普通物理實驗室

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目的


了解電容充放電的特性並測量電容大小。


實驗方法


如右圖一,在電阻與電容之串聯電路中連接一個3段3P搖頭開關,控制與電源的連接:










:試說明實驗中串聯電阻器有何功能?


電容充電:

如圖二,將A開關關上時電流由直流電源出發經過電阻到電容將電荷儲存起來

其電容之端電壓與時間之關係為

(詳細推導見附錄一

整理變換成如下式:

因此繪出的關係圖,分析其斜率即可得電容大小。

:試說明RC乘積的單位為時間。

電容放電:

充電完成後,將B開關關上時電流便如圖三所示,電容所儲存的電量逐漸降低。其電容之端電壓與時間之關係為

(詳細推導致見附錄一

整理變換成如下式:

同理繪出的關係圖,分析其斜率即可得電容大小。



原理


電容 :儲存電荷和電能的大小 SI 制單位:F(法拉)

電容器:任何兩個金屬板(不論大小 )為電極, 中間隔開(中間可為任何介電質),即構成一個電容器。

電池接上電容器 (如下圖),電池之電子會流向電容器,使得電容器兩端累積相異性電荷,這些正負電荷會互相吸引,而儲存在電容器中,此即電容器名稱之來源。

電容器的電量逐漸增加,電壓隨著增加,等到跟電池的電壓一樣時,電流終於停下來即充電完畢。

【注意】充電瞬間電容視為短路,充電完畢則為斷路。

:想一想如何利用實驗量測一個未知電容大小?

動畫模擬1

動畫模擬2



實驗儀器


1.電路及電阻介紹

  
  

2.電容介紹

 
 

3.電源供應器

 
 


實驗步驟


注意:
i.電容是有分「+」「-」極喔!接錯是會爆炸喔!
ii.為避免電容有電荷殘存,請先將電容接地


A.充電過程

 
 

1.打開電源供應器,將電壓設為3V。

2.將電路板的開關切至『充電』的位置,即A通路、B斷路,使電容開始充電,並同時啟動碼錶計時。

3.每15秒記錄一次三用電錶的伏特數,持續充電15分鐘。


B.放電過程

 
 

1.將電路板的開關切至『放電』位置,即B通路、A斷路,使電容開始放電,同時開始重新計時。

2.每15秒記錄一次三用電錶的伏特數,持續紀錄15分鐘


C.將充電時間與伏特數,還有放電時間與伏特數繪出關係圖,並計算電容值,分析誤差大小。

:若將實驗中的直流電源改為交流電源,伏特計改為示波器,則結果會有何變化?



參考資料


1.Fundamentals of Physics, Fifth Edition ( by David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker)

2.University Physics, 12th ed (H. D. Young & R. A. Freedman,)

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Portal:Physics

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