Дослідження конденсатора (варіант 2)

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

1. Визначити енергію зарядженого конденсатора.
2. Розрахувати ємність конденсатора та порівняти її з номіналом.

Обладнання:

– набірне поле «Школяр»;
– датчик напруги DT001;
– датчик струму DT005;
– з’єднувальні провідники;
– джерело струму;
– реєстратор NOVA 5000.

Теоретична частина


Рис. 1.  Електричне коло для дослідження конденсатора


Рис. 2. Загальний вигляд обладнання

Основною характеристикою конденсатора є його електроємність – здатність, що характеризує властивість конденсатора нагромаджувати електричний заряд. У позначенні конденсатора фігурує значення номінальної ємності, тоді як реальна ємність може значно відрізнятися залежно від багатьох факторів. Реальна ємність конденсатора визначає його електричні властивості. За означенням ємності, заряд на обкладинці пропорційний напрузі між обкладинками:

q = C∙U, (1)

де С – електрична ємність конденсатора, Ф; U – напруга між обкладинками конденсатора, В.
З іншого боку, заряд конденсатора може бути визначений як інтеграл сили струму розряду через зовнішній опір, що й буде використано в зазначеній роботі. Визначивши величину заряду, що проходить у цьому процесі, просто обчислити його ємність.
Конденсатор може накопичувати електричну енергію. Енергія зарядженого конденсатора визначається за формулою:

W = (C∙U^2)/2 = (q∙U)/2 = q^2/2C. (2)

Хід роботи

1. З набірного поля «Школяр» зберіть електричне коло відповідно до рисунку 1.
2. З’єднайте датчик напруги паралельно конденсаторам.
3. З’єднайте датчик струму послідовно з резистором.
4. З’єднайте датчики напруги і струму з реєстратором NOVA 5000, використовуючи перший та другий входи.
5. Запустіть програму Multilab.
6. Відкрийте вкладку «Реєстратор» – «Налаштування реєстратора» і переконайтеся, що датчики розпізнані та підключені до входів.
7. Виберіть у списку частоту вимірів – 500 вимірів на секунду.
8. Виберіть час вимірів – 5 с.
9. Натисніть «Ок».
10. Переконайтеся, що датчики налаштовані правильно, для чого на короткий час натисніть кнопку «Пуск», а потім – «Стоп». Графіки повинні бути горизонтальними.
11. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 12 В.
12. Перемикач на схемі повинен відповідати положенню зарядки конденсатора.
13. Виберіть «Новий експеримент».
14. Натисніть кнопку «Пуск».
15. Перемкніть конденсатор на розряджання.
16. Дочекайтеся завершення реєстрації даних.
17. Повторно зарядіть і розрядіть конденсатор ще двічі, щоразу зберігаючи результат вимірювань.
18. Виконайте обрізання графіка, необхідне для виділення одного циклу розряджання конденсатора.
19. Установіть «Перший курсор» на графік струму в точці його максимального значення.
20. Установіть «Другий курсор» на графік струму в точці, коли струм дорівнює 0.
21. У верхньому меню оберіть «Майстер аналізу».
22. Виберіть вкладку «Перетворення» – «Інтеграл».
23. На отриманому графіку встановіть «Перший курсор» у точку, що відповідає максимальному значенню.
24. Зчитайте значення заряду q під графіком і занесіть його до таблиці.
25. Перетягніть курсор на графік напруги і зчитайте його початкове значення U, занесіть його до таблиці.

Аналіз даних

1. Обчисліть і занесіть до таблиці значення ємності конденсатора С, порівняйте його з номіналом.
2. Обчисліть і занесіть до таблиці значення енергії зарядженого конденсатора W.
3. Повторіть попередні кроки для інших збережених експериментів.
4. Зробіть висновки відповідно до завдання роботи.

Таблиця результатів: