Лабораторна робота №3

(STEM – освіта)

                   Тема: Визначення енергії зарядженого конденсатора.

                   Мета: визначити енергію зарядженого конденсатора через вимірювання роботи електричного струму під час розряджання конденсатора.

                 Обладнання: Комп’ютер архітектури ІВМ, Програма Work Bench Multisim 12.

Теоретичні відомості

         Головна властивість електричного поля – дія на електричні заряди. В результаті цієї дії вільні заряди приводяться у рух і створюють електричний струм. Під час переміщення електричних зарядів поле виконує роботу за рахунок своєї енергії. Цю енергію можна визначити виміривши роботу, виконану полем під час переміщення заряду.

       Приладом, в якому можна створити електричне поле і зберігати його тривалий час, є конденсатор. Під час приєднання до джерела постійного струму на обкладках конденсатора накопичуються різнойменні електричні заряди. Між обкладками виникає електричне поле, під дією якого виникає електричний струм у провіднику, яким з’єднуються обкладки конденсатора. Енергія електричного поля перетворюється у внутрішню енергію провідника, що нагрівається при проходженні електричного струму. Зміна внутрішньої енергії провідника дорівнює роботі A електричного струму:

          A = I 2 Rt ,                                                                                                               (1)

          де I - сила струму,

          R - опір провідника,

          t - час протікання струму в провіднику.

       Отже, енергія W електричного поля конденсатора дорівнює роботі електричного струму   під час розряджання:

          W = I 2 Rt .

       Таким чином, для визначення енергії W зарядженого конденсатора необхідно виміряти силу струму I під час його розряду через резистор з відомим електричним опором R і час розряджання конденсатора t . Зробити це важко, якщо розряджання конденсатора триває короткий час. Для збільшення тривалості розряджання необхідно взяти конденсатор великої електроємності і підключити його обкладки до резистора з великим опором.

      Оскільки під час розряджання напруга між обкладинками безперервно зменшується, то поступово зменшується і сила струму в колі, а тому необхідно проводити  вимірювання через такі невеликі інтервали часу ^ t , протягом якого сила струму змінюється мало;

потім треба обчислити роботу електричного струму за  кожний інтервал часу і додати отримані значення.  

                              Порядок виконання роботи

         Скласти електричне коло за схемою Рис.1.:           

         Рис. 1. Схема дослідної установки

1. Почати моделювання, натиснувши кнопку «ВМИКАЧ МОДЕЛЮВАННЯ».

Клавішею керування однополюсним перемикачем замкнути коло на заряджання конденсатора.

2. В момент перемикання конденсатора на послідовно з’єднанні мультиметр і резистор

помітити покази секундоміра, розташованого у нижньому правому кутку робочого поля програми.

3. В момент замикання кола на розрядку конденсатора зафіксувати покази

мультиметра. У подальшому покази мультиметра відраховувати через 1 секунду протягом 20 секунд.

        Результати вимірювань занести у Таблицю.

4. Знайти середнє значення сили струму I c

півсуму початкового і кінцевого значень.

для кожного інтервалу часу як

5. Обчислити за формулою (1) роботу струму за кожний інтервал часу.
6. Знайти роботу A струму за 20 секунд як суму значень робіт за всі  інтервали  часу.

       Звіт має містити:

1.Мету лабораторної роботи;

2.Принципові електричні схеми, які використовуються в роботі;

3.Показання мультиметрів, осцилографів, отримані при дослідженні роботи в різних схемах;

4.Результати досліджень у виді таблиць і графіків.

5.Висновки, що базуються на аналізі отриманих результатів.

     Контрольні запитання:

1.Що називають електроємністю конденсатора?

2.Чому електричне поле зарядів, що на обкладинках конденсатора, зосереджене між обкладинками?

3.Якого виду (типу) конденсатори і чому мають найбільше електроємність?

1. У вікні налаштувань компонентів, у вкладці «Параметри» встановити:
   • для джерела напругу 15 В; опір резистора 10 кОм, ємність конденсатора 1 мФ (в даній роботі конденсатор та резистор слід вибрати з реальних компонентів, розділ «Basic»).

2. У якості міліамперметра доцільно використовувати мультиметр Agilent, який можна знайти в панелі «Instruments», що розташована в правій частині екрану.

3. Підключення мультиметра Agilent у якості міліамперметра має виглядати наступним чином (щоб з’явилось робоче вікно мультиметра необхідно, навівши курсор на зображенні мультиметра на схемі, двічі натиснути лівою кнопкою миші):

4. Перед проведенням досліду необхідно увімкнути мультиметр в такій послідовності:

• натиснути кнопку «POWER»
• натиснути кнопку «SHIFT»
• натиснути кнопку «DC I»

5. Для вимірювання інтервалів часу використовувати секундомір, що розташований у правому нижньому кутку робочого поля програми:

6. Для зручності фіксації показів можна використовувати кнопку «ПАУЗА», яка розташована поруч із кнопкою «ВМИКАЧ МОДЕЛЮВАННЯ».

Загальні рекомендації щодо виконання лабораторних робіт в середовищі

програми Multisim.

1. Обираючи прилади для лабораторних робіт, користуватись віртуальними базами компонентів, оскільки це дає можливість безперешкодно змінювати їх характеристики (опір, індуктивність, ємність, клавіші керування і т.д.). Для реальних компонентів такі зміни можуть призвести до неправильної роботи.

2. Для того щоб змінити характеристики компонентів необхідно, навівши курсор на даний компонент, двічі натиснути ліву клавішу миші. У вікні, що з’явилось, у вкладці «Параметри» виконати необхідні зміни і натиснути «ОК».

3. При розташуванні компонентів на робочому полі їх характеристики відображуються поруч із зображенням компонента. В деяких лабораторних роботах завдання полягає у визначенні цих характеристик. Тому необхідно прибрати підписи, що супроводжують компоненти. Для цього необхідно викликати вікно налаштування компонентів (навівши курсор на даний компонент, двічі натиснути ліву клавішу миші). У вкладці «Екран» зняти прапорець

«Використовувати установки схеми», після чого зняти прапорець

«Назва/Величина».

4. В кожній схемі необхідним є наявність заземлення. Без цього компоненту буде з’являтись помилка моделювання.

5. Вольтметри та амперметри знаходяться у розділі «Indicators». У вікні налаштувань компоненту (навівши курсор на даний компонент, двічі натиснути ліву клавішу миші) у вкладці «Параметри» обирають режим роботи (змінний чи постійний струм). Також варто прибрати підписи (вхідний опір приладу), що супроводжують компонент (див. пункт 3).

6. Для зручного розташування компонентів на робочому полі інколи виникає потреба змінити орієнтацію приладу. Для цього необхідно виділити компонент, навівши курсор на компонент один раз натиснути ліву клавішу миші, після чого навколо компоненту з’явиться рамка синього кольору. Далі в строчці меню натиснути «Редактор»; у вікні, що з’явилось обрати «Розташування» і, нарешті, необхідну команду.

7. Керування деякими компонентами чи їх параметрами (вимикач, однополюсний перемикач, резистор, котушка змінної індуктивності, конденсатор змінної ємності) відбувається за допомогою клавіатури. Налаштування клавіші керування можна здійснити у вікні налаштувань компоненту (навівши курсор на даний компонент, двічі натиснути ліву клавішу миші), у вкладці «Параметри».