用恒流源定量探究電容器Q與U的比值

陳錦華

(福建省福安市第三中學 355002)

一、實驗原理

用恒流源給電容器充電，測量充電電流I、充電時間t及充電結束后電容器的電壓U.由于恒流源可以保持充電過程中的I不變，因此利用公式Q=It可以方便地計算出電容器所帶的電荷量Q.多次實驗，得到不同U情況下所對應的Q，由此可以定量探究Q與U的比值關系.

二、恒流源介紹

圖1是恒流源的原理圖，其電路簡單、成本低廉，適合自制使用.器材說明如下：

(1)4.5V電源采用3節干電池串聯；

(2)R1是“330R1/4W”的碳膜電阻；

(3)R2是“16kΩ1/4W”的碳膜電阻；

(4)S8050是一種常見的小功率三極管；

(5)TL431A是一種常見的三端精密穩壓管，正常工作時其1、2管腳間的穩壓值為2.5V；

(6)A+、B-是兩個接線柱，作為恒流源輸出端.

三、實驗具體實施例

1.實驗電路及器材

實驗電路如圖2所示，恒流源通過A+、B-兩接線柱給電路供電，其中C是標稱值為“16V1000μF”的電解電容器.

2.實驗步驟

(1)按圖2連接好實驗電路，S1和S2開始時都處于斷開狀態；

(2)閉合S1開始充電，同時按下秒表開始計時,并讀出微安表的電流值I；

(3)在充電結束前斷開S1停止充電，同時按停秒表；

(4)用數字電壓表測量電容器的電壓U,并讀出秒表上的充電時間t；

(5)閉合S2使電容器放光電荷，然后再斷開S2；

(6)改變充電時間，多次實驗，將每次實驗的t、I和U的數值記錄到表1中.

表1

3.數據處理和實驗結論

四、實驗注意事項

用電壓表測量電容器的電壓時，電容器會通過電壓表放電，使得電壓的測量值小于真實值而造成測量誤差.為了減小測量誤差，必須做到以下三點要求：①電容器的電容要足夠大，建議用不小于1000μF的電解電容器；②電壓表的內阻R要足夠大，數字電壓表的內阻可達10MΩ、甚至更大，可以滿足要求.不要采用指針式電壓表，因為指針式電壓表的內阻相對很小；③測量電壓時，測量時間要盡可能短.因為測量時間通常才幾秒，故測量時間遠小于放電的時間常數，因此測量時放電的電荷量極少，由于放電造成的測量誤差可以忽略不計.