Khảo sát quá trình phóng nạp của tụ điện

Khảo sát quá trình phóng nạp của tụ điện I.Mục đích – yêu cầu - Khảo sát quá trình phóng, nạp của tụ điện. Vẽ đợc đồ thị phóng, nạp tơng ứng. - Từ đồ thị tính đợc hằng số thời gian τ. II. Cơ sở lí thuyết 1. Qúa trình nạp : Mắc nối tiếp điện trở R với tụ điện C, rồi nối với nguồn U nh hình vẽ 1. Tại thời điểm t = 0, đóng khoá K. Tụ đợc nạp điện qua điện trở R. Dòng điện ban đầu trong mạch là i0 = R U0 (U0 là điện áp nguồn) giảm dần, đồng thời điện áp trên tụ tăng dần đến giá trị U0 áp dụng định luật Ôm cho R ta có: U0 – i.R – C q = 0 (1) Dòng điện trong mạch: i = dt dq (2) Thay (2) vào (1) ta có: R. dt dq + C q = U0 (3) Nghiệm của phơng trình vi phân (3) với điều kiện ban đầu q = 0 khi t = 0 là: i = dt dq = (U0/R).exp(- RC t ) (4) Khi đó, hiệu điện thế trên tụ là: UC = C q = U0.[1-exp(- RC t )] (5) Hiệu điện thế trên R là: UR = i.R = U0.exp(- RC t ) (6) 2. Quá trình phóng: Xét một mạch điện gồm R mắc song song với tụ C vào một nguồn U. Do tụ mắc song song với điện trở nên: UC = UR hay: C q = i.R (7) Dòng điện trong mạch: i = - dt dq (8) Dấu trừ là do điện tích trên hai bản tụ giảm dần theo thời gian. Thay (8) vào (7) ta có: R. dt dq + C q = 0 (9) Nghiệm của phơng trình (9) với điều kiện ban đầu q = q0 khi t = 0 là: i = - dt dq = (U0/R) . exp(- RC t ) (10) Khi đó hiệu điện thế trên điện trở (cũng nh trên tụ) là: UC = UR = i.R = U0.exp(- RC t ) (11) Hiệu điện thế trên tụ đợc biểu diễn nh trên hình 3 t U U0 Hình 3: Hiệu điện thế trên tụ C trong mạch phóng Tích RC trong (10), (11) đợc gọi là hằng số thời gian, kí hiệu là τ ( τ là thời gian mà hiệu điện thế trên C giảm đi e = 2.7 lần so với thời điểm vừa đóng mạch). Nh vậy, trong mạch phóng, điện áp trên tụ giảm dần theo thời gian dới dạng hàm e mũ. Khi t → ∞ thì UC → 0, tức là sau một khoảng thời gian tơng đối dài, điện áp trên tụ giảm về 0. Điều này cũng có nghĩa là toàn bộ năng lợng tích luỹ trên tụ đó chuyển thành năng lợng toả ra trên điện trở. III. Dụng cụ thí nghiệm: 1.Sensor Cassy. 2. Máy tính có cài chơng trình Cassy Lab. 3.Bảng mạch. 4. Nguồn một chiều. 5.Các tụ điện. 6.Các điện trở: 7. Một khoá hai trạngthái. 8. Dây nối. IV.Trình tự thí nghiệm 1. Mạch nạp: a. Lắp mạch điện nh hình vẽ: GN A B 0V 5V C R K 47uF Hình 4. Sơ đồ mạch thí nghiệm về sự nạp điện của tụ điện b. Khởi động chơng trình Cassy Lab: - Trong màn hình Desktop của Windows, chọn Start\ Program\ CASSY Lab\ CASSY Lab. Hoặc có thể nháy đúp chuột vào biểu tợng của Cassy Lab trên màn hình. - Trong cửa sổ CASSY Lab, chọn Activate (khởi động cho Sensor Cassy và Power Cassy). - Nhấn F5 để lựa chọn các thiết bị: cửa sổ Settings hiện ra, chọn Genaral, trong phần Serial Interface Assignment, trong khung COM1, chọn CASSY. Tiếp tục, trong CASSY, kích hoạt các đầu đo A1 và B1 bằng cách nháy đúp chuột, khi đó hộp hội thoại Sensor Input Settings hiện ta, lần lợt đặt chế độ sau cho cả hai đầu đo A và B: Quantity: Voltage UA1( Voltage UB1). Meas. Range: -10V..10V. Qúa trình trên phải thực hiện hai lần để đặt chế độ đo điện áp giữa hai đầu điện trở và hai đầu tụ điện.. - Đặt thời gian cho các phép đo: Trong cửa sổ Settings, nháy chuột vào Display Measuring Parameters, cửa sổ Measuring Parameters hiện ra, đặt Meas. Time: 6s. c. Tiến hành đo: - Ban đầu mở khoá K. Nhấn nút F9 để bắt đầu vẽ đờng nạp của tụ điện, đồng thời nhanh tay đóng khoá K. Trên màn hình của Cassy Lab sẽ hiện ra đờng phóng tơng ứng của tụ điện. Vẽ lại đồ thị ra giấy. - Hằng số thời gian chính là khoảng thời gian từ khi tín hiệu bắt đầu tăng đến lúc tăng lên e lần, đợc xác định theo một trong hai cách sau: Trong vùng đồ thị của CASSY Lab, nhấn chuột phải, một thực đơn dọc hiện ra chọn Fit Function\ Exponential Function e^x. Di chuyển chuột từ đầu đến cuối đồ thị hiển thị điện áp trên điện trở. Hằng số thời gian chính là giá trị B hiện lên ở góc dới trên màn hình. - tăng điện áp nguồn lên 6V, 7V, 8V, 9V, 10V: lặp lại thí nghiêm. Ghi kết quả vào bảng 1.1. d. So sánh với giá trị lí thuyết: τ = RC và cho nhận xét. 2. Mạch phóng: a. Lắp mạch nh hình vẽ: Hình 5: Sơ đồ mạch thí nghiệm về sự phóng điện của tụ điện b. Khởi động chơng trình CASSY Lab và chọn chế độ đo: - Khởi động chơng thình CASSY Lab nh ở phần mạch nạp. - Nhấn F5 để lựa chọn các thiết bị: cửa sổ Settings hiện ra, chọn Genaral, trong phần Serial Interface Assignment, trong khung COM1, chọn CASSY. Tiếp tục, trong CASSY của cửa sổ này, kích hoạt một đầu đo bằng cách nháy đúp chuột vào phần đó tơng ứng trên đồ thị. Khi đó hộp hội thoại Sensor Input Settings hiện ra, đặt chế độ sau: Quantity: Voltage UA1. Meas. Range: -10V..10V. - Đặt thời gian cho các phép đo: Trong cửa sổ Settings, nháy chuột vào Display Measuring Parameters, cửa sổ Measuring Parameters hiện ra, đặt Meas. Time: 6s. c. Tiến hành đo: B GND C 5V 0V 2 K R 1 47uF 100k - Ban đầu để khoá K ở vị trí 1 để nạp điện cho tụ. Nhấn núp F9 để bắt đầu đo và vẽ đờng phóng của tụ điện, đồng thời nhanh chóng gạt khoá K sang vị trí 2. Trên màn hình của CASSY Lab hiện ra đờng phóng tơng ứng của tụ điện. Vẽ lại đồ thị ra giấy. - Hằng số thời gian chính là khoảng thời gian từ khi tín hiệu bắt đầu giảm đến khi giảm đi e lần, đợc xác định tơng tự nh phần trớc theo một trong hai cách sau: Trong vùng đồ thị của CASSY Lab, nhấn chuột phải, một thực đơn dọc hiện ra, chọn Fit Function\ Exponential Function e^x. Di chuyển chuột từ đầu đến cuối đồ thị. Hằng số thời gian chính là giá trị hiện lên ở góc dới trên màn hình. - Tăng điện áp nguồn lên 6V, 7V, 8V, 9V, 10V: lặp lại thí nghiệm. Ghi kết quả vào bảng 1.2. d. So sánh với giá trị lí thuyết: τ = RC và cho nhận xét. V. Câu hỏi 1. Điện áp trên tụ biến đổi nh thế nào trong quá trình nạp và phóng điện ( viết công thức và vẽ đồ thị)? 2. Hằng số thời gian thay đổi nh thế nào nếu ta tăng hoặc giảm giá trị điện trở và điện áp nguồn? BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Khảo sát sự phóng, nạp của tụ điện Trờng.. Xác nhận của giáo viên Lớp: . Họ và tên:.. Mục đích thí nghiệm .......................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ......................................... Kết quả thí nghiêm 1. Vẽ đờng nạp và phóng của tụ điện: - Đờng nạp: - Đờng phóng: UC(V) t UC(V) t 2. Xác định hằng số thời gian 2.1 Mạch nạp: Bảng 1.1 U(V) τ(s) ∆τ(s) 5 6 7 8 TB Bảng 1.2 U(V) τ(s) ∆τ(s) 5 6 7 8 TB Nhận xét kết quả đo: