电容及电容瞬变时间

1、实验四电容及电容瞬变时间（transients）目的：掌握如何使用电容，如何连接电容，观察电容充电及放电过程，电容是一种储能元件，通过对其充电放电的观察，深刻理解其储能 特性，理解电容充电及放电瞬 变与时间的规律，通过实际值与理论值相比较，深刻理解电容瞬变时间的意义， 了解万用表等的使用，掌握电容元件的使用方法，通过作实验掌握计算电容的充 电和放电瞬变时间。最重要的是采集数据，多采集几次求平均值，使数据更加准 确更加具有可信性，采集完数据后要处理数据，通过处理数据和对数据的绘表， 分析数据，然后与理论值进行比较，看是否与理论值相同，并分析数据误差，证 明理论的正确性。通过次实验理解电容的充电及

2、放电过程及其时间常数实.继续熟 练掌握万用表测量电阻和电压方法。电容的正负极（长头为正，短头为负），学 会电容充放电的实际接法。通过观察万用表记录时间间隔内的电压值，了解电容 充电及放电电压瞬变时间，同时明白电容充放电时电压的变化是一个过程即： v=vto + i/c/idt0计算理论中电容的充电及放电瞬变时间：c = RC。所涉及的公式零输入：件（1成=零状态：匕U）= E（1 一厂）r-实验准备：检查导线是否完好，测量电阻的实际值，并记录其实际 值.检查电容并分析电路实际连接方式，然后分工合作。电容是储能元件，当电源与电容电阻串联后电源要给电容充电，充电过程中，电容电压逐渐上升，电阻电压逐

3、渐下降，最后电阻电压电容的能量释放过程：当电容通过电阻接地时，电阻初始状态电压很 大，同时，电容放电过程非常快,直到最后电容电压为零如图1-2所示电容充电,放电瞬变时间常数：t = RC*当电容经过1个时间常数t = RC的充电过程，电容电压达到电压源电压 值E的63. 2%,经过2个时间常数r = RC的充电过程，电容电压达到电压 源电压值E的86. 5%,当经过五个周期时间常数r = RC,我们认为此时电 容电压为全充电过程既电容电压等于电源电压.*对于电容放电过程，电容通过电阻经过一个周期时间常数r = RC后, 电容电压降到电压电源的63. 2%,同样，经过5个时间常数r = RC后,

4、 我们认为此时电容电压为全释即VlO.通过次实验将帮助我们将理解电容的充电及放电过程及其时间常数.实验软件及设备：模拟实验软件：Circuitmaker 5. 5实验设备：实验教学板，直流电压电源,数字式万用表，秒表实验元件：220电容（2个）,56（KQ）及100（K。）各一个，仪表连接线WG25电路连接线若干（根据实验教学板而定）实验步骤:第一部分用模拟软件绘图如下:第一部分用模拟软件绘图如下:电路1电容电压的充电及放电过程1.在实验教学板上，用1个56（KQ）电阻R及1个220妇电容C,建以 下图1 3的电路，请勿连接电压电源到电路中1.1-32.用万用表测量一个将输入电路的直流电压源5

5、V,电阻实际值及电容实际值，记录到表格1-1中的电路1中.电源电压实 际测量值（V）电阻实际测 量值（KQ）电容实际测 量值（以尸）计算时间常数 t = RC （秒）电路14.985722012.54电路24.9899. 722021.934表格1-1把万用表接在电容两端后，迅速接通电压电源（连接” 1”），同时，在 2分钟之内，每10秒读取万用表上电容电压的数据，记录到表格1-2 充电电压栏中.然后，断开电路（连接” 2”），同时,电路接地，在120 分钟内，每10秒钟读取万用表上电容电压的数据，记录到表格1-2放 电电压栏中.请注意，放电时的起始电容电压为充电2分钟后的电容 稳定电压.重复

6、以上充电及放电过程2次,记录电容电压于表格1-2中，并且分 别计算充电及放电电压平均值，记录到表格1-2中时间 (秒)充电 电压 (V)放电 电压 (V)充电 电压 (V)放电 电压 (V)充电 电压 (V)放电 电压 (V)计算充电 电压平均值(V)计算放电 电压平均值(V)004.9804.9804.9804.98102. 452. 342. 492. 522. 532. 542.492. 4667202. 741.23.831.233.791.243. 45331. 2233304.430. 564.40. 574.410. 594.41330. 5733404.690. 294.690

7、. 284.70.34.69330. 29504.840. 144.840. 144.840. 144. 840. 14604.910. 074.90. 074.910. 074.90670. 07704.950. 044.940. 044.950. 044.94670. 04804.970. 024.950. 024.960. 024.960. 02904.970.014.960.014.970.014.96670.011004.980.014.970.014.980.014.97670.011104.9804.9704.9804.976701204.9804.9804.9804.980第二

8、部分表1-2电路2电容电压充电过桂衣1.在实验教学板上，用1个100(KQ)电阻替代图1-3中电阻56(KQ) R 及1个220必电容C,建立以下图1一4的电路，请勿连接电压电源到 电路中.IR1.C 劣用万用表测量一个将输入电路的直流电压源5V,电阻实际值及电容 实际值，记录到表格1-1中的电路2中.重复电路1的电容电压充电及放电过程，记录电容电压及计算平均 值于表格1-3时间 (秒)充电 电压 (V)放电 电压 (V)充电 电压 (V)放电 电压 (V)充电 电压 (V)放电 电压 (V)计算充电 电压平均 值(V)计算放电电压平均值(V)004.9204.9304.9304.926666

9、667101.633. 381.723.31.773.281.70673.32202.862.242.72. 172.852. 112.80332.173333333303. 541.433. 521.392.61.363.221.393333333404.041.013.981.014. 0514.02331.006666667504. 360. 644. 320.634. 340. 644. 340.636666667604. 540.434.470.414.550.44. 520.413333333704. 680. 294.630. 274.680. 264.66330.2733333

10、33804.80. 194.740. 194. 790. 184.77670.186666667904.840. 134.810. 124. 840. 134.830.1266666671004.870. 094.850. 084. 880.084.86670.0833333331104.90. 064.910. 064.910.064.90670. 061204.920. 044.930.034.930. 044.92670.036666667表格1-31. a、1. a、当电阻值为57k时,t = RC=12. 54s,利用1-2中的数据作电容充电VS时间的图形充电VS时间的图形表B1b、

11、当电阻为99. 7k, r = /?C=21.934,利用以上1-3中的数据作电 容充电vs时间的图形表B2C、当R二57时，r = /?C=12. 54s,根据表Bl,表Bl己将Y轴沿x轴平移了一个，按y轴上的刻度读出电压值Uc=2. 8V,则Uc/Us二2. 8/4. 98*100%二56%.当R=99. 7时，t = RC=21. 934s,根据表B2,表B2已将Y轴沿x轴平移了一个J按y轴上的刻度读出电压值Uc=2.98V,则Uc/Us=2. 9/4. 98*100%二58%.2.此数据与图1-1中的63. 2%的数据不相同。但是相接近。3.电容放电数据图表如下分别为R二57K, R二

12、99. 7K.表B3表B4表B3表B4表B6表B6电容放电电压随时间的变化规律，在上图表B2,表B4,与我期待的图t像相同，因为电容在放电过程中理论计算公式为：ycM = Ve=Ve 电容随着时间的增大而减小，是一个递减函数。当t为无限大时，电 容电压为零。根据表B3,R二57时，r = /?C=12. 54s将电压轴平移一个了, 如图B5读出Uc=2. 1电压占总电源的百分比为Uc/US*100%=2. 1/5*100%二42%当R=99. 7时，r = /?C=21.934 (s)，将电压轴平移一个了时，如图B6 读出Uc二2V电压占总电源的百分比为Uc/US*100%二2 /5*100%

13、=40%.两种实际测量值分别为42%、40%,而理论值为36. 8%,虽然实际值与 理论值有出入，但相差不大，误差是难以避免的，所以与我期待的图 形是相同的。当2时，电容电压占电源电压的86. 5%, Uc=Us*86. 5%Us=Uc/86. 5%=3. 75 (v) %()= (I-。)r- 时间为 5r 时电充电完 成，时间t=5F5 (s)时电路充电稳定。充电稳定时Uc =3.75 v。计算过程：JRC要求在100。)的电路中2秒通过，即5=2 (s)t =0.4sC=r/R=0. 4/10000 F=4X10-5F 答：使用 4X10-5F的电容。实验应注意事项：连接电路前要检查电路

14、中的各个元件是否合格。连 接时要注意电容长脚短脚代表的含义，不要将电容连反。连完后要检 查电路是否正确然后再打开电源，以免烧坏电路元件。实验误差分析：在完美的实验都会有误差，我们所能做的就是降低误 差，在本实验中，误差主要来源就是读数，因为时间是变化的，而电 压也是随着时间变化的，这就导致了读数不准确，数据的不准确性是 导致本实验误差的最主要原因。实验分析：本实验中证明了零状态方程：U)= E(1-厂)2；t证明了了零输入方程：气(t)=阮-豆=沱*明确了电容充放电的过程。实验总结：这次实验连接很简单，困难在于读数和记录数据上，因为时间在变 化，电压在变化，每十秒就要记录一个数据，而且在记完12次之后要赶紧更换电 路使其放电，然后再读数，我们开始时就因为读数时错了两次，都是配合不好， 导致读数错误，第一次是时间错误，第二次是时间到了，而合作者没有读数，这 导致我们还要重新连接电路，因为电压是在不断变化的，如果中途中断，就要重 新去处理数据，这看似简单，其实并不是我们所相象的那