50026

Исследование процессов заряда и разрядки конденсатора и определение емкости конденсатора

Лабораторная работа

Физика

Исследование процессов заряда и разрядки конденсатора и определение емкости конденсатора Цель работы: изучить временную зависимости напряжения на конденсаторе при подключении или отключении источника постоянной ЭДС и определить емкость конденсатора. Краткие теоретические сведения Рассмотрим процессы заряда и разрядки конденсатора при подключении или отключении источника постоянной ЭДС e0 в схеме представленной на рис. При включении ЭДС появлении импульса ток при заряде конденсатора протекает по внутреннему сопротивлению источника r и...

Русский

2014-01-14

255.5 KB

9 чел.

Лабораторная работа № 4.27*

Исследование процессов заряда и разрядки конденсатора и определение емкости конденсатора

Цель работы: изучить временную зависимости напряжения на конденсаторе при подключении или отключении источника постоянной ЭДС и определить емкость конденсатора.

Приборы и принадлежности: многофункциональный генератор АНР-1002, PicoScope 2203, стенд с объектами исследования С3-ЭМ01, соединительные провода.

Краткие теоретические сведения

Рассмотрим процессы заряда и разрядки конденсатора при подключении или отключении источника постоянной ЭДС e0 в схеме, представленной на рис.1. 

Включение и отключение ЭДС имитирует генератор прямоугольных импульсов напряжения.  При включении ЭДС (появлении импульса) ток при заряде конденсатора протекает по внутреннему сопротивлению источника r и по сопротивлению резистора R.

Применяя к контуру второе правило Кирхгофа (в замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех сопротивлениях, входящих в этот контур), получим:

. (1)

Здесь  I – мгновенное значение силы тока, U – мгновенное значение напряжения на конденсаторе. Выразим их через заряд q на обкладках конденсатора, используя определения силы тока и емкости конденсатора C:

;      . (2)

Исключая в (1) величины I и U, используя соотношения (2) получим:

. (3)

При решении уравнения учтем, что в начальный момент времени , заряд на конденсаторе равен нулю: . Решением дифференциального уравнения (3) является выражение:

, (4)

где  – постоянная, имеющая размерность времени. Она называется постоянной времени RC-цепи. Выражение для величины U получим из связи между зарядом конденсатора и напряжением на его обкладках (2):

. (5)

Временная зависимость напряжения на конденсаторе представлена на рис. 2.

Прологарифмируем  выражение (5) и получим:

      (6)

Выражение (6) позволяет определить величину t как промежуток времени, по истечении которого  напряжение на конденсаторе достигает величины , в этом случае  (рис.2).

Таким образом, постоянная времени определяет скорость заряда конденсатора.  

Зависимость величины t от сопротивления R линейная , откуда величина емкости конденсатора:

     (7)

Описание лабораторной установки

Генератором прямоугольных импульсов является генератор напряжений АНР-1002. На лабораторном стенде используются: переменный резистор R и конденсаторы С1, С2 и С3. При использовании цифрового осциллографа PicoScope 2203 на канал A подается исследуемый сигнал с конденсатора, сигнал, подаваемый с генератора на канал B используется для синхронизации.

Порядок выполнения работы

Определение емкости конденсатора с помощью измерения постоянной времени в процессе заряда конденсатора.

  1.  Соберите схему согласно рис.3. Подключите по указанию преподавателя один из конденсаторов С1, С2 или С3 (номер выбранной емкости занесите в таблицу 1). При подключении осциллографа соблюдайте полярность.
  2.  После проверки преподавателем собранной схемы, включите функциональный генератор АНР-1002  нажав на кнопку 1 «POWER»
  3.  Установите на генераторе с помощью клавиш установки частотного диапазона 3 (клавиши  и ) и регулятора частоты 11 (регулятор «FREQUENCY») частоту выходного сигнала ~1 кГц.
  4.  Чтобы на выходе генератора получить прямоугольный импульс нажмите на кнопку 14 с изображением прямоугольго сигнала .
  5.  Запустив программу «PicoScope» включите цифровой осциллограф.
  6.  Для канала А установите на панели настройки канала автоматический диапазон входного сигнала осциллографа .
  7.  На панели синхронизации также выберите режим «Авто» .
  8.  Нажав клавишу автоматической установки ,  на панели захвата изображения,  получите оптимальное изображение сигналов на осциллографе.
  9.  Плавно изменяя переменное сопротивление R, пронаблюдайте, как его изменение влияет на процессы разрядки и зарядки конденсатора. Сделайте вывод.
  10.  Для канала B установите на панели настройки канала автоматический диапазон входного сигнала осциллографа  .
  11.  Для исследования процесса зарядки конденсатора на панели синхронизации выберите в качестве канала синхронизации – канал B   и синхронизацию по нарастающему фронту. В окошке «предзапуск» установите значение 10% . В окошке «уровень запуска развертки» установите значение 0 В. При данных настройках панель синхронизации будет выглядеть следующим образом:  , а синхронизация будет проводиться по нарастающему фронту сигнала B.
  12.  Отключите наблюдение канала B на осциллографе (вкладка «Просмотр» → «Каналы» → снять галочку отображения канала В).
  13.  Установите значение сопротивления R= 500 Ом.
  14.  На панеле захвата изображения  измените коэффициент развертки, выбрав  в меню выбора коэффициента развертки   такое значение, при котором на экране осциллографа будет отображаться полностью процесс зарядки конденсатора (см. рис. 2).
  15.  Остановите обработку данных осциллографом нажав на панели  Запуска/Остановки клавишу «Стоп».
  16.  Определите минимальное Umin и максимальное Umax значения напряжения на конденсаторе, для этого левой кнопкой мыши нажать в нужных точках. Полученные значения занесите в таблицу 1 с учетом знака. Примечание: приставка m  перед единицами измерений означает микро-, приставка m – мили-, приставка n – нано-.
  17.  Вычислите амплитудное напряжение на конденсаторе: . При расчетах все значения подставлять с учетом знаков.
  18.  Определите по экрану осциллографа постоянную времени t равную  промежутку времени от начала заряда (разряда) конденсатора до момента, когда напряжение на конденсаторе достигнет величины Uс =0.63 e0 (см. рис. 2). Для этого нажимая левой кнопкой мыши на кривой зарядки конденсатора определите точку, в которой . Запишите соответствующее время t  в таблицу.
  19.   Включите обработку данных осциллографом нажав на панели  Запуска/Остановки клавишу «Запуск» .
  20.  Увеличьте  сопротивление R на 100 Ом. Остановите обработку данных осциллографом нажав на панели Запуска/Остановки клавишу «Стоп» и повторите пункт 18.
  21.  Повторите действия, описанные в пунктах 19-20 еще 5 раз.
  22.  Построите на миллиметровой бумаге график зависимости . Убедитесь, что зависимость носит линейный характер (сделать вывод).
  23.  Для каждого набора значений t, R вычислить емкость конденсатора по формуле (7), пренебрегая внутренним сопротивлением источника.
  24.  Вычислите погрешность DС как погрешность при косвенных  невоспроизводимых измерениях
  25.  Результаты занести в таблицу 1. 
  26.  Сравните полученное значение емкости конденсатора со значением, написанным на стенде.

Таблица 1

Номер исследуемой емкости____

Umin=____

Umax=____

e0=______

U=______

R, Ом

t, мкс

С, мкФ

<С>, мкФ

DС, мкФ

eс, %

500

600

700

800

900

1000

1100

Контрольные вопросы

1. Дать определение емкости уединенного проводника и конденсатора.

2. Формулы емкости конденсатора: плоского, сферического и цилиндрического.

3. Емкость при последовательном и параллельном соединении конденсаторов.

4. Закон изменения напряжения на конденсаторе при его заряде или разряде.

5. Постоянная времени RC – цепи, ее физический смысл и метод определения в данной работе.


Рис. 3.

Рис. 1.

Рис. 2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12168. Свойства в Delphi 83 KB
  Свойства Понятие свойства Помимо полей и методов в объектах существуют свойства. При работе с объектом свойства выглядят как поля: они принимают значения и участвуют в выражениях. Но в отличие от полей свойства не занимают места в памяти а операции их чтения и записи а
12169. Быстродействие процессора 17.54 KB
  Быстродействие процессора Быстродействие процессора это одна из важнейших его характеристик определяющая эффективность работы всей микропроцессорной системы в целом. Быстродействие процессора зависит от множества факторов что затрудняет сравнение быстродействи...
12170. Установка основных компонентов ПК 284.24 KB
  Лабораторная работа №14 Установка основных компонентов ПК 1. Цель работы Научиться собирать все компоненты ПК 2. Теоретические сведения Сборка компьютера подобна игре в Кубик Рубика: пока вы не собрали его в первый раз это кажется невозможным но когда вам покажут...
12171. Изучение конструкции блока питания АТ и АТХ 132.85 KB
  Лабораторная работа №15 Изучение конструкции блока питания АТ и АТХ 1. Цель работы Изучения конструкции блока питания АТ и АТХ 2. Теоретические сведения Назначение и принципы работы блоков питания Главное назначение блоков питания преобразование электрической...
12172. Диагностика работоспособности материнской карты с помощью POST card 35.25 KB
  Лабораторная работа № 16 Диагностика работоспособности материнской карты с помощью POST card 1. Цель работы Научиться пользоваться POST картой 2. Теоретические сведения POST карта тестер для диагностики и ремонта материнских плат ...
12173. Строение, принцип действия и тех.обеспечение ИБП 116.11 KB
  Лабораторная работа №19 Строение принцип действия и тех.обеспечение ИБП 1. Цель работы Изучение принципа работы ИБП 2. Теоретические сведения Составные части ИБП Реализация основной функции достигается работой устройства от аккумуляторов установленных в корпу...
12174. Сборка разборка ПК. Замена основных узлов 652.51 KB
  Лабораторная работа №20 Сборка разборка ПК. Замена основных узлов 1. Цель работы Научиться собирать и разбирать ПК 2. Теоретические сведения Подготовка к сборке компьютера Итак перед вами лежат все необходимые комплектующие вашего будущего системного блока. ...
12175. Работа операционной системы MS-DOS 99.52 KB
  Лабораторная работа № 21 Работа операционной системы MSDOS 1. Цель работы Изучение работы с операционной системой MSDOS 2. Теоретические сведения Работа в MSDOS Как компьютер хранит данные Вы должны знать как компьютер хранит данные в своей памяти. В первую очередь ...
12176. Установка операционной системы семейства Windows 270.69 KB
  Лабораторная работа №22 Установка операционной системы семейства Windows. 1. Цель работы Изучение процесса установки Windows XP 2. Теоретические сведения Windows XP это одна из самых популярных операционных систем с удобным пользовательским интерфейсом. Она инсталлируетс...