電容及電容瞬變時(shí)間

1、實(shí)驗(yàn)四電容及電容瞬變時(shí)間（transients）目的：掌握如何使用電容，如何連接電容，觀察電容充電及放電過程，電容是一種儲(chǔ)能元件，通過對(duì)其充電放電的觀察，深刻理解其儲(chǔ)能 特性，理解電容充電及放電瞬 變與時(shí)間的規(guī)律，通過實(shí)際值與理論值相比較，深刻理解電容瞬變時(shí)間的意義， 了解萬(wàn)用表等的使用，掌握電容元件的使用方法，通過作實(shí)驗(yàn)掌握計(jì)算電容的充 電和放電瞬變時(shí)間。最重要的是采集數(shù)據(jù)，多采集幾次求平均值，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn) 確更加具有可信性，采集完數(shù)據(jù)后要處理數(shù)據(jù)，通過處理數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的繪表， 分析數(shù)據(jù)，然后與理論值進(jìn)行比較，看是否與理論值相同，并分析數(shù)據(jù)誤差，證 明理論的正確性。通過次實(shí)驗(yàn)理解電容的充電及

2、放電過程及其時(shí)間常數(shù)實(shí).繼續(xù)熟 練掌握萬(wàn)用表測(cè)量電阻和電壓方法。電容的正負(fù)極（長(zhǎng)頭為正，短頭為負(fù)），學(xué) 會(huì)電容充放電的實(shí)際接法。通過觀察萬(wàn)用表記錄時(shí)間間隔內(nèi)的電壓值，了解電容 充電及放電電壓瞬變時(shí)間，同時(shí)明白電容充放電時(shí)電壓的變化是一個(gè)過程即： v=vto + i/c/idt0計(jì)算理論中電容的充電及放電瞬變時(shí)間：c = RC。所涉及的公式零輸入：件（1成=零狀態(tài)：匕U）= E（1 一廠）r-實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：檢查導(dǎo)線是否完好，測(cè)量電阻的實(shí)際值，并記錄其實(shí)際 值.檢查電容并分析電路實(shí)際連接方式，然后分工合作。電容是儲(chǔ)能元件，當(dāng)電源與電容電阻串聯(lián)后電源要給電容充電，充電過程中，電容電壓逐漸上升，電阻電壓逐

3、漸下降，最后電阻電壓電容的能量釋放過程：當(dāng)電容通過電阻接地時(shí)，電阻初始狀態(tài)電壓很 大，同時(shí)，電容放電過程非?？?直到最后電容電壓為零如圖1-2所示電容充電,放電瞬變時(shí)間常數(shù)：t = RC*當(dāng)電容經(jīng)過1個(gè)時(shí)間常數(shù)t = RC的充電過程，電容電壓達(dá)到電壓源電壓 值E的63. 2%,經(jīng)過2個(gè)時(shí)間常數(shù)r = RC的充電過程，電容電壓達(dá)到電壓 源電壓值E的86. 5%,當(dāng)經(jīng)過五個(gè)周期時(shí)間常數(shù)r = RC,我們認(rèn)為此時(shí)電 容電壓為全充電過程既電容電壓等于電源電壓.*對(duì)于電容放電過程，電容通過電阻經(jīng)過一個(gè)周期時(shí)間常數(shù)r = RC后, 電容電壓降到電壓電源的63. 2%,同樣，經(jīng)過5個(gè)時(shí)間常數(shù)r = RC后,

4、 我們認(rèn)為此時(shí)電容電壓為全釋即VlO.通過次實(shí)驗(yàn)將幫助我們將理解電容的充電及放電過程及其時(shí)間常數(shù).實(shí)驗(yàn)軟件及設(shè)備：模擬實(shí)驗(yàn)軟件：Circuitmaker 5. 5實(shí)驗(yàn)設(shè)備：實(shí)驗(yàn)教學(xué)板，直流電壓電源,數(shù)字式萬(wàn)用表，秒表實(shí)驗(yàn)元件：220電容（2個(gè)）,56（KQ）及100（K。）各一個(gè)，儀表連接線WG25電路連接線若干（根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)板而定）實(shí)驗(yàn)步驟:第一部分用模擬軟件繪圖如下:第一部分用模擬軟件繪圖如下:電路1電容電壓的充電及放電過程1.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)板上，用1個(gè)56（KQ）電阻R及1個(gè)220婦電容C,建以 下圖1 3的電路，請(qǐng)勿連接電壓電源到電路中1.1-32.用萬(wàn)用表測(cè)量一個(gè)將輸入電路的直流電壓源5

5、V,電阻實(shí)際值及電容實(shí)際值，記錄到表格1-1中的電路1中.電源電壓實(shí) 際測(cè)量值（V）電阻實(shí)際測(cè) 量值（KQ）電容實(shí)際測(cè) 量值（以尸）計(jì)算時(shí)間常數(shù) t = RC （秒）電路14.985722012.54電路24.9899. 722021.934表格1-1把萬(wàn)用表接在電容兩端后，迅速接通電壓電源（連接” 1”），同時(shí)，在 2分鐘之內(nèi)，每10秒讀取萬(wàn)用表上電容電壓的數(shù)據(jù)，記錄到表格1-2 充電電壓欄中.然后，斷開電路（連接” 2”），同時(shí),電路接地，在120 分鐘內(nèi)，每10秒鐘讀取萬(wàn)用表上電容電壓的數(shù)據(jù)，記錄到表格1-2放 電電壓欄中.請(qǐng)注意，放電時(shí)的起始電容電壓為充電2分鐘后的電容 穩(wěn)定電壓.重復(fù)

6、以上充電及放電過程2次,記錄電容電壓于表格1-2中，并且分 別計(jì)算充電及放電電壓平均值，記錄到表格1-2中時(shí)間 (秒)充電 電壓 (V)放電 電壓 (V)充電 電壓 (V)放電 電壓 (V)充電 電壓 (V)放電 電壓 (V)計(jì)算充電 電壓平均值(V)計(jì)算放電 電壓平均值(V)004.9804.9804.9804.98102. 452. 342. 492. 522. 532. 542.492. 4667202. 741.23.831.233.791.243. 45331. 2233304.430. 564.40. 574.410. 594.41330. 5733404.690. 294.690

7、. 284.70.34.69330. 29504.840. 144.840. 144.840. 144. 840. 14604.910. 074.90. 074.910. 074.90670. 07704.950. 044.940. 044.950. 044.94670. 04804.970. 024.950. 024.960. 024.960. 02904.970.014.960.014.970.014.96670.011004.980.014.970.014.980.014.97670.011104.9804.9704.9804.976701204.9804.9804.9804.980第二

8、部分表1-2電路2電容電壓充電過桂衣1.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)板上，用1個(gè)100(KQ)電阻替代圖1-3中電阻56(KQ) R 及1個(gè)220必電容C,建立以下圖1一4的電路，請(qǐng)勿連接電壓電源到 電路中.IR1.C 劣用萬(wàn)用表測(cè)量一個(gè)將輸入電路的直流電壓源5V,電阻實(shí)際值及電容 實(shí)際值，記錄到表格1-1中的電路2中.重復(fù)電路1的電容電壓充電及放電過程，記錄電容電壓及計(jì)算平均 值于表格1-3時(shí)間 (秒)充電 電壓 (V)放電 電壓 (V)充電 電壓 (V)放電 電壓 (V)充電 電壓 (V)放電 電壓 (V)計(jì)算充電 電壓平均 值(V)計(jì)算放電電壓平均值(V)004.9204.9304.9304.926666

9、667101.633. 381.723.31.773.281.70673.32202.862.242.72. 172.852. 112.80332.173333333303. 541.433. 521.392.61.363.221.393333333404.041.013.981.014. 0514.02331.006666667504. 360. 644. 320.634. 340. 644. 340.636666667604. 540.434.470.414.550.44. 520.413333333704. 680. 294.630. 274.680. 264.66330.2733333

10、33804.80. 194.740. 194. 790. 184.77670.186666667904.840. 134.810. 124. 840. 134.830.1266666671004.870. 094.850. 084. 880.084.86670.0833333331104.90. 064.910. 064.910.064.90670. 061204.920. 044.930.034.930. 044.92670.036666667表格1-31. a、1. a、當(dāng)電阻值為57k時(shí),t = RC=12. 54s,利用1-2中的數(shù)據(jù)作電容充電VS時(shí)間的圖形充電VS時(shí)間的圖形表B1b、

11、當(dāng)電阻為99. 7k, r = /?C=21.934,利用以上1-3中的數(shù)據(jù)作電 容充電vs時(shí)間的圖形表B2C、當(dāng)R二57時(shí)，r = /?C=12. 54s,根據(jù)表Bl,表Bl己將Y軸沿x軸平移了一個(gè)，按y軸上的刻度讀出電壓值Uc=2. 8V,則Uc/Us二2. 8/4. 98*100%二56%.當(dāng)R=99. 7時(shí)，t = RC=21. 934s,根據(jù)表B2,表B2已將Y軸沿x軸平移了一個(gè)J按y軸上的刻度讀出電壓值Uc=2.98V,則Uc/Us=2. 9/4. 98*100%二58%.2.此數(shù)據(jù)與圖1-1中的63. 2%的數(shù)據(jù)不相同。但是相接近。3.電容放電數(shù)據(jù)圖表如下分別為R二57K, R二

12、99. 7K.表B3表B4表B3表B4表B6表B6電容放電電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律，在上圖表B2,表B4,與我期待的圖t像相同，因?yàn)殡娙菰诜烹娺^程中理論計(jì)算公式為：ycM = Ve=Ve 電容隨著時(shí)間的增大而減小，是一個(gè)遞減函數(shù)。當(dāng)t為無(wú)限大時(shí)，電 容電壓為零。根據(jù)表B3,R二57時(shí)，r = /?C=12. 54s將電壓軸平移一個(gè)了, 如圖B5讀出Uc=2. 1電壓占總電源的百分比為Uc/US*100%=2. 1/5*100%二42%當(dāng)R=99. 7時(shí)，r = /?C=21.934 (s)，將電壓軸平移一個(gè)了時(shí)，如圖B6 讀出Uc二2V電壓占總電源的百分比為Uc/US*100%二2 /5*100%

13、=40%.兩種實(shí)際測(cè)量值分別為42%、40%,而理論值為36. 8%,雖然實(shí)際值與 理論值有出入，但相差不大，誤差是難以避免的，所以與我期待的圖 形是相同的。當(dāng)2時(shí)，電容電壓占電源電壓的86. 5%, Uc=Us*86. 5%Us=Uc/86. 5%=3. 75 (v) %()= (I-。)r- 時(shí)間為 5r 時(shí)電充電完 成，時(shí)間t=5F5 (s)時(shí)電路充電穩(wěn)定。充電穩(wěn)定時(shí)Uc =3.75 v。計(jì)算過程：JRC要求在100。)的電路中2秒通過，即5=2 (s)t =0.4sC=r/R=0. 4/10000 F=4X10-5F 答：使用 4X10-5F的電容。實(shí)驗(yàn)應(yīng)注意事項(xiàng)：連接電路前要檢查電路

14、中的各個(gè)元件是否合格。連 接時(shí)要注意電容長(zhǎng)腳短腳代表的含義，不要將電容連反。連完后要檢 查電路是否正確然后再打開電源，以免燒壞電路元件。實(shí)驗(yàn)誤差分析：在完美的實(shí)驗(yàn)都會(huì)有誤差，我們所能做的就是降低誤 差，在本實(shí)驗(yàn)中，誤差主要來(lái)源就是讀數(shù)，因?yàn)闀r(shí)間是變化的，而電 壓也是隨著時(shí)間變化的，這就導(dǎo)致了讀數(shù)不準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性是 導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)誤差的最主要原因。實(shí)驗(yàn)分析：本實(shí)驗(yàn)中證明了零狀態(tài)方程：U)= E(1-廠)2；t證明了了零輸入方程：氣(t)=阮-豆=沱*明確了電容充放電的過程。實(shí)驗(yàn)總結(jié)：這次實(shí)驗(yàn)連接很簡(jiǎn)單，困難在于讀數(shù)和記錄數(shù)據(jù)上，因?yàn)闀r(shí)間在變 化，電壓在變化，每十秒就要記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，而且在記完12次之后要趕緊更換電 路使其放電，然后再讀數(shù)，我們開始時(shí)就因?yàn)樽x數(shù)時(shí)錯(cuò)了兩次，都是配合不好， 導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤，第一次是時(shí)間錯(cuò)誤，第二次是時(shí)間到了，而合作者沒有讀數(shù)，這 導(dǎo)致我們還要重新連接電路，因?yàn)殡妷菏窃诓粩嘧兓?，如果中途中斷，就要?新去處理數(shù)據(jù)，這看似簡(jiǎn)單，其實(shí)并不是我們所相象的那