Aufladen und Entladen des Kondensators

Kondensator zum Laden und Entladen von Versuchsteilen und -materialien

Um dieses Experiment durchzuführen, benötigen Sie Folgendes:

• 6-Volt-Batterie
• Zwei große Elektrolytkondensatoren, mindestens 1000 µF (Radio Shack Katalog # 272-1019, 272-1032 oder gleichwertig)
• Zwei 1-kΩ-Widerstände
• Ein Kippschalter, SPST ("Single-Pole, Single-Throw")

Für dieses Experiment sind große Kondensatoren erforderlich, um Zeitkonstanten zu erzeugen, die langsam genug sind, um sie mit einem Voltmeter und einer Stoppuhr zu verfolgen.

Seien Sie gewarnt, dass die meisten großen Kondensatoren vom "elektrolytischen" Typ sind und polaritätsempfindlich sind ! Ein Anschluss jedes Kondensators sollte mit einem eindeutigen Polaritätszeichen gekennzeichnet sein.

Normalerweise haben Kondensatoren der angegebenen Größe eine negative (-) Markierung oder eine Reihe von negativen Markierungen, die in Richtung des negativen Anschlusses zeigen.

Sehr große Kondensatoren sind oft durch eine positive (+) Markierung neben einem Anschluss gekennzeichnet.

Die Nichtbeachtung der richtigen Polarität führt fast sicher zu einem Kondensatorausfall, selbst bei einer Quellenspannung von nur 6 Volt.

Wenn Elektrolytkondensatoren ausfallen, explodieren sie , die ätzende Chemikalien ausstößt und üble Gerüche ausstößt. Bitte versuchen Sie dies zu vermeiden!

Für den in der Stückliste angegebenen „SPST Kippschalter“ empfehle ich einen Haushaltslichtschalter.

QUERVERWEISE

• Lektionen in elektrischen Schaltungen , Band 1, Kapitel 13:„Kondensatoren“
• Lektionen in elektrischen Schaltungen , Band 1, Kapitel 16:„RC- und L/R-Zeitkonstanten“

LERNZIELE

In diesem Experiment möchten wir die folgenden Konzepte kennenlernen:

• Kondensatorladeaktion
• Kondensatorentladungsaktion
• Zeitkonstantenberechnung
• Serien- und Parallelkapazität

Schematische Darstellung des Lade- und Entladestromkreises

Illustration des Experiments

Anleitung zum Experiment

Messen der Spannung Ihres Stromkreises

Bauen Sie die „Ladeschaltung“ auf und messen Sie die Spannung am Kondensator, wenn der Schalter geschlossen ist.

Beachten Sie, wie er im Laufe der Zeit langsam ansteigt und nicht plötzlich, wie es bei einem Widerstand der Fall wäre.

Sie können den Kondensator auf eine Spannung von Null "zurücksetzen", indem Sie seine Anschlüsse mit einem Stück Draht kurzschließen.

Die „Zeitkonstante“ (τ) einer Widerstands-Kondensator-Schaltung wird berechnet, indem der Schaltungswiderstand genommen und mit der Schaltungskapazität multipliziert wird.

Für einen 1-kΩ-Widerstand und einen 1000-µF-Kondensator sollte die Zeitkonstante 1 Sekunde betragen. Dies ist die Zeit, die es dauert, bis die Kondensatorspannung um etwa 63,2 % von ihrem aktuellen Wert auf ihren Endwert, die Spannung der Batterie, ansteigt.

Es ist lehrreich, die Spannung eines Ladekondensators über die Zeit auf einem Millimeterpapier aufzuzeichnen, um zu sehen, wie sich die inverse exponentielle Kurve entwickelt.

Um die Aktion dieser Schaltung zu zeichnen, müssen wir jedoch einen Weg finden, sie zu verlangsamen. Eine Zeitkonstante von einer Sekunde bietet nicht viel Zeit, um Voltmeterablesungen vorzunehmen!

Ändern der Zeitkonstante einer Schaltung

Wir können die Zeitkonstante dieser Schaltung auf zwei verschiedene Arten erhöhen:

• Ändern des Gesamtstromkreiswiderstands und/oder
• Ändern der Gesamtkapazität des Schaltkreises.

Experimentieren Sie mit einem Paar identischer Widerstände und einem Paar identischer Kondensatoren mit verschiedenen Reihen- und Parallelkombinationen, um den langsamsten Ladevorgang zu erzielen.

Sie sollten bereits wissen, wie mehrere Widerstände verbunden werden müssen, um einen größeren Gesamtwiderstand zu bilden, aber was ist mit Kondensatoren?

Diese Schaltung zeigt Ihnen, wie sich die Kapazität bei Reihen- und Parallelschaltungen von Kondensatoren ändert.

Achten Sie nur darauf, dass Sie den/die Kondensator(en) in der richtigen Richtung einsetzen:mit den mit Minus (-) gekennzeichneten Enden elektrisch „am nächsten“ am Minuspol der Batterie!

Die Entladeschaltung liefert die gleiche Art sich ändernder Kondensatorspannung, nur dass die Spannung diesmal beim Schließen des Schalters auf die volle Batteriespannung springt und beim Öffnen des Schalters langsam abfällt.

Experimentieren Sie noch einmal mit verschiedenen Kombinationen von Widerständen und Kondensatoren und stellen Sie wie immer sicher, dass die Polarität des Kondensators richtig ist.

Computersimulation

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Kondensatorladeschaltung v1 1 0 dc 6 r1 1 2 1k c1 2 0 1000u ic=0 .tran 0.1 5 uic .plot tran v(2,0) .end 

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur Berechnung von Zeitkonstanten
• Arbeitsblatt Kondensatoren