Cieľom práce je študovať proces vybíjania kondenzátora na aktívny odpor, určenie relaxačného času, odhad kapacity kondenzátora.

Prístroje a príslušenstvo: laboratórna zostava, napájací zdroj, mikroampérmeter, testovací kondenzátor, stopky.

Elektrický kondenzátor alebo jednoducho kondenzátor je zariadenie schopné akumulovať a uvoľňovať (prerozdeľovať) elektrické náboje. Kondenzátor pozostáva z dvoch alebo viacerých vodičov (dosiek) oddelených dielektrickou vrstvou. Vzdialenosť medzi doskami, ktorá sa rovná hrúbke dielektrika, je spravidla malá v porovnaní s lineárnymi rozmermi dosiek, preto elektrické pole, ktoré vzniká, keď sa dosky pripájajú k zdroju napätia U, je takmer úplne koncentrovaný medzi platňami. V závislosti od tvaru dosiek sú kondenzátory ploché, valcové alebo guľové.

Hlavnou charakteristikou kondenzátora je jeho kapacita C, ktorý sa číselne rovná náboju Q jedna z dosiek pri napätí rovnajúcom sa jednotke:

Nech má kondenzátor kapacitu C zahrnuté v elektrický obvod(obr. 1),

Obr.1

obsahujúci zdroj DC napätie U 0, kľúč K a rezistor (aktívny odpor) R. Keď je kľúč zatvorený K kondenzátor sa nabije na napätie U 0. Ak potom kľúč K otvorený, kondenzátor sa začne vybíjať cez odpor R a v reťazci bude elektriny ja Tento prúd sa časom mení. Vzhľadom na to, že procesy prebiehajúce v obvode sú kvázistacionárne, aplikujeme zákony pre tento obvod priamy prúd.

Nájdeme závislosť vybíjacieho prúdu ja z času t. Aby sme to dosiahli, použijeme Kirchhoffovo druhé pravidlo aplikované na obvod R-C(obr. 2). Potom dostaneme:

, (1)

Kde ja- elektrický prúd v obvode, Q- nabíjanie kondenzátora C. Dosadením do rovnice (1) hodnotou vybíjacieho prúdu I = - dQ / dt, získame diferenciálnu rovnicu prvého rádu so separovateľnými premennými:

. (2)

Po integrácii rovnice (2) nájdeme

Q(t) = Q 0 e -t/τ , (3)

Kde Q 0– počiatočná hodnota nabitia kondenzátora, τ = R.C.– konštanta s rozmerom času. Nazýva sa to relaxačný čas. Časom τ , náboj na kondenzátore sa zníži e-krát.

Po diferencovanej rovnici (3) nájdeme zákon zmeny výbojového prúdu ja (t):

I(t) = e-t/τ.

I(t) = I 0 e-t/τ, (4)

Kde ja 0 = - počiatočná aktuálna hodnota, t.j. prúd pri t = 0.

Obrázok 3 ukazuje dve závislosti vybíjacieho prúdu ja z času t, čo zodpovedá dvom rôznym hodnotám aktívneho odporu R 1 a R 2 (τ 1 < τ 2).

Popis usporiadania laboratória

V tejto laboratórnej práci sa navrhuje študovať proces vybíjania kondenzátora pomocou experimentálneho usporiadania, ktorého schéma je znázornená na obr.

Pozostáva zo zdroja konštantného napätia U 0, kontajnery C, rezistory R 1 , R 2 ,R 3 a mikroampérmetre. Vzhľadom k tomu, odpory R 1 , R 2 ,R 3 sú zapojené do série, aktívny odpor obvodu je možné meniť pomocou prepojok P, pričom sa odpory postupne skratujú R 1 , R 2 alebo obe spolu.

Objednávka merania. Spracovanie výsledkov meraní

Zostavte elektrický obvod podľa schémy na obr. 4 a podľa pokynov učiteľa zvoľte požadovanú hodnotu odporu obvodu R.

Zamknite kľúč K a nabite kondenzátor C do napätia U 0. Keď je kondenzátor plne nabitý, mikroampérmeter ukáže maximálnu hodnotu prúdu ja 0.

Odomknite kľúč K a súčasne spustite stopky. Zmerajte čas t 0, počas ktorého sa hodnoty mikroampérmetra znížia 10-krát. Definujte časový interval A t ≈ t 0 / 10.

Znova uzamknite kľúč K a nabite kondenzátor.

Odomknite kľúč K a zaznamenávať údaje mikroampérmetra v časových intervaloch Δt, 2Δt, 3At, atď. do času 10Δt. Vykonajte takéto merania trikrát a výsledky zaznamenajte do tabuľky 1.

Vypočítajte (priemerná aktuálna hodnota) a pomer.

stôl 1

Experimenty opakujte trikrát pre rôzne hodnoty. R.

Kontrolné otázky:

Čo je to kondenzátor? Odvoďte vzorec pre kapacitu plochého kondenzátora.

Odvoďte vzorec pre kapacitu guľového kondenzátora.

Nabíjanie a vybíjanie kondenzátora

1 Nabíjanie dielektrického kondenzátora

Omyl súčasnej interpretácie činnosti kondenzátora je obzvlášť zrejmý. Je založená na prítomnosti kladných a záporných nábojov v elektrickom obvode. Nosiče týchto nábojov sú známe: protón a elektrón. Je však známe, že vzájomnú prítomnosť vnímajú aj na vzdialenosti tisíckrát väčšie ako elektrón a miliónkrát väčšie ako protón. Aj takéto vzdialené susedstvo končí procesom vzniku atómov vodíka, ktoré existujú len v plazmovom stave pri teplotách do 5000 C. K tomu dochádza napríklad pri procesoch odstraňovania elektrónov a protónov zo Slnka a ich následnom spájaní na atómy vodíka. Takže spoločná prítomnosť protónov a elektrónov vo voľnom stave vo vodičoch je úplne vylúčená, preto sú kladné a záporné potenciály na doskách dielektrického kondenzátora chybou fyzikov. Poďme to napraviť.

Teraz uvidíme, že dosky dielektrického kondenzátora sa nenabíjajú opačnými elektrickými polaritami, ale opačnými magnetickými polaritami. V tomto prípade funkcie plus patria k južnému magnetickému pólu elektrónu a funkcie mínus k severu. Tieto póly tvoria polaritu, ale nie elektrickú, ale magnetickú. Poďme sledovať proces nabíjania dielektrického kondenzátora, aby sme videli, ako magnetické póly elektrónu tvoria magnetickú polaritu jeho dosiek. Je známe, že medzi doskami dielektrického kondenzátora je dielektrikum D (obr. 1, a).

Experimentálna schéma nabíjania dielektrického kondenzátora je znázornená na obr. 1, a. Najdôležitejšou požiadavkou na diagram je jeho orientácia z juhu (S) na sever (N). Na zabezpečenie úplnej izolácie kondenzátora od siete po nabití je vhodné použiť elektrickú zástrčku zapojenú do 220 V zásuvky.

Bezprostredne za diódou je znázornený kompas 1 (K), umiestnený na vodiči smerujúcom ku kondenzátoru C. Šípka tohto kompasu, ktorá sa v momente zapnutia zástrčky odchyľuje doprava, ukazuje smer pohybu elektrónov (obr. 1) od bodu S po spodnú dosku kondenzátora. Tu je vhodné venovať pozornosť všeobecnej informácii o správaní elektrónov vo vodičoch prezentovanej na obr. 1.

Ryža. 1. Schéma nášho experimentu s nabíjaním kondenzátora

Nad kompasom 1 (obr. 1) je znázornená schéma smeru magnetického poľa okolo drôtu, tvoreného elektrónmi, ktoré sa v ňom pohybujú.

Elektróny prechádzajúce cez diódu teda prichádzajú na spodnú dosku kondenzátora s orientovanými spinovými vektormi

Je celkom prirodzené, že elektróny budú prichádzať na vnútorný povrch hornej dosky kondenzátora zo siete orientovanej južnými magnetickými pólmi (S). Dôkazom toho je experimentálny fakt odchýlky hornej strelky kompasu 2 (K) doprava (obr. 1). To znamená, že elektróny pohybujúce sa zo siete na hornú dosku kondenzátora sú orientované svojimi južnými magnetickými pólmi (S) v smere pohybu (obr. 2).

Orientácia elektrónov na doskách dielektrického kondenzátora je teda zabezpečená permeabilitou ich magnetických polí cez dielektrikum. Potenciál na doskách kondenzátora je jedna - záporná a dve magnetické polarity: severný a južný magnetický pól.

Na obr. Obrázok 2 ukazuje diagram vysvetľujúci orientáciu elektrónov pohybujúcich sa k doskám kondenzátora C. Elektróny dorazia na spodnú dosku kondenzátora so svojimi severnými magnetickými pólmi (N) orientovanými k jeho vnútornému povrchu (obr. 2). Elektróny orientované južnými magnetickými pólmi (S) dorazia na vnútorný povrch hornej dosky kondenzátora.

Ryža. 2. Schéma pohybu elektrónov k doskám dielektrického kondenzátora

Takže elektróny, jediné nosiče elektriny v drôtoch, sa tvoria na doskách kondenzátora nie s opačnou elektrickou polaritou, ale s opačnou magnetickou polaritou. Na doskách dielektrického kondenzátora nie sú žiadne protóny - nosiče kladných nábojov.

2 Vybíjanie dielektrického kondenzátora

Proces vybíjania dielektrického kondenzátora na odpor je ďalším experimentálnym dôkazom zhody identifikovaného elektrónového modelu s realitou a omylom prevládajúcich predstáv, že na doskách dielektrického kondenzátora sa vytvárajú opačné elektrické náboje (obr. 3).

Diagram vychýlenia ihiel kompasu (K) 1, 2, 3 a 4, keď je kondenzátor vybitý na odpor R v momente zapnutia spínača 5, je znázornený na obr. 3.

Ako vidíte (obr. 1 a 3), v momente, keď je proces vybíjania kondenzátora zapnutý, magnetická polarita na doskách kondenzátora sa zmení na opačnú a elektróny sa otáčajú dookola a začínajú sa pohybovať smerom k odporu R (obr. 2, 3).

Ryža. 3. Schéma vychýlenia ihiel kompasu (K) v momente vybitia kondenzátora

Ryža. 4. Schéma pohybu elektrónov od dosiek kondenzátora k odporu R pri vybíjaní dielektrického kondenzátora

Elektróny prichádzajúce z hornej dosky kondenzátora sú orientované južnými magnetickými pólmi v smere pohybu a zospodu - severnými (obr. 4). Kompasy 3 a 4, inštalované na súprave VA drôtov orientovaných z juhu na sever, jasne zaznamenávajú túto skutočnosť vychýlením šípok doprava, čím dokazujú, že vektory spinov a magnetických momentov všetkých elektrónov v týchto drôtoch smerujú z z juhu na sever (obr. 3, 4).

3 Nabite elektrolytický kondenzátor

Pri analýze procesu nabíjania elektrolytického kondenzátora je potrebné vziať do úvahy, že elektrolytický kondenzátor obsahuje ióny s kladným a záporným nábojom, ktoré riadia proces tvorby potenciálu na doskách elektrolytického kondenzátora. Teraz uvidíme, že prítomnosť elektrolytu v kondenzátore nevedie k objaveniu sa kladných nosičov náboja, to znamená protónov, v drôtoch.

Elektrón je dutý torus, ktorý má dve rotácie: vzhľadom k osi symetrie a relatívne k prstencovej osi torusu. Rotácia vzhľadom na prstencovú os torusu tvorí magnetické pole elektrónu a smery magnetických siločiar tohto poľa tvoria dva magnetické póly: severný N a južný S.

Rotácia elektrónu okolo centrálnej osi je riadená kinetickým momentom

Na obr. 5 a orientácia iónov je znázornená ako príklad

Venujme pozornosť hlavnému znaku štruktúry atómu vodíka: vektorom magnetických momentov elektrónu

Ak úloha elektród znázornených na obr. 5, a, sú vyrobené dosky kondenzátora, potom keď je nabitý, elektróny prichádzajúce z vonkajšej siete sú orientované južnými magnetickými pólmi na ľavej doske kondenzátora a severnými magnetickými pólmi na pravej doske. Je to spôsobené tým, že elektróny spájajú svoje opačné magnetické póly a priblíženie elektrónu k protónu je obmedzené magnetickými pólmi rovnakého mena.

Ryža. 5. a) – schéma iónu; diagram zhluku dvoch iónov

Na obr. 6 a orientácia iónov je znázornená ako príklad

Venujme zvláštnu pozornosť skutočnosti, že horná doska kondenzátora (obr. 6, a) má elektróny na oboch stranách, a preto sa zdá, že sa navzájom odpudzujú. Treba však mať na pamäti, že pri vytváraní zhlukov elektrónov sú navzájom spojené opačnými magnetickými pólmi a identické elektrické náboje obmedzujú ich priblíženie, preto je zabezpečený kontakt iónu s hornou doskou kondenzátora. opačnými magnetickými pólmi elektrónov. Spodná doska kondenzátora má opačné elektrické náboje, ktoré približujú protón atómu vodíka a elektrón dosky kondenzátora. Ale toto zblíženie je obmedzené na ich magnetické póly rovnakého mena. To vysvetľuje tieto zjavné rozpory.

Ryža. 6. a) schéma orientácie iónov v elektrolytickom kondenzátore; b ) obvod nabíjania kondenzátora

Dosky elektrolytického kondenzátora sa teda nabíjajú opačnou elektrickou polaritou a opačnou magnetickou polaritou súčasne. V tomto prípade funkcie plus patria k južnému magnetickému pólu elektrónu a funkcie mínus k severu. Tieto póly tvoria elektrickú aj magnetickú polaritu na doskách kondenzátora. Poďme sledovať proces nabíjania kondenzátora, aby sme videli, ako magnetické póly elektrónu a protónu tvoria magnetickú a elektrickú polaritu jeho dosiek.

Experimentálna schéma nabíjania kondenzátora je znázornená na obr. 5, b. Najdôležitejšou požiadavkou na diagram je jeho orientácia z juhu (S) na sever (N). Bezprostredne za diódou je zobrazený kompas 1 (K), umiestnený na vodiči smerujúcom ku kondenzátoru C. Šípka tohto kompasu, ktorá sa v momente zapnutia napätia odchyľuje doprava, ukazuje smer pohybu elektrónov (obr. 5, b) z bodu S na spodnú dosku kondenzátora C. Nad kompasom je znázornený diagram smeru magnetického poľa okolo drôtu tvoreného elektrónmi, ktoré sa v ňom pohybujú.

Elektróny prechádzajúce cez diódu teda prichádzajú na spodnú dosku kondenzátora s orientovanými spinovými vektormi

Je celkom prirodzené, že elektróny budú prichádzať na hornú dosku kondenzátora zo siete s orientovanými južnými magnetickými pólmi (S). Dôkazom toho je experimentálny fakt odchýlky hornej strelky kompasu 2 (K) doprava (obr. 5, b). To znamená, že elektróny pohybujúce sa po drôte k hornej doske kondenzátora sú orientované svojimi južnými magnetickými pólmi (S) v smere pohybu.

Na obr. Obrázok 4 ukazuje diagram vysvetľujúci orientáciu elektrónov pohybujúcich sa na doskách kondenzátora C, keď sa nabíja. Elektróny prichádzajú na spodnú dosku kondenzátora so svojimi severnými magnetickými pólmi (N) orientovanými smerom k jeho vnútornému povrchu. Elektróny prichádzajú na vnútorný povrch hornej dosky kondenzátora s orientovanými južnými magnetickými pólmi (S).

Venujme pozornosť tomu, že smery orientácie elektrónov pri ich pohybe k doskám dielektrického kondenzátora (obr. 4) sú podobné orientácii elektrónov pri pohybe k doskám elektrolytického kondenzátora (obr. 6). , b).

Takže elektróny, jediné nosiče elektriny v drôtoch, sa tvoria na doskách elektrolytického kondenzátora súčasne s opačnou elektrickou polaritou (+ a -) a s opačnou magnetickou polaritou (S a N).

4 Vybitie elektrolytického kondenzátora

Proces vybíjania kondenzátora na odpor je ďalším experimentálnym dôkazom správnosti novej interpretácie o smere pohybu elektrónov (obr. 3) vo vodičoch a mylnosti prevládajúcich predstáv, že na vodičoch vznikajú iba opačné elektrické náboje. kondenzátorové dosky.

Schémy vychýlenia ihiel kompasu (K) 1, 2, 3 a 4 pri vybíjaní kondenzátora na odpor R v momente zapnutia spínača 5 sú znázornené na obr. 3.

Ako je možné vidieť (obr. 2), v momente, keď sa spustí proces vybíjania kondenzátora, magnetická a elektrická polarita na doskách kondenzátora sa zmení na opačnú a elektróny sa otáčajú a začnú sa pohybovať smerom k odporu R (obr. 2).

Elektróny prichádzajúce z hornej dosky kondenzátora sú orientované s južnými magnetickými pólmi v smere pohybu a zospodu - so severom. Kompasy 3 a 4, inštalované na súprave drôtov VA (obr. 3), orientovaných z juhu na sever, zreteľne zaznamenajú skutočnosť vychýlením šípok doprava, čím dokážu, že vektory spinov a magnetických momentov všetkých elektróny v týchto drôtoch smerujú z juhu na sever.

Ako vidíte, vzor pohybu elektrónov pri vybíjaní dielektrického kondenzátora je podobný vzoru pohybu elektrónov pri vybíjaní elektrolytického kondenzátora (obr. 3).

Teraz si predstavme momenty otvorenia alebo zatvorenia elektrického obvodu, pri ktorom, ako je známe, prudko stúpa napätie. Dôvodom tohto javu je, že v momente otvorenia elektrického obvodu nastáva fáza, kedy časť tohto obvodu tvoria vzdušné ióny. Celkový počet elektrónov v týchto iónoch je výrazne väčší ako počet voľných elektrónov v drôte. V dôsledku toho zvyšujú elektrický potenciál po dobu, kedy je elektrický obvod tvorený iónmi vzduchu. To je jasne viditeľné na obr. 5, a, kde je znázornený ión

Laboratórna práca č.6

ŠTUDIUM PROCESU NABÍJANIA A VYBÍJANIA KONDENZÁTORA

CIEĽ PRÁCE

Štúdium procesov nabíjania a vybíjania kondenzátorov v R.C.- obvody, oboznámenie sa s obsluhou zariadení používaných v pulznej elektronickej technike.

TEORETICKÉ ZÁKLADY PRÁCE

Zoberme si diagram znázornený na obr. 1. Obvod obsahuje zdroj jednosmerného prúdu, aktívny odpor a kondenzátor, v ktorom budeme uvažovať procesy nabíjania a vybíjania. Tieto procesy budeme analyzovať samostatne.

Vybitie kondenzátora.

Nech je najprv zdroj prúdu e pripojený ku kondenzátoru C cez odpor R. Potom sa kondenzátor bude nabíjať, ako je znázornené na obr. 1. Presuňme kľúč K z polohy 1 do polohy 2. V dôsledku toho sa kondenzátor nabije na napätie e, sa začne vybíjať cez odpor R. Vzhľadom na kladný prúd, keď smeruje z kladne nabitej platne kondenzátora na záporne nabitú platňu, môžeme písať

http://pandia.ru/text/78/025/images/image003_47.gif" width="69 height=25" height="25">, , (1)

Kde i– okamžitá hodnota prúdu v obvode, ktorej znamienko mínus označuje výskyt prúdu v obvode i spojené s poklesom poplatku q na kondenzátore;

q A S– okamžité hodnoty náboja a napätia na kondenzátore.

Je zrejmé, že prvé dva výrazy predstavujú definície prúdu a elektrickej kapacity a posledný je Ohmov zákon pre časť obvodu.

Z posledných dvoch vzťahov vyjadrujeme aktuálnu silu i nasledujúcim spôsobom:

http://pandia.ru/text/78/025/images/image006_31.gif" width="113" height="53 src=">. (2)

18. Prečo nie je v schéme zapojenia v tejto inštalácii zobrazený zdroj jednosmerného prúdu?

19. Je možné v tejto inštalácii použiť generátor sínusového napätia alebo generátor pílovitého napätia?

20. Akú frekvenciu a trvanie impulzov by mal generátor produkovať?

21. Prečo je v tomto obvode potrebný aktívny odpor? R? Aká by mala byť jeho veľkosť?

22. Aké typy kondenzátorov a rezistorov možno použiť v tejto inštalácii?

23. Aké hodnoty môže mať kapacita a odpor v tomto obvode?

24. Prečo je potrebná synchronizácia signálu osciloskopu?

25. Ako dosiahnete optimálny vzhľad signálu na obrazovke osciloskopu? Aké úpravy platia?

26. Aký je rozdiel medzi obvodmi nabíjania a vybíjania kondenzátora?

27. Aké merania je potrebné vykonať na určenie kapacity kondenzátora v R.C.- reťaze?

28. Ako vyhodnotiť chyby merania počas prevádzky zariadenia?

29. Ako zlepšiť presnosť určenia relaxačného času R.C.- reťaze?

30. Vymenujte spôsoby zlepšenia presnosti určenia kapacity kondenzátora.