Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
7.1 Мета роботи: дослідження закономірностей квазістаціонарних струмів на прикладі процесів заряджання та розряджання конденсатора.
7.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів
Конденсатор – система з двох чи більше провідників (обкладинок), розділених діелектриком, яка має здатність накопичувати електричні заряди. Зв'язок між електричним зарядом на одній із обкладок конденсатора та різницею потенціалів між обкладками визначається співвідношенням
.
Розглянемо процес заряджання конденсатора за схемою, наведеною на рис. 7.1.
Після замикання ключа К по колу піде струм заряджання , на обкладках конденсатора з'являться та почнуть зростати із часом електричні заряди, які будуть однаковими за величиною та протилежними за знаком. Одночасно почне зростати і різниця потенціалів (напруга) між обкладками конденсатора доки не сягне значення, яке дорівнює ЕРС джерела напруги . Знайдемо закон, за яким змінюються струм заряджання із часом. Згідно з другим законом Кірхгофа [2–5] миттєві значення суми падіння напруги на резисторі та на ємності –дорівнюють миттєвому значенні ЕРС .
. (7.1)
Але , тоді
. (7.2)
У рівняння (7.2) входять дві змінні величини: струм та заряд ; вони пов'язані між собою співвідношенням [2]:
. (7.3)
Продиференціюємо (7.2) за часом, враховуючи те, що , та С – сталі величини, отримаємо:
. (7.4)
Розділяючи змінні в (7.4) і враховуючи (7.3), знайдемо:
. (7.5)
Проінтегруємо праву частину рівняння (7.6) за часом від початку заряджання = 0 до якогось моменту , а ліву частину – за струмом від початкового струму до якогось значення , отримаємо:
,
звідки
.(7.6)
У графічному вигляді залежність (7.5) зображена на рис. 7.2.
В момент часу струм заряджання зменшується в раз по відношенню до початкового струму. Цей час позначають та називають сталою часу або часом релаксації:
.
Напруга на конденсаторі змінюватиметься із часом за законом:
. (7.7)
У початковий момент часу = 0, напруга на конденсаторі =0. 3 цієї умови знайдемо струм :
.
Початковий струм тече такий, який протікав би по опору на схемі (рис. 7.1), коли б конденсатор С був короткозамкнений.
Підставляючи значення в (7.7), отримаємо:
. (7.8)
Залежність зображена на рис. 7.3. За час напруга на конденсаторі сягне .
Розглянемо розрядження конденсатора через опір за схемою, яка зображена на рис. 7.4. Після замикання ключа К позитивний заряд з верхньої пластини переміщується на нижню. Знайдемо залежність струму розряджання від часу.
Сума падінь напруг на конденсаторі та резисторі дорівнює нулю тому, що в колі нема сторонніх сил.
, (7.9)
де , .
Тоді
.
Якщо продиференціювати останнє рівняння за часом та врахувати, що отримаємо
.
Розділяючи змінні, прийдемо до диференціального рівняння
. (7.10)
Інтегруючи це рівняння аналогічно рівнянню (7.5) визначимо
. (7.11)
Напруга на конденсаторі згідно з (7.9):
.(7.12)
I0 знайдемо з умови, що в момент часу I = 0 напруга на конденсаторі . Підставляючи це значення в (7.12), отримаємо:
. (7.13)
На рис. 7.5 зображена залежність струму розряджання та напруги на конденсаторі від часу.
Рисунок 7.5
7.3 Опис лабораторної установки
Лабораторна установка складається з набору опорів: , , , , , набору ємностей: С 1, С 2, С 3, С 4, джерела регульованої постійної напруги 0–10 В; цифрового вольтметра В7–21А.
Електрична схема установки наведена на рис. 7.7.
Як вимірювальний прилад використовується універсальний вольтметр В7-21А. Час установлення показань приладу складає приблизно 0,6 с. При виконанні роботи ця величина вважається малою.
Рисунок 7.7
Джерелом живлення служить джерело з регульованою напругою від 0 до 10В. Ключ дає змогу швидко розрядити конденсатор.
7.4 Порядок виконання роботи і методичні вказівки з її виконання
1. Скласти схему (рис. 7.8), підключивши , та . Зарядити конденсатор. Перемикач П при цьому знаходиться у положенні «заряд».
2. Ввімкнути перемикач П на розрядження. Одночасно почати відлік часу через кожні 5 або 10 секунд, записуючи значення струму, визначене приладом В7-21А. Провести 8 – 10 вимірів.
3. Повторити виміри , послідовно замінюючи ємність у схемі (рис. 7.8) на , , при незмінних опорі , та напрузі .
Побудувати графіки .
4. Скласти схему (рис. 7.8), підключивши та .
Зняти залежність . Повторити вимірювання , послідовно замінюючи опори на, , . Побудувати графіки .
Таблиця 7.1 – Результати вимірювань
t,c | ||||||||||||||||||
I,мкА | R1C1 | |||||||||||||||||
R1C2 | ||||||||||||||||||
R1C3 | ||||||||||||||||||
R1C4 | ||||||||||||||||||
R2C3 | ||||||||||||||||||
R3C3 | ||||||||||||||||||
R4C3 |
7.5 Зміст звіту
Звіт має містити: мету роботи; схему лабораторної установки; результати вимірювань, зведені в таблицю; графіки залежностей I (t); стислі висновки.
7.6 Контрольні запитання і завдання
1.Що називається ємністю відокремленого провідника?
2.Сформулювати закони Кірхгофа.
3.Запишіть формули залежності I (t) i UC (t) при заряджанні конденсатора. Побудуйте графіки.
4.Запишіть формули залежності I (t) i UC (t) при розряджанні конденсатора. Побудуйте графіки.
5.Що таке стала часу? Як її визначають із графіка I(t)?
Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 4195 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!