Цель работы: ознакомление с работой конденсатора, наблюдение его зарядки и разрядки. Оборудование: источник питания • резистор 20 кОм

1. Наблюдение процесса зарядки и разрядки конденсатора

Цель работы: ознакомление с работой конденсатора, наблюдение его зарядки и разрядки.

Оборудование:

• 
  источник питания • резистор 20 кОм • мультиметр
  
• 
  конденсатор 4700 мкФ • ключ • секундомер
  

Когда конденсатор подключают к источнику питания, в цепи появляется зарядный ток, обусловленный движением свободных электронов на одну из пластин и уходом электронов с другой пластины. При этом происходит накапливание зарядов на обкладках. Зарядный ток будет протекать до тех пор, пока конденсатор не запасет такой заряд q, какой позволяет его емкость при заданном значении напряжения U (q=C∙U). Чем больше емкость, тем больше зарядов должен накопить конденсатор и, следовательно, дольше будет существовать в цепи зарядный ток. Если последовательно с конденсатором включить резистор, то он ограничит ток в цепи, и процесс зарядки конденсатора будет длиться дольше. Таким образом, время зарядки конденсатора зависит от его емкости и от сопротивления зарядной цепи.

Если соединить обкладки заряженного конденсатора резистором, то начнется процесс разряда конденсатора, состоящий в том, что заряды по внешней цепи будут переходить с одной обкладки на другую, стремясь нейтрализовать друг друга. Во время разряда в цепи тоже течет ток, и его величина также ограничивается сопротивлением резистора. Разряд конденсатора, подобно зарядке, будет длиться тем дольше, чем больше емкость конденсатора (то есть чем больше зарядов должно уйти с обкладок) и чем больше общее сопротивление разрядной цепи.

Эксперимент по наблюдению зарядки и разряда конденсатора выполняется в два этапа. Сначала исследуется зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке. Затем изучается та же зависимость при разрядке конденсатора через резистор.

Порядок выполнения работы

1. 
   Соберите электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1. Обратите внимание на то, чтобы вывод конденсатора, помеченный знаком "+", оказался подключенным к положительному выводу источника питания. Если показания мультиметра при разомкнутом ключе не равны нулю, необходимо разрядить конденсатор замкнув его выводы на небольшое время проводником.
   
2. 
   Переведите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения. Установите диапазон 20 В.
   
3. 
   Подготовьте 2 таблицы для записи результатов измерений. В одну таблицу вы будете записывать данные при зарядке конденсатора, а в другую при его разрядке.
   

t,c	15	30
U, В

4. 
   Подключите мультиметр к выводам источника питания и измерьте напряжение на нем. При выполнении опыта Вам будет необходимо зарядить конденсатор до напряжения, составляющего 80% - 90% от напряжения источника питания. Поэтому рассчитайте эту величину заранее.
   
5. 
   Включите мультиметр в составленную электрическую цепь, подключив его к выводам конденсатора. Если показания мультиметра при разомкнутом ключе не равны нулю, необходимо разрядить конденсатор, замкнув его выводы на небольшое время проводником.
   
6. 
   Замкните ключ и одновременно начните отсчет времени. Через каждые 15 секунд записывайте показания мультиметра.
   
7. 
   После того, как напряжение на конденсаторе достигнет 80% - 90% величины выходного напряжения источника питания, разомкните ключ.
   
8. 
   Для изучения процесса разрядки конденсатора отсоедините источник питания и измените схему в соответствии с рис. 2.
   

1. 
   Перед тем как снова замкнуть ключ, измерьте напряжение на конденсаторе. Замкните ключ и с интервалом в 15 секунд записывайте показания мультиметра.
   

10. 
    Прекратите измерения, когда напряжение на конденсаторе упадет примерно до 10% от первоначальной величины.
    
11. 
    Используя полученные данные, постройте графики зависимости напряжения на конденсаторе от времени при его зарядке и разрядке. По графикам проанализируйте, насколько быстро менялось напряжение на конденсаторе в разные моменты его зарядки и разрядки.
    
12. 
    Для наблюдения за поведением тока во время зарядки и разрядки конденсатора переведите мультиметр в режим миллиамперметра с верхним пределом измерений 200мА.
    
13. 
    Соберите цепь для исследования зависимости силы тока, протекающего в цепи с конденсатором при его зарядке, от времени. Схема этой цепи показана на рис. 3.
    
14. 
    Подготовьте две таблицы для записи результатов измерений. В одну таблицу вы будете записывать данные при зарядке конденсатора, а в другую при его разрядке.
    

t,c	15	30
I, мА

10. 
    Замкните ключ и одновременно начните отсчет времени. Записывайте показания мультиметра с интервалом в 15 секунд.
    
11. 
    После того, как сила тока уменьшится до 10% от первоначального значения, разомкните ключ.
    
12. 
    Подготовьте установку для измерения тока разрядки конденсатора. Схема измененной установки показана на рис. 4.
    
13. 
    Замкните ключ и повторите измерения силы тока.
    

10. 
    Постройте графики зависимости силы тока от времени при зарядке и разрядке конденсатора.
    

Контрольные вопросы:

1. Когда напряжение на конденсаторе изменяется быстрее - в начале процесса зарядки или в конце?

2. Почему ток разряда конденсатора максимален в начальный момент времени?
2.Определение заряда и емкости конденсатора (двумя способами)

Цель работы: определить величину заряда конденсатора и рассчитать его емкость.

Оборудование:

• 
  источник питания • резистор 20 кОм , 360 Ом • мультиметр
  
• 
  ключ • конденсаторы (3 шт.) • секундомер
  
• 
  плата для установки конденсаторов
  

I способ:

Поскольку емкость конденсатора - это отношение величины заряда, имеющегося на его обкладках, к напряжению на конденсаторе (C=q/U), то экспериментально определить величину емкости конденсатора можно следующим образом.

Напряжение на конденсаторе можно измерить непосредственно с помощью мультиметра.


Рисунок
Заряд конденсатора определяют таким способом. Заряд на обкладках появляется в процессе зарядки конденсатора, т. е. при протекании тока в соответствующей электрической цепи. Поскольку сила тока в цепи это заряд, протекающий через проводник в единицу времени, то величину заряда, прошедшего по цепи, можно найти, умножив силу тока на время. По мере зарядки конденсатора сила тока в цепи изменяется, поэтому для подсчета заряда весь период зарядки разбивают на малые интервалы Δt, в течении которых можно силу тока I считать постоянной. Величина заряда Δq, на которую изменился заряд конденсатора за время Δt, рассчитывается по формуле Δq=IΔt. Просуммировав Δq, можно получить величину заряда конденсатора q (q=Δq₁+Δq₂+Δq₃+...+Δq_n).

Порядок выполнения работы:

1. 
   Соберите электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1, используя электролитический конденсатор (черного цвета) и сопротивление R = 20кОм. !Cоблюдайте полярность подключения конденсатора!
   

t,c	0	15	30	45	…	300
U, В
I=U/R, А
Δq=I·Δt, Кл

2. 
   Убедитесь в том, что конденсатор разряжен. Подключите мультиметр к выводам конденсатора. При этом его показания должны равняться нулю. В противном случае выводы конденсатора замкните на короткое время проводником.
   
3. 
   Подключите мультиметр параллельно сопротивлению R=20кОм.
   
4. 
   Замкните ключ и одновременно начните отсчет времени. Через каждые пятнадцать секунд записывайте показания вольтметра на протяжении пяти минут зарядки конденсатора.
   
5. 
   Через пять минут с начала зарядки разомкните ключ.
   
6. 
   Отключите мультиметр от резистора и измерьте с его помощью напряжение U_K, до которого зарядился конденсатор.
   
7. 
   На основании закона Ома рассчитайте силу тока в цепи и вычислите величины зарядов Δq, накапливаемые конденсатором каждые 15 с (Δq=IΔt, Δt=15 с). После этого заряды Δq сложите, определяя тем самым заряд q на обкладках конденсатора q=Δq₁+Δq₂+Δq₃+...+Aq_n
   
8. 
   Вычислите емкость конденсатора C=q/U_K
   
9. 
   Сравните величину емкости, полученную при обработке данных эксперимента, со значением, указанным на конденсаторе.
   

II способ:

Второй способ определения емкости конденсаторов основан на том, что конденсатор, включенный в цепь переменного тока, вносит в нее емкостное сопротивление Χ_с.. Величина этого сопротивления обратно пропорциональна емкости конденсатора и частоте электрических колебаний ν.

(1)

Следовательно, чтобы определить емкость конденсатора, необходимо знать силу тока в цепи - I, напряжение на выводах конденсатора - U_c и частоту переменного тока - ν.

Рисунок 2
Схема электрической цепи, используемой для определения емкости конденсатора, приведена на рис. 2. К источнику переменного напряжения подключены конденсатор и резистор, соединенные последовательно. Измерив напряжение на конденсаторе Uc и напряжение на резисторе U_R, Вы получите данные для расчета силы тока в цепи I и емкости конденсатора. Поскольку конденсатор и резистор соединены последовательно, через эти элементы протекает один и тот же ток.

Порядок выполнения работы

1. 
   Соберите электрическую цепь, схема которой приведена на рис. 2. Используйте один из конденсаторов неизвестной емкости (синего или красно-бурого цвета) и сопротивление R= 360Ом
   

Для подключения конденсаторов в цепь используйте плату.

2. 
   Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
   

№ опыта	U R, В	R, Ом	I,А	U с, В	ν,Гц	С, мкФ
1 2 3		360 360 360

3. 
   Переключите мультиметр в режим измерения переменного напряжения в диапазоне 20 В.
   
4. 
   Замкните ключ, измерьте напряжения на резисторе и конденсаторе и внесите данные в таблицу.
   
5. 
   По напряжению на резисторе U_R и величине его сопротивления R (она указана на корпусе), вычислите силу тока в цепи I.
   
6. 
   Принимая во внимание, что частота изменения напряжения в электрической сети равна 50 Гц, по формуле (3) вычислите емкость конденсатора.
   
7. 
   Повторите опыт с другим конденсатором.
   
8. 
   Установите на плату оба конденсатора. При этом они будут включены в цепь параллельно. Определите общую емкость двух конденсаторов.
   

Контрольные вопросы:

1. 
   От чего зависит величина тока зарядки конденсатора?
   
2. 
   Как изменится емкостное сопротивление конденсатора, если его подключить в цепь, где напряжение меняется с частотой 1000 Гц?
   
3. 
   Какое сопротивление имеет конденсатор в цепи постоянного тока?
   

3. Изучение последовательного и параллельного соединения конденсаторов

Цель работы: экспериментально проверить справедливость соотношений, использующихся при выводе

формулы емкости последовательно и параллельно соединенных конденсаторов.

Оборудование:

• 
  источник питания • конденсатор 2200 мкФ • резистор 10 Ом
  
• 
  ключ • конденсатор 4700 мкФ • мультиметр
  

1. 
   Последовательное соединение конденсаторов:
   

Если соединить два конденсатора последовательно, то их общая емкость С рассчитывается на основе следующего соотношения:

где C₁ и С₂ емкости конденсаторов, образующих сборку. При выводе данной формулы используются два утверждения:

• 
  напряжение, приложенное к двум последовательно соединенным конденсаторам, равно сумме напряжений на выводах каждого из них (U=U_l++U₂)
  
• 
  заряд сборки конденсаторов и заряд на каждом из конденсаторов равны (q=q₁=q₂).
  

Проверка первого утверждения проводится следующим образом. Поочередно измеряются напряжения на каждом из конденсаторов и на выводах сборки конденсаторов. После этого вычисляется сумма напряжений на конденсаторах и сравнивается с напряжением, приложенным к сборке конденсаторов.


Рисунок 1
Для внешней цепи конденсаторы С₁ и С₂ представляют собой один конденсатор емкостью C, положительной обкладкой которого является положительная обкладка, например, конденсатора С₁, а отрицательной - отрицательная обкладка конденсатора С₂. При этом отрицательная обкладка конденсатора С₁ соединена только с положительной обкладкой конденсатора С₂. В начальный момент оба конденсатора не заряжены, поэтому заряды на всех обкладках отсутствуют. В результате зарядки на обкладках, соединенных с внешней цепью, появляются заряды соответствующих знаков, а на обкладках, соединенных только друг с другом происходит разделение зарядов. Их сумма при этом остается равной нулю (заряды не могут попасть на эти обкладки извне), следовательно абсолютные величины зарядов на конденсаторах одинаковы (q₁=q₂)Если заряды конденсаторов С₁ и С₂ равны друг другу, то и заряд q конденсатора С равен q=q₁=q₂, поскольку речь идет об одних и тех же зарядах на одних и тех же обкладках.

Убедиться в равенстве зарядов на последовательно соединенных конденсаторах можно следующим образом. Заряд q, сообщенный конденсатору, связан с напряжением на его обкладках U и емкостью конденсатора С соотношением q = C·U. Значения емкости конденсаторов (C₁,C₂) известны, поэтому величина заряда на них рассчитывается на основе измеренных напряжений. После этого остается только сравнить величины зарядов на конденсаторах.

Порядок выполнения работы

1. 
   Соберите электрическую цепь, схема которой показана на рис. 1.
   
2. 
   Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
   

U1	U2	U	U1 + U2	C1	C2	q1,=C1·U1	q2=C2·U2

3. 
   Переключите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения в диапазоне "20В".
   
4. 
   Убедитесь, что конденсаторы не заряжены. Для этого при разомкнутом ключе поочередно подключите мультиметр к выводам каждого из конденсаторов. При отсутствии остаточных зарядов прибор должен давать нулевые показания. При наличии напряжения на конденсаторе его необходимо разрядить, замкнув на некоторое время выводы конденсатора проводником.
   
5. 
   Замкните ключ и измерьте напряжение U₁ на конденсаторе C₁, напряжение U₂ на конденсаторе С₂, и напряжение U на сборке конденсаторов.
   
6. 
   Рассчитайте сумму U₁+U₂ и проверьте выполнение равенства U=U₁+U₂ .
   
7. 
   По надписям на корпусах конденсаторов определите величины их емкости.
   
8. 
   Вычислите произведения C₁·U₁ и C₂·U₂.
   
9. 
   Проверьте выполнение равенства q₁=q₂.
   

2. 
   Параллельное соединение конденсаторов:
   

При параллельном соединении конденсаторов их общая емкость равна сумме емкостей каждого из конденсаторов. Общий заряд сборки равен сумме зарядов всех включенных в нее конденсаторов. Напряжение на выводах всех конденсаторов одинаковое.

Если конденсатор С₁ зарядить до напряжения U₀, и присоединить к нему параллельно еще один конденсатор С₂, то в результате перераспределения зарядов между конденсаторами оба они окажутся заряженными до некоторого напряжения U, которое может быть измерено с помощью мультиметра и рассчитано следующим образом.

Каталог: files
files -> Вопросы сертификационного экзамена для врачей по специальности «лфк и спортивная медицина»
files -> Рабочая программа составлена в соответствии с Требованиями к содержанию дополнительных профессиональных образовательных программ
files -> Рабочая программа дисциплины Лечебная физическая культура и массаж Направление подготовки 050100 Педагогическое образование
files -> Лечебная физкультура
files -> К рабочей программе дисциплины «Лечебная физкультура и спортивная медицина»
files -> Рабочая программа учебной дисциплины «медицинская реабилитация» цикла Медицинская реабилитация для специальности 310501 «Лечебное дело» по специализации 310501 «Лечебное дело»
files -> Лекции (час) Семинары (час) Самост работа Всего баллов Модуль 1
files -> Влияние мобильного телефона на здоровье человека