Присоединим цепь, состоящую из незаряженного конденсатора емкостью С и резистора с сопротивлением R, к источнику питания с постоянным напряжением U (рис. 16-4).
Так как в момент включения конденсатор еще не заряжен, то напряжение на нем Поэтому в цепи в начальный момент времени падение напряжения на сопротивлении R равно U и возникает ток, сила которого
Рис. 16-4. Зарядка конденсатора.
Прохождение тока i сопровождается постепенным накоплением заряда Q на конденсаторе, на нем появляется напряжение и падение напряжения на сопротивлении R уменьшается:
как и следует из второго закона Кирхгофа. Следовательно, сила тока
уменьшается, уменьшается и скорость накопления заряда Q, так как ток в цепи
С течением времени конденсатор продолжает заряжаться, но заряд Q и напряжение на нем растут все медленнее (рис. 16-5), а сила тока в цепи постепенно уменьшается пропорционально разности — напряжений
Рис. 16-5. График изменения тока и напряжения при зарядке конденсатора.
Через достаточно большой интервал времени (теоретически бесконечно большой) напряжение на конденсаторе достигает величины, равной напряжению источника питания, а ток становится равным нулю — процесс зарядки конденсатора заканчивается.
Практически принято считать, что процесс зарядки закончился, когда ток уменьшился до 1% — начального значения или, — что то же, когда напряжение на конденсаторе достигло 99% напряжения источника питания
Процесс зарядки конденсатора тем продолжительней, чем больше сопротивление цепи R, ограничивающее силу тока, и чем больше емкость конденсатора С, так как при большой емкости должен накопиться больший заряд. Скорость протекания процесса характеризуют постоянной времени цепи
чем больше , тем медленнее процесс.
Постоянная времени цепи имеет размерность времени, так как
Через интервал времени с момента включения цепи, равный , напряжение на конденсаторе достигает примерно 63% напряжения источника питания, а через интервал процесс зарядки конденсатора можно считать закончившимся.
Напряжение на конденсаторе при зарядке
т. е. оно равно разности постоянного напряжения источника питания и свободного напряжения убывающего с течением времени по закону показательной функции от значения U до нуля (рис. 16-5).
Зарядный ток конденсатора
Ток от начального значения постепенно уменьшается по закону показательной функции (рис. 16-5).
б) Разряд конденсатора
Рассмотрим теперь процесс разряда конденсатора С, который был заряжен от источника питания до напряжения U через резистор с сопротивлением R (рис. 16-6, Где переключатель переводится из положения 1 в положение 2).
Рис. 16-6. Разряд конденсатора на резистор.
Рис. 16-7. График изменения тока и напряжения при разрядке конденсатора.
В начальный момент, в цепи возникнет ток и конденсатор начнет разряжаться, а напряжение на нем уменьшаться. По мере уменьшения напряжения будет уменьшаться и ток в цепи (рис. 16-7). Через интервал времени напряжение на конденсаторе и ток цепи уменьшатся при мерно до 1% начальных значений и процесс разряда конденсатора можно считать закончившимся.
Напряжение на конденсаторе при разряде
т. е. уменьшается по закону показательной функции (рис. 16-7).
Разрядный ток конденсатора
т. е. он, так же как и напряжение, уменьшается по тому же закону (рис. 6-7).
Вся энергия, запасенная при зарядке конденсатора в его электрическом поле, при разряде выделяется в виде тепла в сопротивлении R.
Электрическое поле заряженного конденсатора, отсоединенного от источника питания, не может долго сохраняться неизменным, так как диэлектрик конденсатора и изоляция между его зажимами обладают некоторой проводимостью.
Разряд конденсатора, обусловленный несовершенством диэлектрика и изоляции, называется саморазрядом. Постоянная времени при саморазряде конденсатора не зависит от формы обкладок и расстояния между ними.
Процессы зарядки и разряда конденсатора называются переходными процессами.
Присоединим цепь, состоящую из незаряженного конденсатора емкостью С и резистора с сопротивлением R, к источнику питания с постоянным напряжением U (рис. 16-4).
Так как в момент включения конденсатор еще не заряжен, то напряжение на нем Поэтому в цепи в начальный момент времени падение напряжения на сопротивлении R равно U и возникает ток, сила которого
Рис. 16-4. Зарядка конденсатора.
Прохождение тока i сопровождается постепенным накоплением заряда Q на конденсаторе, на нем появляется напряжение и падение напряжения на сопротивлении R уменьшается:
как и следует из второго закона Кирхгофа. Следовательно, сила тока
уменьшается, уменьшается и скорость накопления заряда Q, так как ток в цепи
С течением времени конденсатор продолжает заряжаться, но заряд Q и напряжение на нем растут все медленнее (рис. 16-5), а сила тока в цепи постепенно уменьшается пропорционально разности — напряжений
Рис. 16-5. График изменения тока и напряжения при зарядке конденсатора.
Через достаточно большой интервал времени (теоретически бесконечно большой) напряжение на конденсаторе достигает величины, равной напряжению источника питания, а ток становится равным нулю — процесс зарядки конденсатора заканчивается.
Практически принято считать, что процесс зарядки закончился, когда ток уменьшился до 1% — начального значения или, — что то же, когда напряжение на конденсаторе достигло 99% напряжения источника питания
Процесс зарядки конденсатора тем продолжительней, чем больше сопротивление цепи R, ограничивающее силу тока, и чем больше емкость конденсатора С, так как при большой емкости должен накопиться больший заряд. Скорость протекания процесса характеризуют постоянной времени цепи
чем больше , тем медленнее процесс.
Постоянная времени цепи имеет размерность времени, так как
Через интервал времени с момента включения цепи, равный , напряжение на конденсаторе достигает примерно 63% напряжения источника питания, а через интервал процесс зарядки конденсатора можно считать закончившимся.
Напряжение на конденсаторе при зарядке
т. е. оно равно разности постоянного напряжения источника питания и свободного напряжения убывающего с течением времени по закону показательной функции от значения U до нуля (рис. 16-5).
Зарядный ток конденсатора
Ток от начального значения постепенно уменьшается по закону показательной функции (рис. 16-5).
б) Разряд конденсатора
Рассмотрим теперь процесс разряда конденсатора С, который был заряжен от источника питания до напряжения U через резистор с сопротивлением R (рис. 16-6, Где переключатель переводится из положения 1 в положение 2).
Рис. 16-6. Разряд конденсатора на резистор.
Рис. 16-7. График изменения тока и напряжения при разрядке конденсатора.
В начальный момент, в цепи возникнет ток и конденсатор начнет разряжаться, а напряжение на нем уменьшаться. По мере уменьшения напряжения будет уменьшаться и ток в цепи (рис. 16-7). Через интервал времени напряжение на конденсаторе и ток цепи уменьшатся при мерно до 1% начальных значений и процесс разряда конденсатора можно считать закончившимся.
Напряжение на конденсаторе при разряде
т. е. уменьшается по закону показательной функции (рис. 16-7).
Разрядный ток конденсатора
т. е. он, так же как и напряжение, уменьшается по тому же закону (рис. 6-7).
Вся энергия, запасенная при зарядке конденсатора в его электрическом поле, при разряде выделяется в виде тепла в сопротивлении R.
Электрическое поле заряженного конденсатора, отсоединенного от источника питания, не может долго сохраняться неизменным, так как диэлектрик конденсатора и изоляция между его зажимами обладают некоторой проводимостью.
Разряд конденсатора, обусловленный несовершенством диэлектрика и изоляции, называется саморазрядом. Постоянная времени при саморазряде конденсатора не зависит от формы обкладок и расстояния между ними.
Процессы зарядки и разряда конденсатора называются переходными процессами.
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный университет
Кафедра общей и технической физики
Отчёт по лабораторной работе
По дисциплине: Физика .
(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
Тема: «исСледование процессов накопления и релаксации заряда в диэлектрических материалах»
Выполнила: студентка гр. РМ-11 ______________ /Даниленко А.К./
Проверил: ____________ /Ходьков Д.А./
Цель работы: 1. Определение постоянной времени RC-цепи.
2.Определение входного сопротивления вольтметра путем измерения разрядных характеристик конденсатора.
3. Оценка величины заряда, не связанного с поляризацией диэлектрика в конденсаторе.
Краткие теоретические сведения.
Релаксация заряда
Релаксация заряда в базе Q(t) зависит от схемы включения, так как она определяется не только рекомбинацией неравновесных носителей, но и током базы составляющей тока эмиттера.
Для исследования релаксации заряда конкретного вида, например, инжектированного гомозаряда, обычно используются изотермические процессы при повешенной температуре, учитывается перезахват носителей заряда мелкими ловушками и процесс высвобождения носителей, захваченных глубокими ловушками.
Квазистационарные процессы
Квазистационарными процессами называют процессы, протекающие в ограниченной системе и распространяющиеся в ней так быстро, что за время распространения этого процесса в пределах ее системы ее состояние не успевает измениться. Понятие квазистационарный процесс может быть применен и к другим системам – механическим и термодинамическим.
Квазистационарные процессы можно исследовать с помощью законов постоянного тока, если применять эти законы к мгновенным значениям сил токов и напряжений на участках цепи.
Из-за огромного значения скорости света время установления электрического равновесия в цепи оказывается весьма малым. Поэтому к квазистационарным можно отнести многие достаточно быстрые в обычном смысле процессы. Например, быстрые колебания в радиотехнических цепях с частотами порядка миллиона колебаний в секунду и даже выше очень часто еще можно рассматривать как квазистационарные.
Процессы, протекающие во времени в цепях обычно являются медленными в рассматриваемом смысле. В данной работе рассматривается процесс накопления заряда на конденсаторе С (т.е. его зарядка от источника напряжения) и релаксация этого заряда (т.е. разряд конденсатора) в цепи сопротивлением R. Ниже будет показано, что при разумных значениях емкости и сопротивления данный процесс можно считать квазистационарным.
Конденсатор — электроэлемент, который накапливает электричество в форме
Переходный процесс— процесс изменения во времени характеристик динамической
системы, при её переходе из одного установившегося
состояния в другое, под действием приложенного
Постоянная времени RC – величина, показывающая через какое время после
начала разряда напряжение на конденсаторе
уменьшается в е = 2,72 раз.
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением
связанных зарядов в диэлектрике или поворотом
электрических диполей, обычно под воздействием
внешнего электрического поля, иногда под
действием других внешних сил или спонтанно.
Инжекция носителей заряда — увеличение концентрации носителей заряда в
полупроводнике (диэлектрике) в результате
переноса носителей током из областей с
повышенной концентрацией под действием
внешнего электрического поля.
Миграционные заряды — избыточные электрические заряды, сообщённые
проводящему или непроводящему телу и вызывающие
нарушение его электронейтральности.
Схема установки.
Расчетные формулы:
1). — зависимость напряжения на конденсаторе от времени в
процессе его заряда, где: Uc – мгновенное значение
напряжения на конденсаторе (В), R – сопротивление
цепи (Ом), С – электроемкость конденсатора (Ф).
2). — зависимость напряжения на конденсаторе от времени в
процессе его разряда, где Uнач – начальное напряжение (В).
3). — постоянная времени RC – цепи, где: — постоянной времени RC – цепи,
R – сопротивление цепи (Ом), С – электроемкость конденсатора (Ф).
4). — сопротивление, где: – интервал времени между
измерениями напряжений и на емкости в
процессе ее разрядки.
5). — сила тока, где: Uc – мгновенное значение напряжения на конденсаторе
(В), R – сопротивление цепи (Ом).
6). — нахождение заряда, оставшегося в диэлектрике, при известной
зависимости I(t) за очень большое время наблюдения.
7). , где: — оставшийся в диэлектрике заряд, S – площадь под
графиком I(t), а I1 и t1 –масштабы по осям тока и времени.
8). — полный заряд заряженного конденсатора.
Таблица исходных данных.
Таблица 1.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его заряда
U0= 12,1В, R=100кОм, С=470мкФ
t,c | 6 | 12 | 19 | 28 | 38 | 51 | 67 | 92 | 134 |
Uс,B | 1,2 | 2,4 | 3,6 | 4,8 | 6,0 | 7,2 | 8,4 | 9,6 | 10,8 |
Ucтеор,В | 16,3 | 20,4 | 25,3 | 31,6 | 38,5 | 47,6 | 58,7 | 76 | 105,2 |
Таблица 2.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда
Uнач= 10,8В, R=100кОм, С=470мкФ
t,c | 6 | 13 | 22 | 32 | 45 | 69 | 85 | 127 | 558 |
Uс,B | 9,6 | 8,4 | 7,2 | 6,0 | 4,8 | 3,6 | 2,4 | 1,2 | 0 |
Uc теор,В | 3,7 | 8,1 | 13,6 | 19,9 | 27,9 | 48 | 59,1 | 88,3 | 387,9 |
Таблица 3.
Зависимость напряжения на конденсаторе от времени его разряда через искомое входное сопротивление вольтметра Rв
№ измерения | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
t, c | 566 | 768 | 893 | 987 | 1208 | 1312 | 1435 | 1345 | 1498 |
Uс,B | 10,8 | 9,6 | 8,4 | 7,2 | 6,0 | 4,2 | 3,6 | 2,4 | 1,2 |
Пара №-в измер., выбр. Для расч. | 1 и 5 | 3 и 7 | 2 и 8 | 3 и 9 | 1 и 4 | 3 и 8 | 2 и 6 | 5 и 9 | 1 и 7 |
Rв,МОм | 2,324 | 1,361 | 0,89 | 0,66 | 2,2 | 0,77 | 1,4 | 0,38 | 1,7 |
Таблица 4.
Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 969 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ