42149

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАРЯДА И РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Изучение закономерностей заряда и разряда конденсатора.магазина сопротивлений МС магазин емкостей MEисточник питания ИП звуковой генератор ГЗ электронный осциллограф блок с конденсаторами. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Принципиальная электрическая схема для наблюдения процессов заряда и разряда конденсатора изображена на рис.

Русский

2013-10-27

202.53 KB

8 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 3-6

ИЗУЧЕНИЕ  ПРОЦЕССОВ  ЗАРЯДА  И  РАЗРЯДА  КОНДЕНСАТОРА

Цель работы.Изучение закономерностей заряда и разряда конденсатора.

Приборы и оборудование: Преобразователь импульсов (кассета ФПЭ - ПИ), два .магазина сопротивлений (МС), магазин емкостей (ME),источник питания (ИП), звуковой генератор (ГЗ), электронный осциллограф, блок с конденсаторами. (БК), вольтметр Щ 4313 и секундомер.

ПОСТАНОВКА  ЗАДАЧИ

Принципиальная электрическая схема для наблюдения процессов заряда и разряда конденсатора изображена на рис. 1.

                

Рис.1.

В цепь, состоящую из переменных активных сопротивлений R и R  и переменной емкости С, подаются от звукового генератора сигналы прямоугольной формы, частоту следования которых можно изменять. Так как  время заряда и разряда конденсатора конечно, сигнал прямоугольной формы будет искажаться. Чтобы понять, почему это происходит, рассмотрим процессы заряда и разряда конденсатора.

При зарядке конденсатора напряжение U на входе цепи, состоящей из сопротивления R и емкости С, в начальный момент зарядки конденсатора почти все будет падать на сопротивлении R, а в конце зарядки, когда ток будет приближаться к нулю,  на конденсаторе С.

Из закона сохранения энергии следует, что работа источника тока dA равна сумме количества джоулевой теплоты dQ, выделившейся на сопротивлении R и электрической энергии заряженного конденсатора dW

dA = dQ + dW .    (1)

Это уравнение энергетического баланса для произвольного промежутка времени dt, в котором

                                                dA = U I dt                                                  (2 а)                            работа источника тока (I –ток, проходящий через источник,  U- его напряжение)                                                                                    

                                          dQ = I Rdt,                                                        (2б) 

энергия, выделяемая на сопротивлении в форме теплоты 

,                       (2в)

изменение   энергии   конденсатора  при  сообщении ему    заряда dq.  Подставляя (2 а, б, в) в (1) и учитывая, что I = dq/dt, получим

.

При увеличении времени от 0 до t заряд на конденсаторе изменяется от 0 до q. Интегрируя в указанных пределах, получим

,

а после потенцирования

.    (3)

Получили закон изменения заряда конденсатора в процессе его заряда. Из (3) следует, что при t   заряд, асимптотически приближается к своему максимальному значению: q = C Uo.

При разряде конденсатора источник напряжения отключен, и конденсатор разряжается через сопротивление R. Следовательно, падение напряжения на этом сопротивлении равно напряжению на конденсаторе

                 .   (4)

Решением данного уравнения будет выражение

.    (5)

Знак "минус" в формуле (4) показывает, что ток разряда I = -(dq | dt)  появляется за счет убыли заряда. Анализируя (5), видим, что при t , заряд конденсатора асимптотически приближается к нулю. Произведения RС и RС в формулах (3) и (5) имеют размерность времени и называются временем релаксации :

зар = RС,  раз = RС .   (6)

Уравнения (3) и (5) называются законами заряда и разряда конденсатора соответственно. Так q = CU и q = CU, то их можно записать в величинах напряжения

,    (7)

                   .     (8)

Графики этих процессов изображены на рис. 2 (пунктирной линией показан входной сигнал) для двух различных значений  R C и R C2/

     U

                          tзар                 tраз

                  t       t    t        t  

Рис. 2

В момент времени t входное напряжение в виде сигнала прямоугольной формы (показано пунктиром) подается на цепочку R  С и конденсатор начинает заряжаться. Если конденсатор заряжается длительное время (t>зар), то его напряжение достигает значения U . При увеличении частоты следования импульсов (время релаксации велико) заряд и разряд конденсатора будут неполными (см. вторую диаграмму на рис. 2.). Таким образом, время релаксации характеризует процесс заряда и разряда конденсатора и, следовательно, является важнейшей характеристикой любой цепочки RС.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ  ЧАСТЬ

Перед началом работы следует ознакомиться с описанием электронного осциллографа и звукового генератора. Рабочая электрическая схема изображена на рис. 3. Установка состоит из 2  магазинов сопротивлений (МС) и магазина емкостей (ME), собранных в отдельных кассетах, источника питания, электронного осциллографа (ЭО) и звукового генератора (ГЗ).

. Включите в сеть 220 В блок питания, звуковой генератор и осциллограф.

. Тумблеры "Синхронизация" и "Делитель развертки" на боковой панели осциллографа поставить в верхнее положение. Ручки "Усиление" и "Синхронизация" на передней панели осциллографа установить в положение " ".

ПОРЯДОК  ВЫПОЛНЕНИЯ  РАБОТЫ

Задание 1. Получение на экране осциллографа прямоугольных

импульсов.

1.  Все клавиши на панели магазинов сопротивлений и магазина емкостей находятся в отжатом состоянии.

. Установить на панели осциллографа переключатель "V/дел" в положение "2V/дел", а переключатель "S/дел" в положение "10S/дел".

. Установите на передней панели звукового генератора частоты указатель ручки "Множитель" в положение "10".

4. Последовательно изменяя регулятором "Частота, Гц" частоту следования импульсов от 20 до 100 кГц (через 20 кГц), получите на экране осциллографа и зарисуйте картины прямоугольных импульсов в масштабе сетки (на экране 6 делений по вертикали и 10 делений по горизонтали, цена деления 6 мм).

. Сделайте вывод о том, как и почему меняется расположение прямоугольных импульсов в зависимости от частоты их следования.

Задание 2. Получение на экране осциллографа кривых заряда и разряда конденсатора.

1. Установите на магазине сопротивлений и емкостей следующие значения: R = 1  10 Ом, С = 2 10-1 мкФ; на генераторе сигналов частоту 30 10 Гц; на панели осциллографа переключатель "V/дел" находится в положении "0,5 V/дел", а переключатель "S/дел" в положении "5S/дел"

. Последовательно изменяя регулятором "Частота, Гц" от 30 до 90 кГц (через 20 кГц) частоту следования импульсов, получите на экране осциллографа и зарисуйте в масштабе сетки экрана картины кривых заряда и разряда конденсатора.

. Сделайте вывод о том, как и почему меняется картина кривых заряда и разряда конденсатора.

Задание 3. Изучение разряда конденсатора.

1. Собрать схему, изображенную на рис.4.

2. На блоке с конденсатором клеммы "Заряд" соедините с источником питания " +12  120 В" ("плюс" с "плюсом", "минус" с "минусом"). Клеммы "Разряд" подсоединить к вольтметру (прибор комбинированный цифровой Щ4313) ("плюс" к клемме " V ", "минус" к клемме " * "). На вольтметре нажать кнопки "200" и " V ". Тумблер на блоке с конденсатором стоит в положении "Разряд".

 + 

                         =

-         

Рис. 4.

3. В разъем "Сопротивление" на блоке с конденсатором включите сопротивление 1 кОм, через которое будет разряжаться конденсатор.

4. Включите в сеть 220 В источник питания, Щ4313 и секундомер.

. Установите на вольтметре источника питания напряжение 40 В.

. Переключите тумблер на блоке с конденсатором в положение "Заряд" (З), зарядите конденсатор до максимального значения  40 В.

. Затем переключите тумблер на блоке с конденсатором в положение "Разряд" (Р) и одновременно включите секундомер.

. Запишите показания вольтметра Щ4313 (10 - 12 значений) через каждые 10 секунд до полного разряда конденсатора. Данные занести в таблицу.

Таблица

t, c

0

30

и т.д.

1 кОм

Uраз

nUраз

9. Снимите показания для других 2-х значений сопротивления разрядки.

. Постройте графики зависимостей Uраз = f(t) и nUраз = f(t).

11. Прологарифмируйте выражение (8) и определите время релаксации разряда по формуле

,

за  t можно принять все время измерения.

. Сделайте вывод о разряде конденсатора в зависимости от изменения R.

КОНТРОЛЬНЫЕ  ВОПРОСЫ

  1.  Порядок выполнения работы.
  2.   Понятие электроемкости, ее физический смысл.
  3.  Получить закон изменения заряда на конденсаторе в процессе его заряда и разряда.
  4.  Энергия заряженного уединенного проводника и конденсатора.
  5.  Запишите уравнение энергетического баланса для произвольного промежутка времени и объясните его.
  6.  Как получить на экране осциллографа прямоугольный импульс?
  7.  Нарисуйте и объясните работу схем, изображенных в методических указаниях на рис. 1,  3 и 4.
  8.  Как получить на экране осциллографа кривые заряда и разряда конденсатора?
  9.  Как определяется работа, совершаемая при зарядке конденсатора?
  10.  Типы конденсаторов,  их устройство, работа и применение.
  11.  Получите формулу для времени релаксации разряда раз.
  12.  Нарисуйте и объясните график функции Uраз = f(t).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84828. The Theory of a Phoneme 55 KB
  The suspension of phoneme contrast in isolated words is called free variations or a temporary neutralization. Although phonetic contrast is suspended some social linguists have argued that free variations are often sociologically significant.
84829. The Components of the Phonetic System of a Language 39.5 KB
  The air stream released by the lungs goes through the windpipe and comes to the larynx, which contains the vocal cords. The vocal cords are two elastic folds which may be kept apart or brought together. The opening between them is called the glottis.
84830. The subject of Phonetics. Phonetics in the System of linguistics 41.5 KB
  Neither linguistic theory nor linguistic practice can do without Phonetics. Phonetics is connected with linguistic and non-linguistic sciences: acoustics, physiology, psychology, logic and others. When we look at the parts of the body which are used in speaking, we make use of information from anatomy...
84832. Некоторые методы возведения зданий 114.6 KB
  Место сопряжения оползневого тела с надоползневым коренным уступом называется тыловым швом оползня а место выхода поверхности скольжения в низовой части склона подошвой оползня. Схема оползневого склона: 1 первоначальное положение склона 2 ненарушенный склон 3 оползневое тело 4 поверхность скольжения...
84833. Соціологія особистості. Структурні елементи особистості 27.88 KB
  Особистість — це цілісна сукупність соціальних властивостей людини, що формуються та видозмінюються протягом усього життя людини у результаті складної взаємодії внутрішніх та зовнішніх чинників її розвитку та активної взаємодії з соціальним середовищем.
84834. Философия как разновидность мировоззрения 135.48 KB
  Крупнейшие и наиболее распространенные в мире национальные религии: синтоизм; индуизм; иудаизм. Часто эклектика применялась для обоснования каких-либо взглядов идей привлекательных для массового сознания но не имеющих реальной ни онтологической ни гносеологической ценности и достоверности...
84835. Міжнародні відносини у структурі суспільних відносин 220.5 KB
  Місце міжнародної проблематики в історії суспільно-політичної думки вирішальною мірою пов’язане з тенденціями та закономірностями розвитку міжнародних відносин, відбиваючи та суттєво впливаючи на них.