и полного сопротивления этого участка.

Теоретические положения

Для того чтобы поддерживать движение электрических зарядов в течение некоторого длительного времени, необходимо, кроме электрического поля, наличие в цепи сторонних полей. Сторонние поля действуют на носители тока внутри источников электрической энергии (гальванических элементов, аккумуляторов, электрических генераторов и т.п.).

Для электрического и сторонних полей вводятся силовая и энергетическая характеристики. Силовыми характеристиками являются векторы напряжённости  и .

Направление вектора напряжённости поля совпадает с направлением соответствующей силы, действующей на положительный заряд. Величина напряжённости численно равна отношению силы к величине заряда:

Энергетической характеристикой электростатического поля является разность потенциалов 1 - 2, стороннего поля – электродвижущая сила E. Величина разности потенциалов равна отношению работы силы электро-статического поля Аэл при перемещении малого точечного заряда q из первой точки участка цепи во вторую к величине перемещаемого заряда, величина ЭДС – аналогична отношению работы силы стороннего поля Астор к величине q:

1 - 2 = ,    E = .

Между силовыми и энергетическими характеристиками электростатического и стороннего полей имеются сходные интегральные соотношения

1 - 2 = ,      E = .

Величина, численно равная суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда по участку цепи, называется напряжением U на этом участке цепи и равна

U1-2 = (1 - 2) + Ei ,

где знак i – х ЭДС принимается положительным, если направление обхода от точки 1 к точке 2 (рис. 3.1) соответствует перемещению внутри источника Ei от знака "-" (катод) к знаку "+" (анод). В противном случае – отрицательным. Таким образом, на рис. 2.1 E1 будет отрицательной, а E2 – положительной.

 

         Если использовать определение напряжения U = IRп, где I – сила тока в цепи, Rп – полное сопротивление участка, включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС на этом участке, то закон Ома принимает вид  

IRп = (1 - 2) + Ei .                                 (3.1)

 

Выражение (3.1) называют обобщённым законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

Участок цепи, в пределах которого не действуют сторонние силы, называется однородным, напряжение на нём равно U1-2 = 1 - 2, т. е. напряжение совпадает с разностью потенциалов.

За направление электрического тока принимают направление перемещения положительных зарядов. Произведение IRп берётся положительным, если направление тока совпадает с направлением обхода контура.

Применим обобщённый закон Ома к участку цепи, изображённому на рис. 3.2. При решении задач с использованием обобщённого закона Ома направление тока, а также направление обхода контура выбираются произвольно. Выберем условно положительное направление тока, как показано на рисунке, и направление обхода от точки 1 к точке 2. Тогда для участка цепи 1 – ER – 2 получим

I(R + r) = (1 - 2) + E .                                    (3.2)

Обобщённый закон Ома, применённый к участку 1 – V – 2 (обход через вольтметр), имеет вид

Iв rв = 1 - 2,                                           (3.3)

где Iв – ток, проходящий через вольтметр, rв – сопротивление вольтметра.

Но произведение Iв rв – это показание вольтметра, следовательно, показание вольтметра, подключенного к концам любого участка цепи, всегда равно разности потенциалов между точками подключения прибора.

Из выражения (3.2), обозначив полное сопротивление участка
R + r через Rп, получим

1 - 2 = IRп - E,

или                                   2 - 1 = E - IRп .                                          (3.4)

Выражение (3.4) представляет собой уравнение прямой в коорди-натах (2 - 1, I), изображённой на рис. 3.3.

Из (3.4) следует, что если сила тока в цепи равна нулю, то разность потенциалов ЭДС источника, включённого в рассматриваемый участок,

2 - 1 = E,

а полное сопротивление участка цепи 1 – 2 равно тангенсу угла наклона прямой (см. рис. 3.3):

R = tg .

Описание установки и методики измерений

Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.4. В состав установки входят лабораторный модуль, источники питания ИП1 и ИП2, а также два цифровых мультиметра марки М–92А, используемых в качестве вольтметра и миллиамперметра.

На лицевой панели лабораторного модуля изображена электрическая схема установки (рис. 3.5) и расположены гнёзда для подключения измерительных приборов. К панели также подведены два гибких вывода, с помощью которых можно подключать с различной полярностью ИП1 с ЭДС E1 к исследуемому контуру.

Будем считать, что величина внешней регулируемой ЭДС E1 всегда известна, а постоянная величина E2, создаваемая источником ИП2, неизве-стна, как и сопротивление участка 1-2. Определим их.

Выберем направление обхода контура от точки 1 к точке 2 (см. рис. 3.5), а за положительное направление тока примем направление от точки 2 к точке 1, тогда в соответствии с обобщённым законом Ома для участка цепи можно записать

(1 - 2) – E2 = - IR0    или   1 - 2 = E2 - IR0 ,               (3.5)

а для замкнутой цепи

I(R + R0) = E2  E1.                                           (3.6)

Здесь знак "+" будет при согласном подключении E2 и E1, а знак "-" при встречном.

Из (3.6) может быть найдено выражение для величины тока в цепи

.                                                (3.7)

Как видно из (3.7), изменяя величину E1, можно изменять и силу тока. При согласном включении E2 и E1 сила тока I растёт с ростом E1. Из (3.5) видно, что разность потенциалов 1 - 2 при этом линейно уменьшается и может достигнуть нулевого значения. При дальнейшем росте тока разность потенциалов на концах участка меняет знак на противоположный.

Если E1 включена навстречу E2, величина тока I уменьшается с ростом E1 и при E2 = E1 становится равной нулю. При этом согласно (3.5)
1 - 2 = E2, т. е. в момент компенсации тока вольтметр измеряет величину E2. Вольтметр покажет положительное значение E2, т. к. 2 > 1, а к точке 2 присоединена положительная клемма вольтметра. Дальнейший рост E1 приводит к изменению направления тока в цепи.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему лабораторной установки (см. рис. 3.4). Источник с ЭДС E1 через разъёмы 5,6 включить встречно источнику с ЭДС E2 (рис. 3.6,а). Вольтметр подключить к разъёмам 1,2, а миллиамперметр к разъёмам 3,4.

2. Подключить к сети лабораторный модуль и источники питания. Включить измерительные приборы.

3. Установить напряжение источника питания ИП2 с ЭДС E2,

равное 5 В.

4. Установить напряжение источника питания ИП1 с ЭДС E1,

равное 3 В. Изменяя напряжение E1 в пределах 3-8 В с интервалом

в 1 В, измерить значения тока и разности потенциалов на участке

E2R0. Занести результаты измерений в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Встречное включение E1 и E2

Согласное включение E1 и E2

I, мА

1 - 2, В

I, мА

1 - 2, В

1

n

5. Источник с ЭДС E1 включить согласно источнику с ЭДС E2 (рис. 3.6,б) и проделать измерения п. 4. При записи показаний измерительных прибо-ров следует учитывать знаки соответствующих величин.

Обработка результатов измерений

1. Используя данные табл. (3.1), построить зависимость 1 - 2 = f (I) (рис. 3.7).

2. Выделить пунктирными линиями на графике полосу разброса экспериментальных данных.

3. Определить из графика значение разности потенциалов (1 - 2), соответствующее значению I = 0, а также ток Iк при условии (1 - 2) = 0.

4. Рассчитать значение сопротивления R0 по формуле

.

5. Определить из графика значения погрешностей определения тока I и разности потенциалов .

6. Сравнить значение (1 - 2) со значением E2, проверив соотно-шение

(1 - 2) -   E2  (1 - 2) + .

Контрольные вопросы

1. Каков физический смысл ЭДС? В каких единицах измеряется ЭДС?

2. В чём сущность измерения ЭДС методом компенсации?

3. Какой физический смысл имеет электрический потенциал?

4. Какое направление принимают за положительное направление тока в цепи?

5. Как определяется знак ЭДС при расчёте электрических цепей?

Лабораторная работа

Обобщённый закон Ома

      Состав работы:

  •  лабораторный модуль_____________________________1 шт.
  •  источник питания типа «HY 1803ED»________________2 шт.
  •  микромультиметр типа «MAS 830B»  ________________2 шт.

       -    адаптер типа AC DC _______________________________2 шт.

     Параметры работы:

      -напряжение источника питания Е1_________________________5 В.

      -напряжение источника питания Е2_____________________0 – 10 В.

     Примечание: красный провод от модуля пдсоединяется к однополюсной розетке источника со знаком “ + “.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73597. Современные технологии разработки программного обеспечения 287 KB
  Приближение первое. MSF – методология разработки программного обеспечения от компании Microsoft, опирающаяся на практический опыт компании и описывающая управление людьми и управление процессами в ходе разработки решения. Взглянув на список программ, которые установлены на типовом персональном компьютере, нетрудно прийти к мысли, что практики, которые использовала Microsoft
73601. Економічна роль держави у ринковій економіці 59 KB
  Форми і методи державного регулювання економіки. Вивчення законів вільної гри економічних сил у чому й полягає найважливіший зміст політичної економії призвело до визнання необхідності регулювання цієї гри суспільною владою. Країнам з розвиненою ринковою економікою притаманна змішана система макроекономічного регулювання яка базується на плюралізмі різноманітності форм власності й органічно поєднує переваги ринкових і державних регуляторів. Виділяють два основні види регулювання економічний лібералізм та економічний дерижизм.