最新大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義

用RC電路測電容【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、觀察電容充放電現(xiàn)象，了解電容特性;2、利用電容器的充、放電測定電容;3、根據(jù)電容容抗的頻率特性測定電容?！緝x器儀器】兩個(gè)電容（其中一個(gè)為電解電容，電容值470四尸；另一個(gè)電容值約為0.1四尸），電阻箱，直流電源，信號發(fā)生器，數(shù)字萬用電表，示波器，導(dǎo)線.開關(guān)等?！緦?shí)驗(yàn)原理】電容器電容器是常用電子元件之一，其符號如圖l所示，用C表示.常用電容器以兩層金屬箔（膜）為極板。極板中間有一層絕緣材料作為介質(zhì)。極板上可積聚等量異號的電荷Q,兩極板的電壓為U,兩者成線性關(guān)系，其比值即為電容電容符號電容的基本單位是F,這個(gè)單位太大，常用單位有叩和pF:圖1電容符號1F=106HF，加F=106pF，電容的種類很多，分為固定電容和可變電容，固定電容有：瓷介質(zhì)電容、云母電容、薄膜介質(zhì)電容、紙介質(zhì)電容和電解電容器等，常用的電解電容器電容值較大，且有正負(fù)極性，使用時(shí)應(yīng)注意將正極接高電位，負(fù)極接低電位；如果極性接反，會(huì)將電容器擊穿損壞.電容的主要參數(shù)有：電容值和額定工作電壓。圖1電容符號1F=106HF，加F=106pF，電容的種類很多，分為固定電容和可變電容，固定電容有：瓷介質(zhì)電容、云母電容、薄膜介質(zhì)電容、紙介質(zhì)電容和電解電容器等，常用的電解電容器電容值較大，且有正負(fù)極性，使用時(shí)應(yīng)注意將正極接高電位，負(fù)極接低電位；如果極性接反，會(huì)將電容器擊穿損壞.電容的主要參數(shù)有：電容值和額定工作電壓。由于電容的充放電特性，以及電容具有隔直流和通交流的能力，在電子技術(shù)中使用十分普遍，常用于濾渡電路、定時(shí)電路、鋸齒波發(fā)生器電路、微分積分等電路.2.RC電路充放電特性將一個(gè)電容和一個(gè)電阻串聯(lián)構(gòu)成RC電路，路如圖2所示當(dāng)開關(guān)K合到圖2中的“1”時(shí)，流電源通過電阻R給電容充電，電容上的電壓u逐c漸增大，最終與電源電壓E相等；然后再將開關(guān)合圖2電容充放電原理圖C向“2”，電容C將通過電阻R放電，七逐漸減小，直至為零。在RC電路充放電過程中七和uR的變化遵循以下規(guī)律:對于充電過程，有u=E(1-e-1/RC)C.E廠i=—e-t/rc或u=Ee-1/rcR"R(2)對于放電過程，有u=Ee-1/(2)對于放電過程，有.E廠i=——e-t/rc或u=—Ee-t/rcRR(1)(2)(3)(4)由上述公式可知，在充電過程中，u^和i(ur)均按指數(shù)規(guī)律變化，式(4)中電流的負(fù)號表示放電過程中電流的方向與充電過程相反。'(1)(2)(3)(4)u=Ee-1-0.36E(5)圖3電容充、放電波形(a)電壓波形；(b)電流波形令T=RC，T稱為RC電路的時(shí)間常數(shù)當(dāng)t=t=RC時(shí)，由式(3)可知

上式說明廣表示放電過程中uc由E衰減到E的36.8%所需要的時(shí)間。電阻電容數(shù)值越大.T值越大，u=Ee-1-0.36E(5)圖3電容充、放電波形(a)電壓波形；(b)電流波形電容充放電的特性在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，例如制成延時(shí)開關(guān)，用于聲光控制路燈的電路中等。3.用示波器觀察RC電路在充放電過程中七和,的變化實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示，由信號源輸出周期性方波信號。可將方波信號看成一個(gè)電子開只關(guān)，其作用相當(dāng)于圖2電路中的選擇開關(guān)K自R匚二T動(dòng)連續(xù)在“1”，“2”之間切換，使得電容輪流T持續(xù)進(jìn)行充放電，調(diào)節(jié)示渡器即可得到穩(wěn)定波[C+H—形，這樣便于觀察七和Ur隨時(shí)間變化的波形。項(xiàng)如）調(diào)節(jié)方波的半周期遠(yuǎn)大于RC電路的時(shí)間1常數(shù)T，即使得電容充放電過程在方波的半周圖5電容充放電實(shí)驗(yàn)電路期內(nèi)完成，這時(shí)\和Ur的變化規(guī)律可近似為上述單次充放電過程.根據(jù)圖5和式（5），可使用示渡器測量時(shí)間常數(shù)T，粗略測定電容數(shù)值。注意，這里的電阻應(yīng)是電路的全電阻，不僅包括外電路電阻R，還應(yīng)包括信號源內(nèi)阻r。電容阻抗和頻率的關(guān)系給RC電路加以正弦波信號時(shí)，電路呈現(xiàn)出和直流電路不同的特性。類似電阻元件，電容也具有阻抗，稱為容抗氣。電容的容抗Zc與電源頻率f，及電容值C有關(guān)，有(6)12兀fC如果已知電阻R的阻值，測量七和七，即可得到(7)其中以UCUR""和匕的有效值因此可得(6)其中以UCUR""和匕的有效值因此可得C=-^=-U^2k/Zc2W/(8)由式(6)可知，電容的容抗Z^隨著電源頻率f變化；f越高，氣越小.因此電容具有通交流、隔直流的作用利用這一特性可制成RC濾波器，廣泛用于整流濾波電路中。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1.使用數(shù)字萬用電表直流電壓量程觀察RC電路中電容的充、放電理象，并通過暫態(tài)過程測定電容量。連接電路如圖2。為使充放電現(xiàn)象較明顯，可選取較大數(shù)值的電容和電阻，電容C為電解電容器(幾百微法)，注意其正極必須接高電位；R為電阻箱.取幾十千歐，電源電壓為5V，選取數(shù)字萬用電表直流電壓合適的量程檢測和Ur的變化。檢測"疽接通電源開關(guān)，將選擇開關(guān)K分別合到“1”和“2”.觀察在充電過程和放電過程中七的變化。通過電容器的放電過程。采用(5)式并利用關(guān)系t=RC測定電容量，按表1，在電容不變的情況下，依次測定R］、R2、R3的時(shí)間常數(shù)，并分別算出電容C。用示波器觀察RC電路充放電現(xiàn)象連接電路如圖5,采用數(shù)值較小的電容，電阻R取10kQ。先觀察信號源輸出的方波信號，信號源頻率為f=80Hz.注意滿足“共地”，使示波器的接地端和信號源的接地端連在一起觀察將"c。將％接到示渡器的輸入通道進(jìn)行觀察，連接電路時(shí)同時(shí)需要注意滿足“共地”，觀察并畫出波形，根據(jù)波形計(jì)算電容量。測量電容數(shù)值使用示波器的雙通道輸入，一路觀測信號源輸出，一路觀施，注意兩c通道的公共接點(diǎn)要和信號源接地端和示波器的接地端連在一起，以滿足“共地”調(diào)節(jié)方波的頻率，使得其半周期遠(yuǎn)大于RC電路的時(shí)間常數(shù)t根據(jù)式(5)，由"c測量時(shí)間常數(shù)t，并測定電容數(shù)值.根據(jù)電容容抗和頻率的關(guān)系，測定電容電路如圖4,信號源輸出正弦波。用數(shù)字萬用電表的交流電壓量程分別測量吃，"尺的有效值，根據(jù)式(8)計(jì)算電容數(shù)值.電容C約為0.06“F，電阻R為10kQ，信號源輸出電壓(有效值)為U=2V，信號源頻率為f=200Hz?，F(xiàn)察電容的容抗隨頻率變化的規(guī)律.保持信號源輸出電壓U不變，R=10kQ，改變精品文檔頻率f，觀察并分別測量uc和UR。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作出電容器容抗隨頻率變化曲線?！緦?shí)驗(yàn)步驟】（注：寫預(yù)習(xí)報(bào)告時(shí)留有適當(dāng)?shù)目瞻祝瑢?shí)驗(yàn)后記