آزمایش شارژ و دشارژ خازن
هدف آزمایش: بررسی چگونگی شارژ (پرشدن) و دشارژ (تخلیه) خازن، رسم منحنی تغییرات ولتاژ یك خازن در حال شارژ و یا دشارژ نسبت به زمان، بدست آوردن ثابت زمانی، بررسی ظرفیت خازنهای سری و موازی
وسایل آزمایش: برد شارژ و دشارژ خازن، منبع تغذیه AC-DC واریابل ( )، مولتيمتر دستی دیجیتال، بلوکه خازن بای پلار، بلوكه مقاومت معلوم، پك كامل پرتهاي آزمايشگاهي uشکل، كرنومتر
تئوری آزمایش
اگر به صفحات یك خازن (كه نوع ساده آن از دو صفحه فلزی موازی كه توسط عایقی از هم جدا شده اند، تشكیل شده) ولتاژ ثابت یك باتری وصل شود، مقداری بار از این باتری به صفحات خازن منتقل شده و درآن ذخیره می شود این بار ذخیره شده متناسب با ولتاژ اعمال شده بوده و از رابطه پیروی می كند. در این رابطه C را كه ضریب تناسب است ظرفیت خازن نامیده و به صورت زیر بیان میشود:
ظرفیت خازن به جنس عایق بین صفحات، مساحت صفحات و فاصله آنها بستگی دارد، واحد ظرفیت كولن بر ولت یا فاراد بوده و واحدهای كوچكتر آن میكروفاراد ( فاراد) و پیكوفاراد ( فاراد) میباشد.
شكل (1)
درمداری مطابق شكل (1) با بستن كلید K جریانی درمدار برقرار گردیده و بارهای الكتریكی از باتری به طرف خازن جریان پیدا می كنند. چون درمسیر باتری و خازن یك مقاومت قرارگرفته، پس از بستن كلید K، خازن بلافاصله باردار نخواهد شد بلكه بارها، كم كم برروی جوشن های خازن جمع می شوند. این جریان تا وقتی كه ولتاژ برابر ولتاژ باتری ( ) گردد برقرار است. بنابراین بابستن كلید K اختلاف پتانسیل دو سر خازن پس از مدتی از صفر به مقدار ماكزیمم می رسد، یعنی اگر ضمن باردار شدن ولتاژ خازن لحظه به لحظه اندازهگیری شود مشاهده میگردد كه ولتاژ به تدریج زیاد می شود در صورتی كه شدت جریان كاهش مییابد.
زیاد شدن تدریجی ولتاژ در حین شارژ از رابطه پیروی میكند كه در این رابطه C ظرفیت خازن و R مقاومتی است كه سر راه باتری و خازن قرار گرفته (مطابق شكل 1) بنا به تعریف، زمان لازم برای رسیدن ولتاژ دو سرخازن به 63/0 ولتاژ اعمال شده را ثابت زمانی گفته و با نشان میدهند، مقدار برابر حاصلضرب RC بوده كه از رابطه بالا قابل محاسبه است.
چنانچه بعد از پر شدن كامل خازن، باتری را از مدار حذف نموده و كلید K را ببندیم بارخازن به تدریج تخلیه شده و تغییرات ولتاژ دو سرخازن از رابطه تبعیت میكند (مدار شكل 2).
شكل (2)
روش آزمایش
الف) شارژ خازن
1- ابتدا خازن Fµ 1000 را كه در اختیار دارید كاملاً تخلیه كنید (برای این كار كافی است دو سرخازن را با یك سیم به هم وصل كنید).
2- مداری مطابق شكل (3) ببندید (كلید K حتماً باز باشد) مقاومت R مدار را طوری انتخاب كنید كه زمان شارژ خازن طولانی و مناسب برای آزمایش باشد.
شكل (3)
3- كلید K را بسته و همزمان با بستن آن كرنومتر را به كار بیندازید. سپس هر 5 ثانیه به 5 ثانیه ولتاژ خازن را از روی ولتمتر خوانده در جدول (1) یادداشت كنید.
t(s)
جدول (1)
4) با استفاده از جدول (1) منحنی شارژ خازن را روی كاغذ میلیمتری رسم كنید.
5) با استفاده ازنمودار رسم شده ثابت زمانی را به دست آورده از روی آن ظرفیت خازن را كه مجهول فرض كرده بودید محاسبه كنید.
ب) دشارژ خازن
1) بعد از اینكه مطمئن شدید خازن كاملاً شارژ شده است آن را در مداری مطابق شكل (4) قرار دهید (كلید K حتماً باز باشد).
شكل (4)
2) كلید K را بسته همزمان كرنومتر را به كار بیندازید. سپس هر 5 ثانیه ولتاژ خازن را خوانده در جدول (2) یادداشت كنید.
3) با استفاده از جدول (2) منحنی دشارژ خازن را درهمان دستگاه مختصاتی كه شارژ را رسم كرده اید، رسم كنید.
4) ثابت زمانی خازن را در نمودار دشارژ نیز به دست آورده C را محاسبه كنید.
t(s)
جدول (2)
ج) به هم بستن سری و موازی خازنها
آزمایش قسمت (الف) را یكبار برای دو خازن كه به هم به طوری سری متصل شدهاند و یكبار برای دو خازن كه به طور موازی متصل شده اند تكرار كنید و از روی ثابت زمانی اندازه گیری،ظرفیت معادل مدارها را محاسبه كرده و با ظرفیت معادل محاسبه شده از روابط مقایسه كنید.
اتصال موازی
اتصال سری
ولتاژهای اندازهگیری شده را در جدولی مانند جدول (1) وارد كنید. منحنی تغییرات V را برحسب تابعی از t رسم كرده و با استفاده از آن ظرفیت معادل دو خازن را حساب كنید. مقادیر بدست آمده را با مقادیری كه از روابط بالا محاسبه كردید، مقایسه نمایید.