งานห้องปฏิบัติการ № 6

การศึกษากระบวนการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุ

วัตถุประสงค์ในการทำงาน

การศึกษากระบวนการประจุและการคายประจุของตัวเก็บประจุใน RC- วงจรการทำความคุ้นเคยกับการทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้ในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์แบบพัลซิ่ง

ฐานทางทฤษฎีของงาน

พิจารณารูปแบบที่นำเสนอในรูปที่ 1. วงจรรวมถึงแหล่งที่มา กระแสตรง, ความต้านทานแบบแอคทีฟและตัวเก็บประจุ, กระบวนการของประจุและการคายประจุที่เราจะพิจารณา เราจะวิเคราะห์กระบวนการเหล่านี้แยกกัน

ตัวเก็บประจุปล่อย

ให้แหล่งกระแส e เชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุ C ก่อนผ่านความต้านทาน R จากนั้นตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จดังแสดงในรูปที่ 1. ย้ายคีย์ K จากตำแหน่งที่ 1 ไปยังตำแหน่งที่ 2 กัน เป็นผลให้ตัวเก็บประจุถูกประจุเป็นแรงดันไฟฟ้า อีจะเริ่มไหลผ่านความต้านทาน R เมื่อพิจารณาว่ากระแสจะเป็นบวกเมื่อถูกนำจากแผ่นตัวเก็บประจุที่มีประจุบวกไปยังประจุลบเราสามารถเขียนได้

http://pandia.ru/text/78/025/images/image003_47.gif" width="69 height=25" height="25">, , (1)

ที่ไหน ผม- ค่าทันทีของกระแสในวงจร เครื่องหมายลบแสดงว่ากระแสในวงจร ผมที่เกี่ยวข้องกับการลดค่าใช้จ่าย qบนคอนเดนเซอร์

qและ จาก- ค่าประจุและแรงดันไฟบนตัวเก็บประจุทันที

แน่นอน สองนิพจน์แรกคือนิยามของความแรงกระแสและความจุไฟฟ้า ตามลำดับ และอันสุดท้ายคือกฎของโอห์มสำหรับส่วนของวงจร

จากความสัมพันธ์สองครั้งสุดท้าย เราแสดงความเข้มแข็งในปัจจุบัน ผมด้วยวิธีต่อไปนี้:

http://pandia.ru/text/78/025/images/image006_31.gif" width="113" height="53 src="> (2)

18. เหตุใดจึงไม่มีแหล่งจ่ายกระแสตรงแสดงในแผนภาพวงจรในการติดตั้งนี้

19. เป็นไปได้ไหมที่จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของแรงดันไซน์, แรงดันฟันเลื่อยในการติดตั้งนี้?

20. ความถี่และระยะเวลาของพัลส์ที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าควรผลิตคืออะไร?

21. ทำไมเราต้องมีความต้านทานแบบแอคทีฟในวงจรนี้ R? คุณค่าของมันควรเป็นอย่างไร?

22. ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานชนิดใดที่สามารถใช้ในการติดตั้งนี้ได้?

23. ค่าความจุและความต้านทานสามารถมีค่าเท่าใดในวงจรนี้?

24. จุดประสงค์ของการซิงโครไนซ์สัญญาณออสซิลโลสโคปคืออะไร?

25. คุณจะได้สัญญาณที่เหมาะสมที่สุดบนหน้าจอออสซิลโลสโคปได้อย่างไร? มีการปรับอะไรบ้าง?

26. วงจรประจุและวงจรคายประจุของตัวเก็บประจุต่างกันอย่างไร?

27. ต้องใช้การวัดใดเพื่อกำหนดความจุของตัวเก็บประจุใน RC-โซ่?

28. จะประเมินข้อผิดพลาดในการวัดระหว่างการติดตั้งได้อย่างไร?

29. วิธีปรับปรุงความแม่นยำในการกำหนดเวลาพักผ่อน RC-โซ่?

30. อะไรคือวิธีในการปรับปรุงความแม่นยำในการกำหนดความจุของตัวเก็บประจุ

การชาร์จและการคายประจุตัวเก็บประจุ

1 ชาร์จ ตัวเก็บประจุอิเล็กทริก

ความเข้าใจผิดของการตีความที่มีอยู่ของการทำงานของตัวเก็บประจุนั้นชัดเจนเป็นพิเศษ มันขึ้นอยู่กับการมีประจุบวกและลบในวงจรไฟฟ้า รู้จักพาหะของประจุเหล่านี้: โปรตอนและอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม พวกมันยังรับรู้ถึงการมีอยู่ของกันและกันในระยะห่างหนึ่งพันเท่าของขนาดอิเล็กตรอนและหนึ่งล้านเท่าของโปรตอน แม้แต่บริเวณใกล้เคียงที่อยู่ห่างไกลกันก็จบลงด้วยการก่อตัวของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งมีอยู่ในสถานะพลาสมาที่อุณหภูมิสูงถึง 5,000 องศาเซลเซียสเท่านั้น สิ่งนี้เกิดขึ้นตัวอย่างเช่นในกระบวนการกำจัดอิเล็กตรอนและโปรตอนออกจากดวงอาทิตย์และต่อมา รวมกันเป็นอะตอมไฮโดรเจน ดังนั้นการมีอยู่ร่วมกันของโปรตอนและอิเล็กตรอนในสถานะอิสระในตัวนำจึงถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง ดังนั้น ศักย์บวกและลบบนจานของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกจึงเป็นความผิดพลาดของนักฟิสิกส์ มาแก้ไขกันเถอะ

ตอนนี้เราจะเห็นว่าเพลตของตัวเก็บประจุไดอิเล็กทริกนั้นไม่ได้มีประจุไฟฟ้าตรงข้าม แต่มีขั้วแม่เหล็กตรงข้าม ในกรณีนี้ ฟังก์ชันบวกเป็นของขั้วแม่เหล็กใต้ของอิเล็กตรอน และฟังก์ชันลบอยู่ทางทิศเหนือ ขั้วเหล่านี้เป็นขั้ว แต่ไม่ใช่ไฟฟ้า แต่เป็นแม่เหล็ก ให้เราติดตามกระบวนการชาร์จตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกเพื่อดูว่าขั้วแม่เหล็กของอิเล็กตรอนสร้างขั้วแม่เหล็กของเพลตได้อย่างไร เป็นที่ทราบกันว่าระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกจะมีไดอิเล็กตริก D (รูปที่ 1, a)

โครงร่างของการทดลองชาร์จตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกแสดงในรูปที่ 1, ก. ข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดสำหรับโครงการนี้คือการวางแนวจากใต้ (S) ไปทางเหนือ (N) เพื่อให้แน่ใจว่าการแยกตัวเก็บประจุออกจากแหล่งจ่ายไฟหลักอย่างสมบูรณ์หลังจากชาร์จแล้ว ขอแนะนำให้ใช้ปลั๊กไฟฟ้าที่เสียบเข้ากับเต้ารับไฟฟ้าหลักที่มีแรงดันไฟฟ้า 220 V

ทันทีหลังจากไดโอดแสดงเข็มทิศ 1 (K) วางบนลวดไปที่ตัวเก็บประจุ C ลูกศรของเข็มทิศนี้เบี่ยงเบนไปทางขวาในขณะที่เปิดปลั๊กแสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ( รูปที่ 1) จากจุด S ถึงแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุ ที่นี่ควรให้ความสนใจกับข้อมูลทั่วไปเกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในสายไฟที่แสดงในรูปที่ หนึ่ง.

ข้าว. 1. แบบแผนการทดลองการชาร์จตัวเก็บประจุของเรา

เหนือเข็มทิศ 1 (รูปที่ 1) แสดงไดอะแกรมของทิศทาง สนามแม่เหล็กรอบเส้นลวดที่เกิดจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไป

ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ผ่านไดโอดจะมาถึงแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุด้วยเวกเตอร์สปินที่มุ่งเน้น

และโมเมนต์แม่เหล็กที่พื้นผิวด้านใน (รูปที่ 1) เป็นผลให้ศักย์แม่เหล็กเหนือ (N) เกิดขึ้นบนพื้นผิวนี้

เป็นเรื่องปกติที่อิเล็กตรอนจะมายังพื้นผิวด้านในของเพลตบนของตัวเก็บประจุจากโครงข่าย โดยวางแนวโดยขั้วแม่เหล็กใต้ (S) ข้อพิสูจน์นี้คือข้อเท็จจริงในการทดลองของการเบี่ยงเบนของเข็มของเข็มทิศบน 2 (K) ไปทางขวา (รูปที่ 1) ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากเครือข่ายไปยังแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุจะถูกวางโดยขั้วแม่เหล็กใต้ (S) ในทิศทางของการเคลื่อนไหว (รูปที่ 2)

ดังนั้นการวางแนวของอิเล็กตรอนบนเพลตของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกช่วยให้มั่นใจการซึมผ่านของสนามแม่เหล็กผ่านอิเล็กทริก ศักยภาพของเพลตตัวเก็บประจุคือขั้วลบหนึ่งขั้วและขั้วแม่เหล็กสองขั้ว: ขั้วแม่เหล็กเหนือและใต้

ในรูป รูปที่ 2 แสดงแผนภาพที่อธิบายการวางแนวของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปทางแผ่นตัวเก็บประจุ C อิเล็กตรอนมาถึงแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุโดยให้ขั้วแม่เหล็กเหนือ (N) หันไปทางพื้นผิวด้านใน (รูปที่ 2) อิเล็กตรอนที่เน้นโดยขั้วแม่เหล็กใต้ (S) มาที่พื้นผิวด้านในของเพลตบนของตัวเก็บประจุ

ข้าว. 2. แบบแผนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนไปยังเพลตของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริก

ดังนั้นอิเล็กตรอน - ตัวนำไฟฟ้าเพียงตัวเดียวในสายไฟจึงก่อตัวบนแผ่นตัวเก็บประจุซึ่งไม่ได้อยู่ตรงข้ามกับขั้วไฟฟ้า แต่ตรงกันข้ามกับขั้วแม่เหล็ก ไม่มีโปรตอนบนเพลตของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกซึ่งเป็นพาหะของประจุบวก

2 การปลดปล่อยตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริก

กระบวนการคายประจุตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกเพื่อต้านทานเป็นข้อพิสูจน์การทดลองครั้งต่อไปของการติดต่อกันระหว่างความเป็นจริงของแบบจำลองอิเล็กตรอนที่ระบุและการเข้าใจผิดของแนวคิดที่มีอยู่ว่าประจุไฟฟ้าที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นบนแผ่นของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริก (รูปที่ 3) .

รูปแบบการเบี่ยงเบนของเข็มเข็มทิศ (K) 1, 2, 3 และ 4 เมื่อตัวเก็บประจุถูกปล่อยไปยังความต้านทาน R ในขณะที่เปิดสวิตช์ 5 จะแสดงในรูปที่ 3.

ดังที่เห็นได้ (รูปที่ 1 และ 3) ในขณะที่เปิดกระบวนการคายประจุตัวเก็บประจุ ขั้วแม่เหล็กบนแผ่นตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนเป็นด้านตรงข้ามและอิเล็กตรอนเมื่อหันกลับมาเริ่มเคลื่อนที่ไปทางความต้านทาน R ( มะเดื่อ 2, 3).

ข้าว. 3. รูปแบบการโก่งตัวของเข็มเข็มทิศ (K) ในขณะที่ปล่อยประจุออก

ข้าว. 4. แบบแผนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากเพลตของตัวเก็บประจุไปยังความต้านทาน R เมื่อคายประจุไดอิเล็กตริก

อิเล็กตรอนที่มาจากแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุจะถูกวางโดยขั้วแม่เหล็กใต้ในทิศทางของการเคลื่อนไหวและจากด้านล่าง - ทางทิศเหนือ (รูปที่ 4) เข็มทิศ 3 และ 4 ติดตั้งบนชุดสายไฟ BA ที่เน้นจากใต้ไปเหนือ แก้ไขข้อเท็จจริงนี้ให้ชัดเจนโดยหันลูกศรไปทางขวา พิสูจน์ว่าเวกเตอร์ของการหมุนและโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนทั้งหมดในสายเหล่านี้ส่งมาจากทิศใต้ ไปทางเหนือ (รูปที่ 3, 4)

3 กำลังชาร์จ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า

เมื่อวิเคราะห์กระบวนการชาร์จของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ควรพิจารณาว่ามีไอออนในตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งมีประจุบวกและลบ ซึ่งควบคุมกระบวนการของการเกิดศักย์ไฟฟ้าบนเพลตของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ตอนนี้เราจะเห็นว่าการมีอยู่ของอิเล็กโทรไลต์ในตัวเก็บประจุไม่ได้นำไปสู่การปรากฏตัวของพาหะประจุบวกนั่นคือโปรตอนในสายไฟ

อิเล็กตรอนเป็นทอรัสกลวงที่มีการหมุนสองรอบ: เกี่ยวกับแกนสมมาตรและเกี่ยวกับแกนวงแหวนของทอรัส การหมุนรอบแกนวงแหวนของทอรัสทำให้เกิดสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนและทิศทางของแม่เหล็ก เส้นแรงสนามนี้ประกอบด้วยขั้วแม่เหล็กสองขั้ว: เหนือ N และใต้ S

การหมุนของอิเล็กตรอนรอบแกนกลางถูกควบคุมโดยโมเมนต์จลน์

- ปริมาณเวกเตอร์ โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนยังเป็นปริมาณเวกเตอร์ด้วย ซึ่งสอดคล้องกับทิศทางของเวกเตอร์โมเมนตัมเชิงมุม เวกเตอร์ทั้งสองนี้ก่อตัวเป็นขั้วแม่เหล็กเหนือของอิเล็กตรอน (N) และที่ปลายอีกด้านของแกนกลางของการหมุนของมัน จะเกิดขั้วแม่เหล็กใต้ (S) การก่อตัวของโครงสร้างที่ซับซ้อนของอิเล็กตรอนนั้นถูกควบคุมโดยค่าคงที่มากกว่า 20 ค่า

ในรูป 5 และแสดงการวางแนวของไอออนเป็นตัวอย่าง

ในสนามไฟฟ้า โปรตอนที่มีประจุบวกซึ่งมีขั้วแม่เหล็กเหนือพุ่งตรงไปยังจานที่มีประจุลบ (-) เนื่องจากเวกเตอร์ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนและโปรตอนในอะตอมไฮโดรเจนมีทิศทางตรงกันข้าม อิเล็กตรอนในแนวแกน 2 และ 3 ของอะตอมออกซิเจน ซึ่งเชื่อมต่อกันเป็นสายโซ่ที่มีโปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียสของอะตอมออกซิเจน ขั้วแม่เหล็กที่ปลายแกนไอออน (รูปที่ 5, a) รูปแบบของขั้วแม่เหล็กนี้ยังคงอยู่ตามแกนของกระจุกที่ประกอบด้วยไอออนเหล่านี้ (รูปที่ 5b) ตรรกะของกระบวนการทั้งหมดจะถูกรักษาไว้ก็ต่อเมื่อการกระทำของประจุและสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนและโปรตอนมีค่าเท่ากัน

มาใส่ใจกัน คุณสมบัติหลักโครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจน: เวกเตอร์ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน

และโปรตอนจะพุ่งไปตามแกนของอะตอมใน ฝ่ายตรงข้าม. นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าการเข้าใกล้ของโปรตอนและอิเล็กตรอนถูก จำกัด ด้วยขั้วแม่เหล็กที่มีชื่อเดียวกัน การกระจายตัวของสนามแม่เหล็กในโครงสร้างของไอออนแสดงในรูปที่ . 5, ก. ดังที่เห็นได้จากปลายแกนของไอออนนี้คือขั้วแม่เหล็กด้านเหนือของอิเล็กตรอนและโปรตอน กระจุกไอออนก็มีขั้วเหมือนกัน (รูปที่ 5b) ค่อนข้างเป็นธรรมชาติที่จำนวนกลุ่มไอออนก่อตัวขึ้น วงจรไฟฟ้าในตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกมีขนาดใหญ่มาก

ถ้าบทบาทของอิเล็กโทรดที่แสดงในรูปที่ 5, a, แผ่นตัวเก็บประจุถูกสร้างขึ้นแล้วเมื่อชาร์จอิเล็กตรอนที่มาจากเครือข่ายภายนอกจะถูกวางโดยขั้วแม่เหล็กใต้ที่แผ่นตัวเก็บประจุด้านซ้ายและขั้วแม่เหล็กทิศเหนือที่แผ่นด้านขวา นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนนำขั้วแม่เหล็กตรงข้ามมารวมกัน และการเข้าใกล้ของอิเล็กตรอนกับโปรตอนถูกจำกัดด้วยขั้วแม่เหล็กที่คล้ายคลึงกัน

ข้าว. 5. ก) - แบบแผนของไอออน; ไดอะแกรมของคลัสเตอร์สองไอออน

ในรูป 6 และแสดงการวางแนวของไอออนเป็นตัวอย่าง

ในตัวเก็บประจุที่มีประจุ โปรตอนที่มีประจุบวกซึ่งมีขั้วแม่เหล็กทิศเหนือมุ่งตรงไปยังแผ่นประจุลบ (-) ด้านล่างของตัวเก็บประจุ เนื่องจากเวกเตอร์ของโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนและโปรตอนในอะตอมไฮโดรเจนมีทิศทางตรงกันข้าม อิเล็กตรอนในแนวแกน 2 และ 3 ของอะตอมออกซิเจน ซึ่งเชื่อมต่อกันเป็นสายโซ่ที่มีโปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียสของอะตอมออกซิเจน ขั้วแม่เหล็กที่ปลายแกนไอออน รูปแบบของขั้วแม่เหล็กนี้ยังคงอยู่ตามแกนของกระจุกที่ประกอบด้วยไอออนเหล่านี้ ตรรกะของกระบวนการทั้งหมดจะถูกรักษาไว้ก็ต่อเมื่อการกระทำของประจุและสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนและโปรตอนมีค่าเท่ากัน

ให้เราให้ความสนใจเป็นพิเศษกับความจริงที่ว่าแผ่นบนของตัวเก็บประจุ (รูปที่ 6, a) มีอิเล็กตรอนทั้งสองด้านและดูเหมือนว่าพวกมันจะผลักกัน อย่างไรก็ตามควรระลึกไว้เสมอว่าในระหว่างการก่อตัวของกลุ่มอิเล็กตรอนพวกมันเชื่อมต่อกันด้วยขั้วแม่เหล็กตรงข้ามและประจุไฟฟ้าเดียวกันจะ จำกัด การเข้าใกล้ดังนั้นการสัมผัสของไอออนกับแผ่นบนของตัวเก็บประจุ มีให้โดยขั้วแม่เหล็กตรงข้ามของอิเล็กตรอน ที่แผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุมีประจุไฟฟ้าอยู่ตรงข้ามซึ่งนำโปรตอนของอะตอมไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนของแผ่นตัวเก็บประจุมารวมกัน แต่การสร้างสายสัมพันธ์นี้จำกัดอยู่ที่ขั้วแม่เหล็กที่มีชื่อเดียวกัน สิ่งนี้อธิบายความขัดแย้งที่ชัดเจน

ข้าว. 6. ก) แผนผังการวางแนวไอออนในตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ข ) วงจรชาร์จตัวเก็บประจุ

ดังนั้นเพลตของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจึงถูกประจุด้วยขั้วไฟฟ้าตรงข้ามและขั้วแม่เหล็กตรงข้ามในเวลาเดียวกัน ในกรณีนี้ ฟังก์ชันบวกเป็นของขั้วแม่เหล็กใต้ของอิเล็กตรอน และฟังก์ชันลบอยู่ทางทิศเหนือ ขั้วเหล่านี้สร้างทั้งขั้วไฟฟ้าและขั้วแม่เหล็กบนแผ่นตัวเก็บประจุ มาดูขั้นตอนการชาร์จตัวเก็บประจุเพื่อดูว่าขั้วแม่เหล็กของอิเล็กตรอนและโปรตอนสร้างขั้วแม่เหล็กและไฟฟ้าของเพลตได้อย่างไร

โครงร่างของการทดสอบการชาร์จตัวเก็บประจุแสดงในรูปที่ 5ข. ข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดสำหรับโครงการนี้คือการวางแนวจากใต้ (S) ไปทางเหนือ (N) ทันทีหลังจากไดโอดแสดงเข็มทิศ 1 (K) วางบนลวดไปที่ตัวเก็บประจุ C ลูกศรของเข็มทิศนี้เบี่ยงเบนไปทางขวาในขณะที่แรงดันเปิดอยู่แสดงทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (รูปที่ . 5, b) จากจุด S ถึงแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุ C. เข็มทิศด้านบนแสดงไดอะแกรมของทิศทางของสนามแม่เหล็กรอบลวดซึ่งเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในนั้น

ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ผ่านไดโอดมาถึงแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุด้วยเวกเตอร์การหมุนเชิงมุม

และโมเมนต์แม่เหล็กที่พื้นผิวด้านใน (รูปที่ 5b) เป็นผลให้เกิดศักย์แม่เหล็กทางเหนือ (N) บนพื้นผิวนี้ซึ่งเทียบเท่ากับศักย์ลบ (-)

เป็นเรื่องปกติที่อิเล็กตรอนจะเข้ามาที่แผ่นบนของตัวเก็บประจุจากเครือข่ายด้วยขั้วแม่เหล็กใต้ (S) ที่มุ่งเน้น ข้อพิสูจน์นี้คือข้อเท็จจริงในการทดลองของการเบี่ยงเบนของเข็มของเข็มทิศบน 2 (K) ไปทางขวา (รูปที่ 5, b) ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านเส้นลวดไปยังแผ่นด้านบนของตัวเก็บประจุจะวางตัวกับขั้วแม่เหล็กใต้ (S) ในทิศทางของการเคลื่อนที่

ในรูป 4 เป็นไดอะแกรมอธิบายทิศทางของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปทางเพลตของตัวเก็บประจุ C เมื่อถูกประจุ อิเล็กตรอนมาถึงแผ่นด้านล่างของตัวเก็บประจุโดยให้ขั้วแม่เหล็กเหนือ (N) หันไปทางพื้นผิวด้านใน อิเล็กตรอนมาที่พื้นผิวด้านในของเพลตบนของตัวเก็บประจุโดยมีขั้วแม่เหล็กใต้ (S) วางตัวอยู่

ขอให้เราใส่ใจกับความจริงที่ว่าทิศทางของการวางแนวของอิเล็กตรอนเมื่อพวกมันเคลื่อนเข้าหาจานของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริก (รูปที่ 4) นั้นคล้ายกับการวางแนวของอิเล็กตรอนเมื่อพวกมันเคลื่อนไปทางแผ่นของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า (รูปที่ 6 ข)

ดังนั้นอิเล็กตรอน - ตัวนำไฟฟ้าเพียงตัวเดียวในสายไฟจึงก่อตัวบนจานของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าและขั้วไฟฟ้าตรงข้าม (+ และ -) และขั้วแม่เหล็กตรงข้าม (S และ N) ในเวลาเดียวกัน

4 การคายประจุตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า

กระบวนการคายประจุตัวเก็บประจุเพื่อต้านทานเป็นหลักฐานการทดลองต่อไปของความถูกต้องของการตีความใหม่ของทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน (รูปที่ 3) ในสายไฟและการเข้าใจผิดของแนวคิดที่มีอยู่ซึ่งมีเพียงประจุไฟฟ้าที่ตรงกันข้ามเท่านั้นที่ก่อตัวขึ้นบน แผ่นตัวเก็บประจุ

แบบแผนของการโก่งตัวของเข็มทิศ (K) 1, 2, 3 และ 4 เมื่อตัวเก็บประจุถูกปล่อยสู่ความต้านทาน R ในขณะที่เปิดสวิตช์ 5 จะแสดงในรูปที่ 3.

ดังที่เห็นได้ (รูปที่ 2) ในขณะที่เปิดกระบวนการคายประจุตัวเก็บประจุ ขั้วแม่เหล็กและไฟฟ้าบนแผ่นตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนเป็นขั้วตรงข้าม และอิเล็กตรอนเมื่อหันไปรอบๆ ก็เริ่มเคลื่อนที่เข้าหาความต้านทาน R ( มะเดื่อ 2).

อิเล็กตรอนที่มาจากแผ่นบนของตัวเก็บประจุจะถูกวางโดยขั้วแม่เหล็กใต้ในทิศทางของการเคลื่อนที่และจากด้านล่าง - ทางทิศเหนือ เข็มทิศ 3 และ 4 ซึ่งติดตั้งอยู่บนชุดสายไฟ BA (รูปที่ 3) ซึ่งวางจากใต้ไปเหนือ จะแก้ไขข้อเท็จจริงได้อย่างชัดเจนโดยหันลูกศรไปทางขวา พิสูจน์ว่าเวกเตอร์ของการหมุนและโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนทั้งหมดเข้า สายไฟเหล่านี้ส่งตรงจากใต้สู่เหนือ

อย่างที่เห็น โครงร่างการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระหว่างการคายประจุของตัวเก็บประจุไดอิเล็กตริกนั้นคล้ายคลึงกับโครงร่างของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในระหว่างการคายประจุของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า (รูปที่ 3)

และตอนนี้ลองจินตนาการถึงช่วงเวลาของการเปิดหรือปิดวงจรไฟฟ้า ซึ่งอย่างที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว สาเหตุของปรากฏการณ์นี้คือในขณะที่เปิดวงจรไฟฟ้าจะมีเฟสที่ส่วนหนึ่งของวงจรนี้เกิดขึ้นจากไอออนของอากาศ จำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในไอออนเหล่านี้มากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดมาก เป็นผลให้พวกเขาเพิ่มขึ้น ศักย์ไฟฟ้าในช่วงเวลานั้นที่ไอออนของอากาศก่อตัวเป็นวงจรไฟฟ้า เห็นได้ชัดเจนในรูปที่ 5a ซึ่งแสดงไอออน

ระหว่างแผ่นของตัวเก็บประจุ โซนของวงจรไฟฟ้าที่ขาดนั้นเต็มไปด้วยไอออนเดียวกัน

วัตถุประสงค์ของงานคือเพื่อศึกษากระบวนการคายประจุตัวเก็บประจุต่อความต้านทานเชิงแอคทีฟ กำหนดเวลาผ่อนคลาย และประมาณค่าความจุของตัวเก็บประจุ

เครื่องมือและอุปกรณ์เสริม: การตั้งค่าห้องปฏิบัติการ แหล่งจ่ายไฟ ไมโครมิเตอร์ ตัวเก็บประจุทดสอบ นาฬิกาจับเวลา

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าหรือเพียงแค่ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์ที่สามารถสะสมและปล่อยประจุไฟฟ้า (แจกจ่ายซ้ำ) ตัวเก็บประจุประกอบด้วยตัวนำ (แผ่น) สองตัวขึ้นไปคั่นด้วยชั้นอิเล็กทริก ตามกฎแล้วระยะห่างระหว่างเพลตเท่ากับความหนาของอิเล็กทริกนั้นเล็กเมื่อเทียบกับขนาดเชิงเส้นของเพลตดังนั้นสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อเพลตเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายแรงดัน ยูมีความเข้มข้นเกือบสมบูรณ์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก ตัวเก็บประจุจะแบน, ทรงกระบอก, ทรงกลมทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรูปร่างของเพลต

ลักษณะสำคัญของตัวเก็บประจุคือความจุ คซึ่งเป็นตัวเลขเท่ากับค่าใช้จ่าย Qหนึ่งในเพลตที่แรงดันไฟฟ้าเท่ากับความสามัคคี:

ให้ตัวเก็บประจุที่มีความจุ ครวมอยู่ในวงจรไฟฟ้า (รูปที่ 1)

รูปที่ 1

ที่มีแหล่งที่มา แรงดันคงที่ คุณ 0, กุญแจ Kและตัวต้านทาน (ความต้านทาน) R. เมื่อปิดกุญแจ Kตัวเก็บประจุถูกชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้า คุณ 0. ถ้าอย่างนั้นกุญแจ Kเปิดตัวเก็บประจุจะเริ่มไหลผ่านตัวต้านทาน Rและในห่วงโซ่จะมี ไฟฟ้า ฉัน.ปัจจุบันนี้เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา เมื่อพิจารณาถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในวงจรแบบกึ่งนิ่ง เราจะใช้กฎของกระแสตรงสำหรับวงจรนี้

ค้นหาการพึ่งพาของกระแสไฟออก ฉันจากเวลา t. ในการทำเช่นนี้ เราใช้กฎ Kirchhoff ข้อที่สองซึ่งใช้กับเชน R-C(รูปที่ 2). จากนั้นเราได้รับ:

, (1)

ที่ไหน ฉัน- กระแสไฟฟ้าในวงจร Q- ค่าตัวเก็บประจุ ค. แทนค่าในสมการ (1) ค่าของกระแสไฟดิสชาร์จ ฉัน = - dQ / dt, เราได้รับ สมการเชิงอนุพันธ์ลำดับแรกพร้อมตัวแปรที่แยกออกได้:

. (2)

หลังจากรวมสมการ (2) เราพบว่า

Q(t) = Q 0 e -t/τ , (3)

ที่ไหน Q0- ค่าเริ่มต้น ประจุตัวเก็บประจุ, τ = RCเป็นค่าคงที่กับมิติของเวลา เรียกว่าเวลาพักผ่อน ผ่านกาลเวลา τ , ประจุบนตัวเก็บประจุจะลดลงตามปัจจัยของ e

สมการสร้างความแตกต่าง (3) เราพบกฎการเปลี่ยนแปลงของกระแสการคายประจุ มัน):

ฉัน(t) = e-t/τ .

ฉัน(t) = ฉัน 0 e-t/τ, (4)

ที่ไหน ฉัน 0 = - ค่าเริ่มต้นของความแข็งแกร่งในปัจจุบันคือ ปัจจุบันที่ t = 0.

รูปที่ 3 แปลงการพึ่งพากระแสไฟสองครั้ง ฉันจากเวลา tสอดคล้องกับค่าที่แตกต่างกันสองค่า ความต้านทานที่ใช้งาน R 1 และ R 2 (τ 1 < τ 2).

คำอธิบายของการตั้งค่าห้องปฏิบัติการ

ในงานห้องปฏิบัติการนี้ เสนอให้ตรวจสอบกระบวนการคายประจุตัวเก็บประจุในการตั้งค่าทดลอง ซึ่งโครงร่างดังแสดงในรูปที่ 4

ประกอบด้วยแหล่งจ่ายแรงดันคงที่ คุณ 0, ความจุ ค, ตัวต้านทาน R 1 , R 2 ,R 3 และไมโครมิเตอร์ เนื่องจากตัวต้านทาน R 1 , R 2 ,R 3 เชื่อมต่อเป็นอนุกรมสามารถเปลี่ยนความต้านทานของวงจรได้โดยใช้จัมเปอร์ P ลัดวงจรตัวต้านทานทีละตัว R 1 , R 2 หรือทั้งสองอย่างรวมกัน

ลำดับการวัด การประมวลผลผลการวัด

ประกอบวงจรไฟฟ้าตามแผนภาพในรูปที่ 4 และตามคำแนะนำของครูให้เลือกค่าความต้านทานของวงจรที่ต้องการ R.

ล็อคกุญแจ Kและชาร์จตัวเก็บประจุ คถึงแรงดันไฟฟ้า คุณ 0. เมื่อประจุตัวเก็บประจุเต็ม ไมโครมิเตอร์จะแสดงค่ากระแสสูงสุด ฉัน 0.

ปลดล็อคกุญแจ Kและเริ่มจับเวลาพร้อมกัน วัดเวลา t0ในระหว่างที่การอ่านไมโครมิเตอร์จะลดลง 10 เท่า กำหนดช่วงเวลา ∆t ≈ t0 / 10.

ปิดกุญแจอีกครั้ง Kและชาร์จตัวเก็บประจุ

ปลดล็อคกุญแจ Kและบันทึกการอ่านไมโครมิเตอร์ตามช่วงเวลา Δt, 2Δt, 3Δtฯลฯ ก่อนเวลา 10 Δt. ทำการวัดเหล่านี้สามครั้ง และป้อนผลลัพธ์ในตารางที่ 1

คำนวณ (มูลค่าปัจจุบันเฉลี่ย) และอัตราส่วน.

ตารางที่ 1

t,s	0	Δt	2Δt	3Δt	4Δt	5Δt	6Δt	7Δt	8Δt	9Δt	10Δt
ฉัน 1
ฉัน2
ฉัน 3
/ฉัน 0

ทำซ้ำการทดลองสามครั้งสำหรับค่าต่างๆ R.

คำถามทดสอบ:

ตัวเก็บประจุเรียกว่าอะไร? หาสูตรความจุของตัวเก็บประจุแบบแบน

หาสูตรสำหรับความจุของตัวเก็บประจุทรงกลม