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

61250. WHO (World Health Organization) 26.03 KB
  WHO was founded in 1948. In 1946 the United Nations held an International Health Conference in New York. There the Constitution of WHO was signed by 61 countries. Now-there are 150 member-states. Membership is open to all countries.
61252. Форматування диску 16.79 KB
  Мета: Теоретичні та практичні аспекти форматування диску. Програмне забезпечення для виконання форматування. Форматування диску це запис на диск певної службової інформації для забезпечення зручної і надійної роботи з інформацією що повинна зберігатися на диску.
61253. Времена года. Погода 20.02 KB
  Цель урока: вывести учащихся на творческий уровень владения темой (свободное владение лексическим и грамматическим материалом в рамках пройденной темы).
61256. Современный урок истории и требования к нему. Ивана III - Государь всея Руси 36.56 KB
  Цель урока: проследить процесс завершения объединения Северо-Восточной Руси вокруг Москвы; раскрыть историческое значение свержения ига золотоордынских ханов. Правление Ивана III. III. Правление Ивана III.
61257. Правила чтения английских слов 29.48 KB
  Слово name похоже на русское наименование, но переводится имя. Такие похожие слова будут нам опорой в запоминании новых английских слов. Их мы назовем опорными.