Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Конденсатор - це стандартний електричний компонент. При подачі постійної напруги в конденсаторі накопичується заряд, а отже, і енергія, яка присутня у вигляді внутрішнього електричного поля, що виникає при цьому. Кількість заряду, яку може утримувати конденсатор, залежить від його конструкції та прикладеної напруги і називається його ємністю: .
Цей експеримент досліджує властивості конденсатора в колі змінного струму. Тут конденсатор виконує роль звичайного резистора, до якого застосовується наступне: .
Додаткова інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні повинні вміти збирати прості електричні кола і розуміти принципи вимірювання сили струму, напруги та опору. В ідеалі, учні вже теоретично знайомі з поняттям імпедансу.
Принцип
У першій частині експерименту за допомогою вимірювань визначають, що конденсатор діє як резистор у колі змінного струму. Для цього вимірюється сила струму при підключенні двох різних конденсаторів. Одночасно спостерігають за ввімкненою лампочкою.
У другій частині експерименту змінний струм генерується за допомогою ручного перемикача на постійній напрузі. Тут потрібно виявити залежність опору від частоти.
Додаткова інформація для вчителів (2/2)
Мета навчання
Учні повинні зрозуміти поведінку конденсатора в колі змінного струму, дослідивши та проаналізувавши її.
Завдання
Конденсатор у колі змінного струму, зрештою, являє собою великий опір. Це пов'язано з тим, що коли полярність конденсатора змінюється (або заряджається і розряджається), заряди, а отже, і електричний струм, протікають протягом короткого часу. Скільки зарядів проходить, залежить від ємності конденсатора.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Конденсатори на пластині
Конденсатори вбудовані практично в усі електричні пристрої, включаючи комп'ютери, смартфони та планшети, оскільки вони можуть накопичувати заряд, а отже, енергію, і мають особливі властивості зарядки та розрядки. Конденсатори бувають різних форм. Найпростішою формою є так званий пластинчастий (плоский) конденсатор, тоді як на друкованих платах зазвичай використовують циліндричні конденсатори.
У цьому експерименті учні досліджують властивості конденсатора в колі змінного струму (особливо під час його вмикання та вимикання).
Завдання
Як працює конденсатор в колі змінного струму?
Продемонструйте, що конденсатор не розриває коло змінного струму, і дослідіть, від чого залежить сила струму, коли конденсатор ввімкнено в коло змінного струму.
Експериментальна установка
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | З'єднувальний, прямий, модуль SB | 05601-01 | 4 |
| 2 | З'єднувальний, кутовий, модуль SB | 05601-02 | 4 |
| 3 | З'єднувальний, Т-подібний, модуль SB | 05601-03 | 1 |
| 4 | З'єднувальний, розімкнутий, модуль SB | 05601-04 | 2 |
| 5 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 6 | Вимикач вкл./викл., модуль SB | 05602-01 | 1 |
| 7 | Перемикач, модуль SB | 05602-02 | 1 |
| 8 | Патрон для лампи розжарювання Е 10, модуль SB | 05604-00 | 2 |
| 9 | Конденсатор (ELKO) 47 мкФ, модуль SB | 05645-47 | 1 |
| 10 | Конденсатор (ELKO) 470 мкФ, модуль SB | 05646-47 | 1 |
| 11 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 1 |
| 12 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 1 |
| 13 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 14 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 1 |
| 15 | Лампа розжарювання, 6 В/ 3 Вт, E10, 10 шт. | 35673-03 | 1 |
| 16 | Лампи розжарювання 4 В/ 0,04 A, E10, 10 шт. | 06154-03 | 1 |
| 17 | Аналоговий мультиметр, 600 В AC/DC, 10A AC/DC, 2 МОм, захист від перевантаження | 07021-11 | 1 |
| 18 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Підготовка
Рисунок 1
Рисунок 2
- Зберіть експериментальну установку, як показано на рисунках. Спочатку використовуйте конденсатор ємністю 47 мкФ.
- Спочатку розімкніть вимикач і підключіть його до джерела змінної напруги 6 В.
- Виберіть для мультиметра діапазон вимірювання сили струму - 300 мA~ .
Виконання роботи (1/2)
Експериментальна установка
Завдання 1: Замкніть коло змінного струму, виміряйте силу струму і спостерігайте за яскравістю лампочки. Свої спостереження запишіть до таблиці в протоколі.
Встановіть діапазон вимірювання 3А ~.
Завдання 2: Замініть конденсатор 47 мкФ на конденсатор 470 мкФ, виміряйте силу струму і запишіть її в таблицю.
Завдання 3: Замініть конденсатор на лінійний модуль, виміряйте силу струму і запишіть результати в таблицю.
Вимкніть блок живлення.
Виконання роботи (2/2)
Відновіть експеримент відповідно до ілюстрацій праворуч. Автоматичний вимикач знову розімкнутий. Переведіть перемикач у положення 1 і встановіть на блоці живлення напругу постійного струму 10 В, розрядіть конденсатор, замкнувши його накоротко, перед тим як вмикати його в коло
Завдання 4: Увімкніть джерело живлення, замкніть коло і спостерігайте за лампочкою, запишіть свої спостереження в протокол.
Завдання 5: Замініть конденсатор ємністю 470 мкФ на конденсатор ємністю 47 мкФ. Спочатку повільно, а потім все швидше (зі збільшенням частоти перемикань) натискайте на перемикач, спостерігайте за лампочкою і запишіть свої спостереження в протокол.
Нарешті, вимкніть блок живлення.
Протокол
Таблиця 1
Запишіть свої вимірювання і спостереження про роботу лампочки в таблицю.
C = 47 мкФ: лампа розжарювання в нормальному стані:
C = 47 мкФ: струм I [мА]:
Конденсатор
47 мкФ
470 мкФ
Без
Лампочка , [мА]
C = 470 мкФ: лампа розжарювання:
C = 470 мкФ: струм I [мА]:
C = 0 мкФ: стан лампи розжарювання:
C = 0 мкФ: струм I [мА]:
Завдання 1
Питання
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Вставте формули і слова у відповідні пробіли! Можна підсумувати, що так званий ємнісний ____ конденсатора залежить як від ємності C з ____ так і від частоти f з ____ змінного струму. У явному вигляді цю залежність можна виразити за допомогою формули: ____ .