Дослідження конденсатора (варіант 1)

Завдання роботи:

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

Обладнання:

набірне поле «Школяр», датчик напруги, датчик струму, з’єднувальні провідники, джерело постійного струму, АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) Einstein LabMate+, кабель для під’єднання датчика, ПК.

Основні терміни та поняття

Електричне поле ДІЕЛЕКТРИКИ В ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛІ (ПОЛЯРИЗАЦІЯ ДІЕЛЕКТРИКА) – ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ У РЕЧОВИНІ Електроємність ЕЛЕКТРИЧНА ЄМНІСТЬ. ПЛОСКИЙ КОНДЕНСАТОР. ЕНЕРГІЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд обладнання

Основною характеристикою конденсатора є його електроємність – здатність, що характеризує властивість конденсатора нагромаджувати електричний заряд. У позначенні конденсатора фігурує значення номінальної ємності, у той час 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 у цій роботі. Визначивши величину заряду, що проходить у цьому процесі, просто обчислити його ємність.
Конденсатор може накопичувати електричну енергію. Енергія зарядженого конденсатора визначається за формулою:

(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. Підключіть коло до виходу джерела постійного струму.
5. З’єднаєте АЦП із USB-входом вашого ПК (дочекайтеся моменту, коли світлодіод на АЦП змінить колір з червоного на жовтий або зелений).
6. З’єднайте з АЦП датчики струму та напруги.
7. Підготуйте в зошиті таблицю для занесення результатів.
8. Запустіть програму MiLAB, обравши іконку .
9. Натисніть кнопку на АЦП так, щоб світлодіод почав блимати.
10. Оберіть внизу вікна «Повне налаштування».
11. Оберіть дискретизацію «Авто», частоту замірів – 500 замірів на секунду, кількість замірів – 5000.
12. Оберіть «Мінімальні налаштування».
13. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 6 В.
14. Перемикач на схемі повинен відповідати положенню зарядки конденсатора.
15. Натисніть кнопку «Старт» .
16. Перемкніть конденсатор на розрядку.
17. Дочекайтеся завершення реєстрації даних.
18. Повторно зарядіть і розрядіть конденсатор ще двічі, щоразу зберігаючи результат вимірювань.
19. Обріжте графік так, щоб виділити один цикл розрядки конденсатора.
20. Установіть «Перший курсор» на графік струму в точці його максимального значення.
21. Установіть «Другий курсор» на графік струму в точці, коли струм дорівнює 0.
22. У верхньому меню виберіть вкладку «Функції», а в ній – кнопку «Площа» .
23. Зчитайте значення площі у А∙с, що з’явилося в нижній лівій стороні графіку. Це значення є інтегралом струму за часом і дорівнює заряду q у Кл. Занесіть це значення до таблиці.
24. Установіть курсор на графік напруги і зчитайте його початкове значення U, занесіть його до таблиці.
25. Повторіть попередні кроки для інших збережених експериментів.

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. Зробіть висновки відповідно до завдання роботи.

Таблиця результатів