Overview
Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana
Cette expérience utilisera les condensateurs commerciales et un condensateur à plaques parallèles pour démontrer le concept de capacité. Un condensateur stocke en face de charges sur les deux conducteurs, par exemple deux opposés plaques métalliques, conduisant à une différence de potentiel entre les deux conducteurs (chute de tension). Le montant des frais sur chaque conducteur est proportionnel à cette chute de tension, avec la capacité comme étant le facteur de proportionnalité. Si la tension évolue avec le temps, le courant qui circule dans le condensateur sera proportionnel au taux de ce changement, et encore une fois, la capacité est le facteur de proportionnalité.
La capacité du condensateur à plaques parallèles est le produit de la constante diélectrique avec la distance entre les plaques divisé par la surface de la plaque. Cette expérience démontrera la proportionnalité avec la distance de premier dépôt de certains frais sur le condensateur et ensuite à l’aide d’un voltmètre haute impédance (électromètre) pour surveiller la tension entre les plaques lorsque la distance augmente. Le changement de tension se fera également avec un matériau diélectrique, comme une plaque de plastique inséré dans l’espace entre les plaques de métal.
Un capacimètre serviront directement mesurer la capacité, ainsi que mesure parallèle et raccordement en série de condensateurs disponibles sur le marché et d’étudier comment la capacité totale est liée aux capacités individuelles.
Principles
Un condensateur est constitué de deux conducteurs séparés et sa capacité C représente sa « capacité à accumuler charge ». Appliquer une différence de tension V entre ces deux conducteurs peut induire charge + Q sur un chef d’orchestre et Q sur l’autre conducteur (donc la charge totale est nulle, c'est-à-dire, le condensateur dans son ensemble est charge neutre), tels que :
(Équation 1)
Notez ici que Q est la charge sur un conducteur (pas la charge totale sur les deux conducteurs qui serait 0). Si la tension V évolue avec le temps, il en sera la charge Q. Si V et Q changent par ΔV et ΔQ, respectivement dans un Δt d’intervalle de temps, puis,
ΔQ = C • ΔV
et
Depuis ΔQ/Δt le courant (appelé « courant de charge ») circule dans le conducteur chargé positivement du condensateur, puis comme indiqué dans l’équation 2:
(Équation 2)
Cela signifie que la capacité est le facteur de proportionnalité afin de convertir le taux de variation de tension (ΔV/Δt) pour le courant qui circule dans le condensateur (voir Figure 1).
La capacité peut également être mesurée directement à l’aide d’un capacimètre (par exemple, en utilisant le mode de mesure de capacité d’un multimètre ou « RLC » ; voir Figure 2).
Le plus simple type de condensateur, représentée dans les Figures 1 et 2, se compose de deux plaques conductrices parallèles et s’appelle un « condensateur à plaques parallèles ». Sa capacité C est donnée par l’équation 3
(Équation 3)
où : A représente la zone de la plaque, d est la séparation entre les plaques et la constante diélectrique du milieu entre les deux plaques (ou « remplir » le condensateur). Le support doit être électriquement isolantes. Pour un vide,
F/m
Cette valeur est généralement notée ε0, qui décrit aussi ε d’air permettant une bonne approximation. Autre moyen, comme le pétrole, ont généralement une plus grande ε, qui est mise à l’échelle de la valeur vide ε0 cité plus haut par un facteur supérieur à un. Ce facteur est connu comme le « relative » constante diélectrique ou permittivité du milieu et communément appelé κ. Un tel milieu est aussi communément appelé un « matériau diélectrique ».
Par conséquent, pour un condensateur à plaques parallèles :
Si la charge Q est fixée, avant d’augmenter la plaque séparation d augmentera la tension V (proportionnellement à d) :
(Équation 4)
Condensateurs peuvent être connectés en parallèle ou en série à l’instar de résistances. La capacité totale « effective » est capacitances liés à individuels dans une connexion parallèle ou série semblable à la conductance électrique comment d’une parallèle/série, connexion de la résistance est conductances liés à différents. Ainsi, pour les deux condensateurs avec capacitances C1 et C2, la capacité totale pour un branchement en parallèle est égale à la somme des deux capacités. Ou,
(Équation 5)
Pour une connexion série,
(Équation 6)
Ces deux types de connexions sont représentés dans les Figures 3 et 4.
Figure 1 : Schéma montrant un condensateur connecté à une source de tension utilisée pour charger le condensateur et un ampèremètre pour lire le courant.
Figure 2 : Schéma montrant un capacimètre relié à un condensateur de mesurer directement la capacité.
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Procedure
1. charge d’un condensateur
- Obtenir un condensateur commercial avec capacité C = 470 µF (ou une valeur similaire), une source de tension programmables et un ampèremètre (ou multimètre qui peut mesurer le courant).
- Avec la source de tension définie à 0 V, raccordez la borne « + » de la source de tension aux bornes du condensateur, avec l’ampèremètre entre les deux et raccordez la « − » de la source de tension à l’autre borne, comme dans la Figure 1. La connexion peut être établie avec les câbles avec des pinces ou des fiches banane en recevant des ports sur le condensateur et les instruments.
- Changer la source de tension de 0 V à 1 V (dans environ 1 s), et observez le transitoire actuel de lecture sur l’ampèremètre. Faites de même pour les 2 V, 5 V et 10 V (pour chaque tension cible ; cela signifie premier aller retour à 0 V, puis basculez la tension cible dans environ 1 s). Notez que le courant transitoire est plus grand pour une plus grande tension de cible, comme prévu de l’équation 2.
- Programme la source de tension pour générer une rampe de tension de 0 V à 10 V à 5 s et d’enregistrer la lecture de « état stationnaire » de l’amp-compteur au milieu de la rampe. Répéter pour une durée de rampe de 10 s, 20 s et 30 s. intrigue le courant observé par rapport à la vitesse de montée de tension (en V/s).
2. réglage de la capacité
- Éteignez la source de tension et remplacez-la par une batterie V 300 et remplacer l’ampèremètre par une résistance de MΩ 1 (cette résistance vise à fournir une protection supplémentaire pour limiter le courant dans le circuit) ; remplacer le condensateur commercial avec un condensateur à plaques parallèles avec une séparation réglable entre les plaques.
- Procurez-vous un voltmètre haute impédance (ou « électromètre ») et connectez-le pour mesurer la différence de tension V entre les deux plaques (la haute impédance empêche la décharge du condensateur au cours de l’expérience lorsque l’électromètre est connecté). Voir la Figure 5.
- Connecter la batterie V 300 pour le condensateur à plaques parallèles, attendre que l’électromètre atteint l’état d’équilibre de 300 V (maintenant le condensateur est complètement chargé par la source de V 300) et puis déconnecter rapidement la source de tension des plaques. Voir la Figure 6. L’électromètre doit toujours lire 300 V.
- Maintenant augmenter la distance d entre les plaques à des valeurs plus élevées comme 15 mm, 10 mm et 5 mm et observer et enregistrer la tension correspondante de lecture sur l’électromètre (V) ; terrain V par rapport à d.
- Augmenter d retour à ~ 20 mm, insérer une plaque en plastique entre les deux plaques et observer ce qui arrive à V lu par l’électromètre. La réduction de V entre les résultats de plaques (avec charge Q fixé dans ce cas) de la plus grande ε de la constante diélectrique du plastique (par rapport à l’air) comme le support du condensateur (voir équations 1 et 3).
3. parallèle et série Capacitances
- Obtenir un capacimètre (un « RLC » ou un multimètre avec un mode de mesure de capacité) ; obtenir une carte de prototypage pour faciliter les connexions électriques dans cette partie de l’expérience.
- Obtenir deux condensateurs « céramiques » commerciales avec une capacité de 1 µF et le capacimètre permet de vérifier leur capacité, comme illustré Figure 2.
- Connectez les deux condensateurs en parallèle et le capacimètre permet de mesurer la capacité totale (entre les points A et B, voir Figure 3).
- Connectez les deux condensateurs en série et le capacimètre permet de mesurer la capacité totale (entre les points A et B, voir Figure 4).
Figure 3: diagramme montrant deux condensateurs reliés en parallèle.
Figure 4: diagramme montrant deux condensateurs reliés en série.
Figure 5: Schéma montrant la charge d’un condensateur à l’aide d’une source de tension, lors de la lecture de la tension avec un électromètre.
Figure 6: après avoir rapidement déconnecté de la source de tension dans la Figure 5, la tension et la charge sur le condensateur doivent rester.
Un condensateur est indispensable dans les circuits car il résiste aux variations de tension en stockant égale et en face de charges sur ses bornes conductrices et puis qui fournit l’énergie quand la tension d’alimentation descend.
Un condensateur se compose de deux bornes conductrices, telles que les deux plaques dans un « condensateur à plaques parallèles », séparées par un matériau isolant ou un fossé. Lorsqu’une tension est appliquée à travers un condensateur, il dessine actuelle. Cela provoque des électrons s’accumuler sur une plaque, alors qu’ils sont repoussés sur l’autre, donc stockage égale et en face de frais sur les deux plaques.
La capacité du composant à accumuler charge est appelée capacitance et se mesure en unités appelées Farads.
Cette vidéo utilise un condensateur à plaques parallèles pour illustrer le concept de capacité et de sa dépendance à l’égard des facteurs physiques et de la configuration du réseau.
Lorsqu’une source d’alimentation est appliquée à un circuit, le condensateur dessine « courant de charge » jusqu'à ce que ses chefs sont complètement chargées. La quantité de charge « Q » un condensateur peut stocker dépend de la capacité « C » de l’élément et l’amplitude de la tension fournie « V ».
Lorsque la tension chute, utilisation de flux de conducteurs de condensateur sur le circuit, la génération actuelle jusqu'à ce que la charge stockée est épuisée, stabilisant ainsi la fluctuation de la tension. Courant est le taux de variation d’un montant de frais. Combinant cette fonctionnalité avec l’équation précédente, nous pouvons dire que le flux de courant dans le condensateur est capacitance fois le taux de variation de tension.
La valeur de C est constante pour un condensateur donné et peut être obtenue en utilisant cette équation, qui montre que C est directement proportionnelle à la plaque un--la surface habitable, d - la distance d’écart et epsilon--la constante diélectrique ou « permittivité » du matériau isolant entre les plaques.
Constante diélectrique est une mesure de l’ampleur à laquelle le matériau devient polarisé dans un champ électrique.
Ainsi, étant donné la relation entre epsilon et C et C et Q ; à une tension donnée, plus la permittivité, plus élevée sera capacité de stockage de charge du condensateur.
Vide possède une constante diélectrique de 8.85x10-12 Farads par mètre, ε0 notée. Autres médias ont généralement une plus grande valeurs de permittivité, qui sont mis à l’échelle à ε0 et qualifiés de la permittivité « relative » du milieu. Par exemple, la permittivité relative de l’air est environ un, gamme polymères de 2 à 4, et l’eau distillée est de 80.
Maintenant que les propriétés physiques effectuant la capacité ont été expliquées, nous allons jeter un coup d’oeil à la façon de mesurer la capacité des éléments capacitifs individuels ou en réseau.
Pour commencer, rassembler le matériel suivant : un condensateur commercial avec une capacité de près de 470 micro farad, une source de tension programmables et un ampèremètre ou le multimètre qui peut mesurer le courant.
Ensuite, avec la source de tension réglée à 0 V, connecter son pôle positif de l’ampèremètre. Puis connectez l’autre port de l’ampèremètre pour le condensateur, en utilisant des câbles avec des pinces ou fiches bananes. Cela permet la mesure de la production actuelle de condensateur. Par la suite, connectez le port négatif de la source de tension à l’autre borne du condensateur.
Puis, changer la source de tension de 0 à 1 V et observer le transitoire actuel de lecture sur l’ampèremètre. Ensuite, ajuster la tension à 0 avant d’augmenter jusqu'à 2 V, 5 V et 10 V. Pour chaque tension cible permettent une seconde de repos à 0 V entre les changements à des tensions différentes cibles. Observer le transitoire actuelle comme les changements de tension.
Tel que prédit par l’équation du courant transitoire devrait être plus grande pour une plus grande tension de cible.
Enfin, la source de tension pour générer une rampe de tension de 0 V à 10 v plus de 5 secondes de programme et enregistrer le « état stationnaire »-ampèremètre lecture Mid-rampe. Ensuite, répétez pour les temps de rampe de 10 s, 20 s et 30 s.
Maintenant obtenir un condensateur à plaques parallèles avec séparation réglable entre les plaques et utiliser une batterie de 300V comme source de tension. Remplacer l’ampèremètre avec une résistance de 1 méga ohms. Cette résistance fournit une protection supplémentaire, limitant la circulation du courant dans le circuit.
Ensuite, connecter un voltmètre haute impédance ou électromètre, entre les deux plaques afin de mesurer la différence de tension.
Ensuite, connectez la batterie au condensateur et attendez que l’électromètre a également atteint l’état d’équilibre de 300 V, indiquant que le condensateur est complètement chargé. Puis déconnecter rapidement la batterie des plaques. L’électromètre doit toujours lire 300 V.
Recommencez la mesure après réduisant la distance entre les plaques à 15, 10 et 5 mm.
Enfin, avec une distance de plaque de condensateur de 20 mm, insérer une plaque en plastique entre les deux plaques et observer ce qui se passe à la lecture de tension électromètre.
Pour le condensateur commercial, l’intrigue du courant mesuré par le rapport de vitesse de montée en tension révèle une relation linéaire entre les deux paramètres.
Cela est conforme à la relation fondée par cette équation, ce dont nous avons tirés plus tôt dans la vidéo. Selon l’équation, , la pente de la droite est égale à la capacité.
Pour le condensateur à plaques parallèles avec charge fixe, l’intrigue de la tension entre les plaques par rapport à la distance entre les plaques est linéaire. Encore une fois, cela prend en charge les relations théoriques. Nous savons que la distance de capacitance et de plaque sont inversement proportionnelles. Nous savons aussi que lorsque la charge de chef d’orchestre est fixe, capacité et tension sont également inversement proportionnelles. Combinant ces deux équations révèle que distance tension et plaque sont directement proportionnels à l’autre lorsque la charge est fixe.
Cette équation a également prédit qu’avec une charge fixe, la plus grande constante diélectrique du milieu vide, la partie inférieure serait la tension entre les plaques. Ceci a été confirmé lors de l’air dans l’espace a été remplacé par le plastique, et nous avons vu une baisse dans la lecture du voltmètre.
Condensateurs sont utilisés dans une grande variété d’applications techniques et scientifiques pour accumuler charge et sélectivement décharger l’électricité.
Les condensateurs sont essentielles pour le traitement du signal électrique. Par exemple, les biologistes utilisé un test de deux choix pour évaluer comment les souris reconnaissent et répondent aux différentes vocalisations ultrasoniques. Tout d’abord, sons fichiers sont enregistrés de souris vivantes et ajustée en utilisant le haut passer des filtres pour sélectionner des fréquences.
Circuits de filtre passe-haut utilisent des condensateurs pour bloquer des oscillations de basse fréquence, car la conduction entre les plaques de condensateur généralement augmente à des fréquences plus élevées et diminue dans les basses fréquences. Ensuite, des sons de fréquence variable sont simultanément joués dans deux lieux distincts, permettant aux souris migrer vers la vocalisation préférée.
Alors que le secteur fournitures sont AC courant fluctuant, de nombreux appareils électroniques, tels que les ordinateurs, nécessitent une alimentation DC. Condensateurs sont utilisés dans les adaptateurs de courant alternatif pour filtrer des signaux électriques et de stabiliser l’alimentation CC, fournissant une source sans heurt et sans interruption.
Vous avez juste regardé introduction de JoVE à condensateurs. Vous devez maintenant comprendre le concept de capacitance, comment mesurer ce paramètre physique et comment les propriétés comme distance de la plaque à l’assiette ou effet important écart la valeur capacitive. Comme toujours, Merci pour regarder !
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Results
Pour un condensateur, une parcelle de courant j’ai par rapport aux taux de rampe ΔV/Δt est linéaire, comme illustré à la Figure 7. Puisque le courant est le taux de la variation de la charge Q sur un terminal des conducteurs, cela reflète également la relation linéaire entre la charge Q et de la tension V pour un condensateur (équation 1). La pente de la courbe est égale à la capacité du condensateur (équation 2).
Pour un condensateur à plaques parallèles avec forfait Q, une parcelle de la tension V entre les plaques par rapport à la distance d entre les plaques devrait également être linéaire, comme illustré à la Figure 8. Il vérifie l' équation 4, qui est une conséquence de la capacité C du condensateur plaques parallèles étant inversement proportionnelle à la distance d (équation 3) et la tension V étant inversement proportionnelle à la capacité C (parce que la charge Q est fixe, l’équation 1).
Pour les deux condensateurs, chacune ayant 1 μF de capacitance, leur connexion parallèle devrait donner une capacité totale de 2 µF, et leur connexion série doit mesurer une capacité totale de 0,5 µF, compatible avec les équations 5 et 6 sur les règles de la combinaison de capacités en parallèle ou en série.
Figure 7 : Un exemplaire tracé linéaire entre la vitesse de montée de courant et de tension.
Figure 8 : Un tracé linéaire exemplaire entre inter-plaques entre tension et distance.
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Applications and Summary
Dans cette expérience, il a été démontré de la charge d’un condensateur, où le courant est le produit de la capacité et le taux de variation de tension. En observant comment la tension varie compte tenu d’une charge fixe, nous avons démontré comment la capacité d’un condensateur à plaques parallèles varie avec la séparation et avec le milieu entre les plaques.
Le capacimètre permet également de mesurer directement la capacitance et déterminer la capacité totale pour les condensateurs reliés en parallèle ou en série.
Condensateurs sont couramment utilisés dans de nombreuses applications de circuit. Ils peuvent servir à stocker des frais et l’énergie. Ils sont indispensables pour le traitement du signal électrique. Par exemple, prenant la dérivée d’un signal électrique, dite le « facteur de différenciation », comme le condensateur courant, est directement proportionnelle à la dérivée d’une tension de charge de temps appliquée au condensateur. Ils sont également utilisés dans les filtres (la conduction entre les deux conducteurs constituant qu'un condensateur augmente généralement à plus haute fréquence, bien qu’il soit très faible à basse fréquence).
L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.
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