42522

Определение ёмкости конденсаторов

Лабораторная работа

Физика

Оборудование: регулятор напряжения ЛАТР миллиамперметр переменного тока на 250 мА вольтметр на 150 В конденсаторы. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока то спустя некоторое время он зарядится т. Если конденсатор включить в цепь переменного тока то он будет перезаряжаться с частотой переменного ток и в подводящих проводах всё время будут перемещаться электрические заряды т.

Русский

2013-10-30

104 KB

25 чел.

Лабораторная работа № 24

Определение ёмкости конденсаторов

Цель работы: изучить метод определения ёмкости конденсаторов, включённых в цепь переменного тока; осуществить экспериментальную проверку ёмкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов.

Оборудование: регулятор напряжения (ЛАТР), миллиамперметр переменного тока на 250 мА, вольтметр на 150 В, конденсаторы.

24.1. Краткие теоретические сведения

Способность тела накапливать в себе электрический заряд называют электроёмкостью. Одновременно с увеличением заряда растёт и потенциал тела. Электроёмкость (или просто − ёмкость) представляет собой коэффициент пропорциональности между величиной заряда и потенциалом

                                                 (24.1)

Единицей электроёмкости является фарада

т.е. это ёмкость такого тела, которое при сообщении ему заряда в 1 Кл повышает свой потенциал на 1 В. Ёмкость уединённых тел, как правило, незначительна. Но при сближении двух проводников на достаточно малое расстояние их ёмкость значительно увеличивается. Это явление положено в основу конструкции конденсатора.

Конденсатор − это устройство, состоящее из двух изолированных проводников в виде пластин, расположенных близко друг к другу и имеющих значительную площадь.

Для конденсатора (24.1) будет иметь вид

                                        (24.2)

где q − заряд на одной из обкладок; UC − разность потенциалов между обкладками.

Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то спустя некоторое время он зарядится, т.е. одна его пластина накопит на себе положительный заряд, а другая − равный ему по величине отрицательный. В момент зарядки конденсатора в подводящих проводах будет протекать электрический ток, который после зарядки прекратится.

Если конденсатор включить в цепь переменного тока, то он будет перезаряжаться с частотой переменного ток, и в подводящих проводах всё время будут перемещаться электрические заряды, т.е. протекать ток проводимости. Внутри конденсатора перемещение электрических зарядов с пластины на пластину не происходит, и ток проводимости внутри конденсатора отсутствует. Он протекает только в подводящих проводах.

Если признать сопротивление подводящих проводов пренебрежимо малым, то напряжение на конденсаторе можно считать равным внешнему напряжению U:

                                   (24.3)

где = 2 − циклическая частота источника переменной ЭДС.

Из (24.3) следует, что . Известно, что , поэтому

                          (24.4)

где

                                 (24.5)

Величина  имеет размерность сопротивления и называется ёмкостным сопротивлением. Для постоянного тока = 0 и ХС  . Следовательно, постоянный ток в цепи с конденсатором не протекает, т.е. сопротивление её бесконечно большое. С увеличением частоты сопротивление конденсатора уменьшается.

Из (24.5) следует, что  или

                                         (24.6)

Эффективные силы тока и напряжения, измеряемые электроизмерительными приборами, связаны с амплитудными значениями соотношениями

,    

С учётом этого (24.6) примет вид

                                         (24.7)

Пользуясь (24.7), можно по измеренным силе тока Iэ, в цепи и напряжения на конденсаторе Uэ рассчитать ёмкость конденсатора С.

Экспериментальная часть работы состоит в том, чтобы, измерив силу тока и напряжение, рассчитать ёмкости имеющихся в наличии конденсаторов, а также ёмкости параллельно и последовательно соединённых конденсаторов. Затем сравнить эти результаты с результатами, полученными по формулам для ёмкости параллельно и последовательно соединённых конденсаторов:

                                                (24.8)

                                              (24.9)

24.2. Порядок выполнения работы

  1.  

Собрать цепь по схеме (рис. 24.1) с первым конденсатором. Вольтметром измерить напряжение, амперметром − силу тока. Результаты записать в таблицу. Рассчитать ёмкость по (24.7).

  1.  Действия, аналогичные п. 1, проделать со вторым конденсатором.
  2.  

Собрать цепь по схеме (рис. 24.2), включив конденсаторы последовательно. Измерить силу тока и напряжение. Рассчитать ёмкость по (24.7).

  1.  Собрать цепь по схеме (рис. 24.3), включив конденсаторы параллельно. Провести аналогичные измерения. Рассчитать ёмкость по (24.7).
  2.  

Сравнить результаты, полученные по (24.7), с расчётами по (24.8) и (24.9) для последовательного и параллельного соединений конденсаторов. Сделать выводы.

  1.  Расшифруйте условные обозначения на приборах, приведенные на рис. 24.4 и рис. 24.5. Проделайте выше указанные измерения и расчёты виртуально, воспользовавшись схемами на рис. 24.4 и рис. 24.5.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Что называется электроёмкостью.
  2.  Объяснить процессы, происходящие в конденсаторе при включении его в цепь постоянного тока.
  3.  От чего зависит 1мкость конденсатора? Записать формулу ёмкости плоского конденсатора.
  4.  Что означают характеристики, указанные на корпусе конденсатора?
  5.  Как вывести (24.8) и (24.9)?
  6.  Что такое ёмкостное сопротивление? Как можно прийти к выводу о существовании ёмкостного сопротивления?
  7.  Почему напряжение на ёмкости (см. (24.3)) отстаёт от тока (см. (24.4)) на угол /2?

[5, § 94, 24 − 26; 9, c. 33 − 39]

159