大學物理實驗講義(RC電路).doc

用RC電路測電容【實驗目的】1、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】兩個電容（其中一個為電解電容，電容值470；另一個電容值約為0.1），電阻箱，直流電源，信號發(fā)生器，數(shù)字萬用電表，示波器，導線開關(guān)等。【實驗原理】1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C圖 1 電容符號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，這個單位太大，常用單位有和：，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，且有正負極性，使用時應注意將正極接高電位，負極接低電位；如果極性接反，會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、定時電路、鋸齒波發(fā)生器電路、微分積分等電路RCEK12圖 2 電容充放電原理圖2RC電路充放電特性將一個電容和一個電阻串聯(lián)構(gòu)成RC電路，電路如圖2所示當開關(guān)K合到圖2中的“1”時，直流電源通過電阻R給電容充電，電容上的電壓逐漸增大，最終與電源電壓E相等；然后再將開關(guān)合向“2”，電容C將通過電阻R放電，逐漸減小，直至為零。O(b)圖 3 電容充、放電波形（a）電壓波形；（b）電流波形在RC電路充放電過程中和的變化遵循以下規(guī)律：（1）對于充電過程，有 （1）或 （2）（2）對于放電過程，有 （3）或 （4） 由上述公式可知，在充電過程中，和均按指數(shù)規(guī)律變化，式(4)中電流的負號表示放電過程中電流的方向與充電過程相反。和隨時間變化的曲線如圖3(a)和(b)所示， 令，稱為RC電路的時間常數(shù)當時，由式(3)可知O(a)O(b)圖 3 電容充、放電波形（a）電壓波形；（b）電流波形 （5）0.365EE0圖4上式說明，表示放電過程中由E衰減到E的36.8%所需要的時間。電阻電容數(shù)值越大值越大，變化越慢，即電容充放電進行得越慢。通過時間常數(shù)，電壓、時間以及R，C數(shù)值之間建立了對應關(guān)系。根據(jù)這一特性，由的變化測得，如果已知電阻R，可測出電容C. 電容充放電的特性在實際中得到廣泛應用，例如制成延時開關(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和的變化RrC圖5電容充放電實驗電路實驗電路如圖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電子開關(guān)，其作用相當于圖2電路中的選擇開關(guān)K自動連續(xù)在“l(fā)”，“2”之間切換，使得電容輪流持續(xù)進行充放電，調(diào)節(jié)示渡器即可得到穩(wěn)定波形，這樣便于觀察和隨時間變化的波形。調(diào)節(jié)方波的半周期遠大于RC電路的時間常數(shù)，即使得電容充放電過程在方波的半周期內(nèi)完成，這時和的變化規(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間常數(shù)，粗略測定電容數(shù)值。注意，這里的電阻應是電路的全電阻，不僅包括外電路電阻R，還應包括信號源內(nèi)阻r。4電容阻抗和頻率的關(guān)系給RC電路加以正弦波信號時，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。電容的容抗與電源頻率，及電容值C有關(guān)，有 （6）如果已知電阻R的阻值，測量和，即可得到 （7）其中以，表示和的有效值因此可得 （8）由式(6)可知，電容的容抗隨著電源頻率變化；越高，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?！緦嶒瀮?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的變化。（1）檢測。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的變化。（2）通過電容器的放電過程。采用（5）式并利用關(guān)系測定電容量，按表1，在電容不變的情況下，依次測定、的時間常數(shù)，并分別算出電容C。2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。（1）先觀察信號源輸出的方波信號，信號源頻率為注意滿足“共地”，使示波器的接地端和信號源的接地端連在一起（2）觀察將。將接到示渡器的輸入通道進行觀察，連接電路時同時需要注意滿足“共地”，觀察并畫出波形，根據(jù)波形計算電容量。（3）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，一路觀察，注意兩通道的公共接點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，使得其半周期遠大于RC電路的時間常數(shù)根據(jù)式(5)，由測量時間常數(shù)，并測定電容數(shù)值3根據(jù)電容容抗和頻率的關(guān)系，測定電容（1）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，的有效值，根據(jù)式(8)計算電容數(shù)值電容C約為，電阻R為，信號源輸出電壓（有效值）為，信號源頻率為。（2）現(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，改變頻率，觀察并分別測量和。根據(jù)實驗結(jié)果，作出電容器容抗隨頻率變化曲線?！緦嶒灢襟E】（注：寫預習報告時留有適當?shù)目瞻祝瑢嶒灪笥?