3.2 Wyznaczanie pojemności kondensatora metodą rozładowania(e11)

Podobne dokumenty
Wyznaczanie krzywej ładowania kondensatora

Badanie krzywej rozładowania kondensatora. Pojemność zastępcza układu kondensatorów.

Ć W I C Z E N I E N R E-5

BADANIE PROCESÓW ŁADOWANIA I ROZŁADOWANIA KONDENSATORA

2 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Pomiary elektryczne: Szeregowe i równoległe łączenie żarówek

E1. OBWODY PRĄDU STAŁEGO WYZNACZANIE OPORU PRZEWODNIKÓW I SIŁY ELEKTROMOTORYCZNEJ ŹRÓDŁA

BADANIE PROCESÓW ŁADOWANIA I ROZŁADOWANIA KONDENSATORA

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ćw. 8 Weryfikacja praw Kirchhoffa

Ćwiczenie 4 Badanie ładowania i rozładowania kondensatora

4.2 Analiza fourierowska(f1)

Ile wynosi całkowite natężenie prądu i całkowita oporność przy połączeniu równoległym?

1 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

Podstawowe własności elektrostatyczne przewodników: Pole E na zewnątrz przewodnika jest prostopadłe do jego powierzchni

Katedra Energetyki. Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

Ćw. 27. Wyznaczenie elementów L C metoda rezonansu

Ćwiczenie 24 Temat: Obwód prądu stałego RL i RC stany nieustalone. Cel ćwiczenia

( 3 ) Kondensator o pojemności C naładowany do różnicy potencjałów U posiada ładunek: q = C U. ( 4 ) Eliminując U z równania (3) i (4) otrzymamy: =

3.5 Wyznaczanie stosunku e/m(e22)

LABORATORIUM OBWODÓW I SYGNAŁÓW. Stany nieustalone

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

1 Ćwiczenia wprowadzające

13 K A T E D R A F I ZYKI S T O S O W AN E J

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

Zespół Szkół Technicznych im. J. i J. Śniadeckich w Grudziądzu

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Pracownia Automatyki i Elektrotechniki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 1. Połączenia szeregowe oraz równoległe elementów RC

Ćwiczenie nr 254. Badanie ładowania i rozładowywania kondensatora. Ustawiony prąd ładowania I [ ma ]: t ł [ s ] U ł [ V ] t r [ s ] U r [ V ] ln(u r )

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

Ćwiczenie: "Obwody prądu sinusoidalnego jednofazowego"

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

42. Prąd stały. Prawa, twierdzenia, metody obliczeniowe

WYDZIAŁ.. LABORATORIUM FIZYCZNE

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

Ćwiczenie 1. Sprawdzanie podstawowych praw w obwodach elektrycznych przy wymuszeniu stałym

Podstawy fizyki sezon 2 3. Prąd elektryczny

07 K AT E D R A FIZYKI STOSOWA N E J

Obwody liniowe. Sprawdzanie praw Kirchhoffa

Ćwiczenie nr 9. Pomiar rezystancji metodą porównawczą.

symbol miernika amperomierz woltomierz omomierz watomierz mierzona

LI OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP II Zadanie doświadczalne

Ćwiczenie 2 Mostek pojemnościowy Ćwiczenie wraz z instrukcją i konspektem opracowali P.Wisniowski, M.Dąbek

Prąd elektryczny 1/37

Podstawy fizyki wykład 8

Prąd elektryczny - przepływ ładunku

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

Laboratorium Fizyki WTiE Politechniki Koszalińskiej. Ćw. nr 26. Wyznaczanie pojemności kondensatora metodą drgań relaksacyjnych

BADANIE PROSTEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO POMIAR NAPRĘŻEŃ

STAŁY PRĄD ELEKTRYCZNY

Ćwiczenie 15 Temat: Zasada superpozycji, twierdzenia Thevenina i Nortona Cel ćwiczenia

Pracownia pomiarów i sterowania Ćwiczenie 4 Badanie ładowania i rozładowywania kondensatora

Ćwiczenie 3 Badanie obwodów prądu stałego

Ćwiczenie nr 43: HALOTRON

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

Pomiar indukcyjności.

Co się stanie, gdy połączymy szeregowo dwie żarówki?

KATEDRA ELEKTROTECHNIKI LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI

NIEZBĘDNY SPRZĘT LABORATORYJNY

Układ RC ładowanie kondensatora

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Laboratorium Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

E 6.1. Wyznaczanie elementów LC obwodu metodą rezonansu

Badanie obwodów rozgałęzionych prądu stałego z jednym źródłem. Pomiar mocy w obwodach prądu stałego

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego - - zadania fizyka, wzory fizyka, matura fizyka

Ćwiczenie nr 34. Badanie elementów optoelektronicznych

Bierne układy różniczkujące i całkujące typu RC

Materiały pomocnicze 10 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Własności i charakterystyki czwórników

XLVI OLIMPIADA FIZYCZNA (1996/1997). Stopień III, zadanie doświadczalne D

Powtórzenie wiadomości z klasy II. Przepływ prądu elektrycznego. Obliczenia.

Dielektryki Opis w domenie częstotliwości

nazywamy mostkiem zrównoważonym w przeciwieństwie do mostka niezrównoważonego, dla którego Z 1 Z 4 Z 2 Z 3. Z 5

ZJAWISKO PIEZOELEKTRYCZNE.

Przygotowanie do Egzaminu Potwierdzającego Kwalifikacje Zawodowe

Uniwersytet Pedagogiczny

Badanie zjawiska rezonansu elektrycznego w obwodzie RLC

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego nr 4

POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM ELEKTRYCZNE. Obwody nieliniowe.

Wykład Drgania elektromagnetyczne Wstęp Przypomnienie: masa M na sprężynie, bez oporów. Równanie ruchu

WŁAŚCIWOŚCI IDEALNEGO PRZEWODNIKA

Wyznaczanie oporu elektrycznego właściwego przewodników

Rys. 1 Schemat układu L 2 R 2 E C 1. t(0+)

Scenariusz lekcji fizyki w klasie drugiej gimnazjum

Ćwiczenie 25. Temat: Obwód prądu przemiennego RC i RL. Cel ćwiczenia

WYKŁAD 2 Pojęcia podstawowe obwodów prądu zmiennego

2.Rezonans w obwodach elektrycznych

R L. Badanie układu RLC COACH 07. Program: Coach 6 Projekt: CMA Coach Projects\ PTSN Coach 6\ Elektronika\RLC.cma Przykłady: RLC.cmr, RLC1.

2. Narysuj schemat zastępczy rzeczywistego źródła napięcia i oznacz jego elementy.

Ćwiczenie 8 Temat: Pomiar i regulacja natężenia prądu stałego jednym i dwoma rezystorem nastawnym Cel ćwiczenia

ε (1) ε, R w ε WYZNACZANIE SIŁY ELEKTROMOTOTYCZNEJ METODĄ KOMPENSACYJNĄ

1. Właściwości obwodu elektrycznego z elementami połączonymi równolegle

Podstawy fizyki sezon 2 7. Układy elektryczne RLC

Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch cząsteczek naładowanych.

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO I JEGO ZASTOSOWANIA

Transkrypt:

Wyznaczanie pojemności kondensatora metodą rozładowania(e) 37 3.2 Wyznaczanie pojemności kondensatora metodą rozładowania(e) Celem ćwiczenia jest wyznaczenie pojemności kondensatora i ładunku na nim zgromadzonego oraz sprawdzenie zależności opisujących pojemności zastępcze dla baterii kondensatorów połączonych równolegle oraz szeregowo. Pomiary prowadzone są metodą rozładowania. Zagadnienia do przygotowania: pojemność kondensatora definicja; obwody RC; ładowanie i rozładowanie kondensatora; zależność natężenia prądu płynącego w obwodzie RC od czasu; pojemność zastępcza(równoważna) baterii kondensatorów. Literatura podstawowa:[5] 26., 26.2, 26.4, 28.8; literatura dodatkowa[2]. 3.2. Podstawowe pojęcia i definicje Pojemność kondensatora Kondensatorem nazywamy układ dwóch przewodników(zwanych okładkami kondensatora) rozdzielonych dielektrykiem. Jeżeli ładujemy kondensator tj. zwiększamy ładunek q zgromadzony na jego okładkach, rośnie również różnica potencjałów(napięcie) U między okładkami kondensatora, przy czym iloraz q/u pozostaje stały. Iloraz q/u jest więc wielkością charakterystyczną dla danego kondensatora i nazywamy go pojemnością kondensatora. Pojemność kondensatora zależy od jego rozmiarów geometrycznych oraz od rodzaju wypełniającego go dielektryka. Jednostką pojemności wukładziesijestfarad( F = C/V).Wpraktycestosowanesąjednostkipodwielokrotne:mili-,mikro-,nano-ipikofarad(0 3 F, 0 6 F, 0 9 Fi 0 2 F). Rozładowanie kondensatora w obwodzie RC Szeregowy obwód RC przedstawiony jest na rysunku 3.2.a(opór wewnętrzny źródła oraz opory połączeń zaniedbujemy). Po ustawieniu przełącznika(klucza) P w położenie w obwodzie płynie prąd ładowania, aż do całkowitego naładowania kondensatora. Na okładkach kondensatora zgromadzony zostaje ładunek q, a między jego okładkamipanujeróżnicapotencjału,takaże: q = C, (3.2.) gdzie C jest pojemnością kondensatora. Po przestawieniu klucza P w położenie 2 następuje rozładowanie kondensatora. Jeżeli z okładek odprowadzony zostanie ładunek dq to różnica potencjałów między okładkami zmaleje o du i spełniony będzie związek: q dq = C ( du). (3.2.2) Odejmując stronami równania(3.2.) i(3.2.2) otrzymamy:

38 Elektryczność P I 2 C R I 0 -t / RC I = I 0 e I0 = R t a) b) Rys. 3.2.: Obwód RC: a) schemat obwodu RC, b) zależność prądu rozładowania od czasu. Przez opór R popłynie prąd I spełniający warunek: a ponieważ w obwodzie mamy tylko opór omowy, więc: dq = CdU. (3.2.3) dq = Idt, (3.2.4) du = RdI. (3.2.5) Po wstawieniu równanń(3.2.4) i(3.2.5) do równania(3.2.3) i przekształceniach otrzymujemy: skąd po scałkowaniu: di I = dt, (3.2.6) RC co można zapisać w postaci równoważnej: ln I = t, (3.2.7) I 0 RC I = I 0 e t/τ, (3.2.8) gdzie τ = RCnazywamystałączasowąobwodu, I 0 jestprądempłynącymwobwodzie w chwili t = 0. Z ostatniego wzoru wynika, że natężenie prądu rozładowania maleje wykładniczo z czasem, z szybkością określoną przez stałą czasową τ(rysunek 3.2.b). Znającstałączasową τiwartość I 0 (wnaszymprzypadku I 0 = /R)możemy obliczyć ładunek q, który został zgromadzony na okładkach kondensatora. W chwili t = 0 na kondensatorze znajduje się ładunek q, a po całkowitym rozładowaniu, czyli w chwili t = na kondensatorze jest ładunek 0. Więc podstawiając równanie(3.2.8) do

Wyznaczanie pojemności kondensatora metodą rozładowania(e) 39 równania(3.2.4) i całkując po czasie w granicach (0, ) oraz po ładunku w granicach (q,0)otrzymujemy: Łączenie kondensatorów q = τi 0. (3.2.9) Rozważymy tutaj najprostsze połączenia kondensatorów tj. połączenie szeregowe i równoległe(rysunek 3.2.2). Wyznaczając pojemność zastępczą układu(baterii) kondensatorów korzystamy z właściwości elektrostatycznych przewodników(powierzchnia przewodnika jest powierzchnią ekwipotencjalną tzn. jest zbiorem punktów o takim samym potencjale elektrycznym) i z zasady zachowania ładunku. C C 2 C r q -q C C 2 C k -q q -q q q -q C s q -q C n a) b) Rys. 3.2.2: Łączenie kondensatorów: a) równoległe, b) szeregowe. W przypadku kondensatorów połączonych równolegle taka sama różnica potencjałów jestprzyłożonadokażdegozkondensatorów(rysunek3.2.2a),natomiastładunek,którygromadzisięnakondensatorachjestzależnyodichpojemności(q i = C i ). Całkowity ładunek zgromadzony w baterii kondensatorów jest sumą ładunków zgromadzonychnaokładkachposzczególnychkondensatorów(q = q q 2 q n = n q i ). Baterię kondensatorów połączonych równolegle można zastąpić jednym kondensatorem opojemności C r takiej,żeprzyłożeniedojegookładekróżnicypotencjałów spowodujezgromadzenienanimładunku q(q = C r ).Takwięc,pojemnośćzastępczadla układu n kondensatorów połączonych równolegle jest sumą ich pojemności: C r = i= n C i. (3.2.0) i= Wprzypadkugdyróżnicapotencjałów przyłożonajestdoukładukondensatorów połączonych szeregowo(rysunek 3.2.2b), suma spadków napięć na poszczególnych kondensatorachjestrównaprzyłożonejróżnicypotencjałów( = k U j ).Zgodnie j=

40 Elektryczność z zasadą zachowania ładunku w wyniku ładowania baterii kondensatorów połączonych szeregowo, na kondensatorach zgromadzą się jednakowe ładunki q, a na okładkach kondensatorówwytworząsięróżnicepotencjałów U j = q/c j.wobectegodochodzimydo zależności: C s = k j= C j. (3.2.) Tak więc, w przypadku układu k kondensatorów połączonych szeregowo odwrotność pojemności zastępczej jest sumą odwrotności pojemności kondensatorów tworzących baterię. 3.2.2 Przebiegpomiarów Układ doświadczalny W skład układu doświadczalnego wchodzą: źródło stabilizowanego napięcia stałego onapięciu = 6 V,mikroamperomierzozakresiedo 00 µa,opornicadekadowa R o zakresie conajmniej 40 kω, przycisk załączający P, badane kondensatory, przewody połączeniowe, stoper. Schemat połączeń przedstawiony jest na rysunku 3.2.3. Przebieg doświadczenia Wyznaczanie pojemności kondensatora i zgromadzonego na nim ładunku Na opornicy dekadowej nastawić wstępnie taką wartość, by przy napięciu zasilającym 6 V wartość prądu płynącego w obwodzie nie przekroczyła 2/3 zakresu mikroamperomierza. Połączyć układ według schematu przedstawionego na rysunku 3.2.3. Sprawdzić poprawność połączonego układu(sprawdzić biegunowość mikroamperomierza). P R A Rys. 3.2.3: Schemat układu do wyznaczania pojemności i ładunku kondensatora metodą rozładowania. C Zamknąć obwód wciskając przycisk P. Po ustabilizowaniu się wartości płynącego prądu ustawić tę wartość dokładnie na 80 µa, dobierając odpowiednio opór opornicy dekadowej(regulując rezystancję opornicy dekadowej nie wolno doprowadzić do przekroczenia zakresu mikroamperomierza).zapisaćwartośćprądu I 0 orazwartość rezystancji opornicy dekadowej R. Wcisnąć przycisk P, poczekać do chwili uzyskania stabilnego wskazania 80 µa i następnie rozłączyć obwód poprzez zwolnienie przycisku, jednocześnie uruchamiając stoper. Zatrzymać stoper w chwili przejścia wskazówki mikroamperomierza przez z góry ustaloną wartość prądu I n.zapisaćtęwartośćprąduorazczasroz-

Wyznaczanie pojemności kondensatora metodą rozładowania(e) 4 ładowaniakondensatora.wartościprądu I n wygodniejestustalićjako:70;65;...;0;5µa.dladanejwartościprądu I n trzykrotnie powtórzyć pomiar czasu rozładowania kondensatora. Pomiary powtórzyć dla innego kondensatora. Wyznaczanie pojemności dwóch kondensatorów połączonych równolegle Zmodyfikować układ pomiarowy włączając w miejsce kondensatora C połączone równolegle kondensatory, których pojemności zostały wcześniej zmierzone. Wyznaczyć pojemność tego układu w analogiczny sposób jak poprzednio. Wyznaczanie pojemności dwóch kondensatorów połączonych szeregowo Zmodyfikować układ pomiarowy włączając w miejsce kondensatora C połączone szeregowo kondensatory, których pojemności zostały wcześniej zmierzone. Wyznaczyć pojemność tego układu tą samą metodą co poprzednio. 3.2.3 Opracowaniewyników Sporządzićwykresyzależnościprądurozładowania Iorazlogarytmu ln(i/i 0 )od czasu dla badanych kondensatorów oraz ich połączeń. Metodą regresji liniowej znaleźć wartości stałej czasowej, a następnie obliczyć pojemności badanych kondensatorów i ich połączeń. Wykorzystując wzory wiążące pojemności kondensatorów tworzących baterię z pojemnościami zastępczymi obliczyć pojemności zastępcze dla używanych tutaj kondensatorów połączonych równolegle i szeregowo. Przeprowadzić rachunek niepewności metodą różniczki zupełnej. Porównać wartości obliczonych pojemności zastępczych z wartościami wyznaczonymi eksperymentalnie.