Заряд и разряд конденсатора: Практический эксперимент с RC-цепью

Материалы для эксперимента с зарядом и разрядом конденсатора

Для проведения эксперимента соберите следующие предметы:

• 6-вольтовый аккумулятор
• Два электролитических конденсатора, минимум 1000 мкФ (например, Radio Shack #272-1019, 272-1032 или аналогичные)
• Два резистора 1 кОм
• Один тумблер SPST (однополюсный, однопозиционный) — подойдет бытовой выключатель

Большие значения емкости необходимы для достижения временных констант, достаточно долгих для точного измерения вольтметром и секундомером.

Поскольку большинство конденсаторов таких значений — электролитические, они полярны. Отрицательный вывод обычно отмечен линией или рядом линий, направленных к нему; положительный может иметь знак +. Обратное подключение почти наверняка приведет к поломке, даже при 6 В. Поломка электролитического конденсатора может вызвать взрыв с выбросом едких химикатов и злым запахом. Будьте осторожны.

Примечание по безопасности: если вы не уверены в маркировке полярности, обратитесь к даташиту или к квалифицированному инструктору.

Связанные ресурсы

• Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 13: «Capacitors»
• Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 16: «RC and L/R Time Constants»

Цели обучения

После завершения этой лабораторной работы вы сможете:

• Описать поведение конденсатора при заряде в RC-цепи
• Описать поведение при разряде
• Вычислять временную постоянную τ = RC
• Объяснять, как последовательное и параллельное соединение меняют общую емкость

Схема цепи заряда и разряда

Настройка эксперимента

Процедура

Измерение напряжения во время заряда

Соберите цепь заряда и замкните тумблер. Вольтметром записывайте напряжение на конденсаторе во времени. Обратите внимание на плавный экспоненциальный рост, а не скачкообразный переход.

Для разряда конденсатора до нуля замкните его выводы куском провода.

Временная постоянная τ RC-цепи равна произведению сопротивления и емкости. Для резистора 1 кОм и конденсатора 1000 мкФ τ = 1 с. Это время, за которое напряжение на конденсаторе достигает примерно 63,2% от напряжения аккумулятора.

Построение графика напряжения от времени на миллиметровке покажет характерную обратную экспоненту. Однoseкундная временная постоянная дает ограниченное разрешение, поэтому мы можем намеренно замедлить цепь.

Изменение временной постоянной

Увеличьте τ, изменяя:

• общее сопротивление (например, добавляя резисторы последовательно), или
• общую емкость (например, соединяя конденсаторы последовательно или параллельно).

Экспериментируйте с различными последовательными и параллельными комбинациями двух резисторов и двух конденсаторов, чтобы найти конфигурацию с самой медленной кривой заряда.

Помните: при соединении конденсаторов убедитесь, что их отрицательные выводы ориентированы к отрицательному полюсу аккумулятора.

Цепь разряда ведет себя аналогично, но напряжение начинается от уровня аккумулятора и медленно спадает после размыкания тумблера. Повторите эксперименты с разными соединениями резисторов и конденсаторов, всегда соблюдая полярность.

Компьютерное моделирование

SPICE-схема с номерами узлов:

Нетлист (скопируйте в текстовый файл rc.cir):

Capacitor charging circuit
v1 1 0 dc 6
r1 1 2 1k
c1 2 0 1000u
.ic 0
.tran 0.1 5
.uic
.plot tran v(2,0)
.end

Рабочие листы

• Time Constant Calculations Worksheet
• Capacitors Worksheet