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

13631. Культура - лишь тоненькая яблочная кожура над раскаленным хаосом 14.08 KB
  Культура лишь тоненькая яблочная кожура над раскаленным хаосом.Ф. НицшеЯ глубоко не согласен с данным высказыванием немецкого философа XIX века Ф. Ницше. Данное высказывание принижает значение культуры для человечества. По Ницше инстинктивное бессознательное в челов...
13632. Наука не сводится к сумме фактов, как здание не сводится к груде камней 16.16 KB
  Наука не сводится к сумме фактов как здание не сводится к груде камней.А. ПуанкареНаука является одной из форм духовной культуры. Увеличение дальнейшее совершенствование научных знаний во многом определяет развитие материального производства социальноэкономическ...
13633. Поэт бесконечно уступает художнику в изображении видимого, и музыканту - в изображении невидимого 14.72 KB
  Поэт бесконечно уступает художнику в изображении видимого и музыканту в изображении невидимого. Леонардо да Винчи И поэт и художник и музыкант являются творцами искусства. Мы знаем что искусство особый способ познания и отражения действительности посредством ...
13634. Проповедовать мораль легко, обосновать ее трудно 14.86 KB
  Проповедовать мораль легко обосновать ее трудно. А. Шопенгауэр.Что такое мораль И почему согласно Шопенгауэру обосновать ее трудно Мораль – это часть духовности форма общественного сознания это система норм регулирующих поведение людей основанная на общеприняты
13635. Кеннеди. У искусства есть враг, имя которому - невежество 15.65 KB
  У искусства есть враг имя которому невежество. Д. Кеннеди Автор считает что незнание не способность разбираться в чемлибо а тем более в искусстве может принести огромный вред искусству. И мы можем с этим согласиться. Невежество происходит от слова ведать знат
13636. Цивилизация есть стадия умирания культуры 14.68 KB
  Цивилизация есть стадия умирания культуры.О. ШпенглерРазвитие культуры и цивилизации неразрывно связаны: вне духовных ценностей созданных в процессе культурной деятельности людей не может сложиться и цивилизационная общность.Некоторые исследователи полностью ото...
13637. Щадя преступников, вредят честным людям 14.43 KB
  Щадя преступников вредят честным людямСенекаВыдающийся философ Сенека жил во времена Римской империи. Что же этой фразой он хотел сказать Не наказывая преступников вообще или не наказывая их должным образом мы наносим вред честнымзаконопослушным гражданам. И хотя...
13638. Ньютон. Я видел дальше других только потому, что стоял на плечах гигантов 14.11 KB
  Я видел дальше других только потому что стоял на плечах гигантов. И. Ньютон. Эти слова сложно было бы понять не зная их автора. Но зная что автором этого высказывания является Ньютон один из самых выдающихся ученых человечества мы можем понять их смысл. Я думаю гиганта
13639. Гордиться своей нацией – патриотизм, хвалиться своей национальностью - национализм 14.12 KB
  Гордиться своей нацией – патриотизм хвалиться своей национальностью национализм И.Н. Шевелев Эссе Шевелев в своем высказывании безусловно прав. Какое прекрасное чувство – патриотизм Гордость за свой народ и богатейшую историю нации уважение и почитание традиций...