Опыт 6. Конденсатор в цепи переменного тока

Цель опыта:

продемонстрировать зависимость сопротивления конденсатора в цепи переменного тока от его емкости и частоты изменения напряжения.

Оборудование:

· конденсатор 4.7 мкФ

· конденсатор18.8 мкФ

· переменный резистор 470 Ом

· лампа 3.5В 0.25А

· ключ

· цифровой миллиамперметр переменного тока

· цифровой вольтметр переменного тока

· модуль с клеммами для подключения источника питания

· громкоговоритель

· генератор

Учащимся хорошо известно, что постоянный ток не может протекать через конденсатор. (При подключении конденсатора к источнику постоянного тока в цепи только в течение ограниченного времени протекает ток его зарядки.) Поэтому эксперимент следует начать с демонстрации возможности протекания переменного тока в цепи, содержащей конденсатор. Для этого соберите электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 1. Конденсатор емкостью 18.8 мкФ и лампа соединяются последовательно, при этом свечение лампы означает наличие тока в цепи. Питание осуществляется от генератора синусоидального сигнала, который, как и источник постоянного тока в предыдущих опытах, подсоединяется через модуль для подключения источника питания.

Установите частоту генератора примерно равной 5 кГц, замкните ключ и плавно увеличивайте амплитуду выходного сигнала генератора до тех пор, пока лампа не начнет гореть достаточно ярко. Продемонстрировав протекание переменного тока в цепи, содержащей конденсатор, Вы можете перейти к более обстоятельному изучению данного явления.

Измените собранную электрическую цепь в соответствии с рис. 2. Теперь конденсатор подключен непосредственно к источнику переменного напряжения, протекающий через него ток регистрируется цифровым миллиамперметром, а приложенное к конденсатору напряжение измеряется цифровым вольтметром.

Громкоговоритель служит для определения на слух изменения частоты напряжения питания.

Переменный резистор, включенный последовательно с громкоговорителем, используется для регулирования громкости звука.

Установите на генераторе частоту 20 Гц и близкий к максимальному уровень выходного сигнала. Замкните ключ и обратите внимание учащихся на показания измерительных приборов. Попросите учеников на основе экспериментальных данных рассчитать сопротивление конденсатора. Плавно увеличивайте частоту генератора, демонстрируя при этом рост тока, протекающего через конденсатор при практически неизменном напряжении на его выводах, и изменение частоты звучания динамика. Следите за показаниями цифрового миллиамперметра и, как только ток в цепи превысит 900 мА, прекратите увеличение частоты выходного сигнала генератора. Сообщите учащимся примерное значение частоты генератора и попросите их еще раз определить сопротивление конденсатора. Сопоставьте величины сопротивлений, полученные учащимися и, принимая во внимание характер изменения тока при проведении опыта, сделайте вывод об обратной зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного напряжения.

Для того чтобы показать зависимость емкостного сопротивления от величины емкости конденсатора замкните ключ и еще раз продемонстрируйте режим работы электрической цепи, полученный в конце предыдущего опыта. После этого замените конденсатор 18.8 мкФ конденсатором емкостью 4.7 мкФ. Ток в цепи при этом упадет в 4 раза, что при неизменности приложенного напряжения означает, что сопротивление конденсатора в 4 раза возросло. Обратите внимание учащихся на то, что емкости конденсаторов 18.8 мкФ и 4.7 мкФ также отличаются в 4 раза и сделайте вывод об обратно пропорциональной зависимости емкостного сопротивления от частоты.

В завершение данного эксперимента полезно изучить с учащимися, что происходит в электрической цепи, содержащей последовательно соединенные лампу и конденсатор (рис. 1) при изменении частоты подводимого к ней напряжения. Для этого включите в эту цепь цифровой миллиамперметр (рис. 3) и приготовьте цифровой вольтметр для измерения напряжения на различных элементах. В цепь должен быть включен конденсатор емкостью 18.8 мкФ.

Сопротивление нити накала лампы существенно зависит от силы протекающего через нее тока. Если лампа горит в полный накал, то ее сопротивление равно 14 Ом, но эта величина может стать в 10 раз меньше при уменьшении протекающего через нее тока. В данном эксперименте в области низких частот сопротивление конденсатора велико, ток в цепи при этом мал, сопротивление лампы составляет несколько Ом и практически все напряжение, подводимое к цепи, оказывается приложенным к конденсатору. В области высоких частот сопротивление конденсатора уменьшается до нескольких десятых долей Ома, и все напряжение оказывает приложенным к лампе, сопротивление которой становится более 10 Ом. Таким образом, при изменении частоты генератора от 30 Гц до 5 кГц сопротивление конденсатора уменьшается более чем в 100 раз, а сопротивление лампы возрастает примерно в 10 раз.

Замкните ключ и продемонстрируйте учащимся, как падения напряжения на конденсаторе и лампе изменяются при увеличении частоты от 30 Гц до 5 кГц. Сделайте соответствующие комментарии и объясните, почему, начиная с некоторого значения частоты, ток в цепи остается практически неизменным.

Вы можете также продемонстрировать учащимся еще один эффект, связанный с горением лампы в цепи переменного тока. Соберите электрическую цепь, в которой лампа и миллиамперметр соединены последовательно (рис. 4). Установите частоту генератора 5 кГц и уровень сигнала, соответствующий нормальному режиму горения лампы. После этого плавно уменьшайте частоту выходного сигнала генератора, демонстрируя постоянство тока в собранной электрической цепи и напряжения на лампе, а также неизменность свечения лампы вплоть до частоты 30 Гц. При частоте меньшей 20 Гц становится заметным изменение яркости лампы, возникающее в течение каждого периода колебаний в соответствии с изменением величины подводимого к цепи напряжения. Обратите внимание, что показания цифровых вольтметра и амперметра в этой области частот могут быть некорректны, поскольку рабочий диапазон применяемых приборов начинается с 15Гц.