Вимірювання електроємності конденсатора

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментального пристрою

Основною характеристикою конденсатора є його електрична ємність, що характеризує здатність конденсатора накопичувати електричний заряд. У позначенні конденсатора фігурує значення номінальної ємності, в той час як реальна ємність може відрізнятися. Реальна ємність конденсатора визначає його електричні властивості. За означенням, ємність визначається відношенням заряду на обкладинці до різниці потенціалів між обкладинками.

 (1)

Для визначення величини заряду використовується процес заряджання та розряджання конденсатора через резистор. Як відомо, струм є похідною від заряду, взятій по часу, а заряд відповідно визначається як інтеграл від зміни струму. Взяття інтегралу на певному проміжку часу можливе за умови побудови графічної залежності струму від часу з використанням інструментів, вбудованих у програмне забезпечення ЦВК. Тому процес зарядження та розряджання конденсатора супроводжується неперервним процесом вимірювання струму та напруги в колі. Значення різниці потенціалів, необхідне для розрахунків, визначається як максимальне значення напруги на обкладинках конденсатора у процесі заряджання.

Хід роботи

Частина 1. Отримання даних 

1. Складіть електричне коло, представлене на світлині. Для ефективного проведення експерименту необхідно дібрати конденсатори значної ємності. У цьому випадку використовуються 2 конденсатори з номіналом 470 мкФ. Для впевненої реєстрації струму датчиком добирається резистор опором 49 Ом. Живлення здійснюється джерелом стабілізованої напруги 12 В.
2. З’єднайте джерело струму з електричним колом і під’єднайте датчик струму та напруги до ЦВК. З’єднайте ЦВК із ПК та запустіть програмне забезпечення.
3. Запрограмуйте ЦВК вимірювати необмежену кількість даних та частоту замірів 2000 замірів на секунду (значення частоти за замовчуванням).
4. Увімкніть запис даних. Увімкніть електричне коло перемикачем в режим заряджання конденсатора і через декілька секунд перемкніть на розряджання. Коли значення напруги стабілізується, вимкніть запис даних.
5. У разі відсутності можливості проведення експерименту завантажте дані вимірювань з ресурсу.

Аналіз даних

Частина 2. Аналіз даних

 Для аналізу отриманих даних у наведеному експерименті використовується програма Phywe measure 4 версія 6.13 (https://repository.curriculab.net/files/software/setupm_version_4613.exe). Файл даних має бути отриманий або відкритий у цій програмі.

1. У графічному вікні розташовані два графіки. На початку оптимізуйте масштаб, для чого оберіть у верхньому меню кнопку Приладжування .
2. Оскільки вимірювання здійснювалося двома датчиками, на екрані є два графіки. Перемикання між каналами даних здійснюється кнопками .
3. Оберіть канал запису значень напруги та у верхньому меню кнопку Огляд . У вікні графіка з’явиться рамка, розміри якої можна змінювати перетягуванням за кутки. Прилаштуйте розмір та позицію рамки так, щоб її верхній край торкався верхньої частини графіка, що відповідає максимальній напрузі, а нижній край – мінімальній напрузі.
4. Зчитайте у вікні поряд з рамкою значення максимальної напруги U і занотуйте його до таблиці.

Рис. 2. Зовнішній вигляд екрану з графіком зміни струму і виділенням піку

6. Вимкніть канал запису значень напруги та увімкніть канал запису значень струму.
7. Оберіть кнопку Виділити та виділіть рамкою пік зростання струму.
8. Оберіть у верхньому меню Аналіз – Показати інтеграл.
9. Зчитайте значення заряду q₁ та занотуйте його до таблиці.
10. Повторіть дії для піку розряджання конденсатора, зчитайте значення заряду q₂ та занотуйте до таблиці.
11. Розрахуйте середнє значення заряду q_ср та за формулою (1) – значення ємності конденсатора C. Занотуйте значення до таблиці. Порівняйте отримане значення з номінальним.
12. Проаналізуйте впливові фактори, що визначають похибку вимірювань, та сформулюйте висновок до роботи.

Таблиця результатів