Проводим открытый урок в кружке "Робототехника 9+". Тема занятия - "Конденсатор, график изменения напряжения." Цель - знакомство с конденсатором, знакомство с графиками зависимости электрических величин от времени и подготовка к работе с осциллографом.

Оборудование и пособия.

1. Макетная плата.
2. Блок питания 4,5 Вольт.
3. Провод монтажный.
4. Конденсатор 470 мкФ
5. Конденсатор 100 мкФ
6. Конденсатор 10 мкФ
7. Резистор 100 Ом
8. Резистор 1 кОм
9. Кнопка электрическая 2 шт.
10. Светодиод красный или жёлтый.

План занятия.

1. Что нам необходимо знать?
2. Теоретическая часть.
3. Практическая часть.
4. Лабораторная работа.
5. Выводы.
6. Контрольные вопросы.

Что нам необходимо знать?

Закон Ома для участка электрической цепи:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Теоретическая часть.

Конденсатор — двухполюсник с малой проводимостью; устройство для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. Ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах.

Производные от Фарады (Ф) единицы измерения микроФарады (мкФ) наноФарады (нФ) и пикоФарады (пФ).

• 1 Фарада = 1000000 мкФ
• 1 мкф = 1000 нФ
• 1 нФ = 1000 пФ

Промышленность производит металло-бумажные, электролитические, керамические и воздушные переменной ёмкости конденсаторы.

Рис. 1. Конденсаторы различных типов в разных корпусах.

Внимание! Электролитические конденсаторы имеют полярность. Обычно, минус указан на корпусе. Переполюсовка электролитического конденсатора ведёт к его физическому разрушению.

Практическая часть.

Задание №1. Нарисуйте схему изображенную на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема с конденсатором и светодиодом.

Задание №2. Соберите на макетной плате схему изображенную на рис. 2.

Рис. 3. Макет схемы с конденсатором и светодиодом.

Лабораторная работа.

Задание №3. Проведите опыты №1 с зарядом и разрядом конденсатора C1:

1. Замкните кнопку S1 на несколько секунд и отпустите.
2. Замкните кнопку S2.

Задание №4. Наблюдая как меняется свечение светодиода, попробуйте, своими словами, описать электрические процессы, происходящие в схеме после замыкания кнопки S2:

1. Как меняется ток, проходящий через светодиод?
2. Как меняется напряжение на конденсаторе?

Рис. 4. Диаграмма изменения тока (голубая) и напряжения (синяя) на конденсаторе.

Электрические процессы протекающие в электрической схеме и меняющиеся во времени удобно рассматривать на временной диаграмме.

На диаграмме см. рис. 3. в точке 0 начало отсчёта времени, 0 Ампер ток в конденсаторе C1 0 Вольт напряжение на конденсаторе. Горизонтально вправо на диаграмме идёт отсчёт времени с начала проведения опыта. Каждая вертикальная серая линия нарисована через 200 миллисекунд.

Описание процессов происходящих в схеме и отображённых на диаграмме рис. 4:

1. В точке 0 мы замкнули кнопку S1, при этом, кнопка S2 была разомкнута.
2. Конденсатор C1 начал заряжаться от батареи через резистор R1.
3. В момент замыкания кнопки S1 произошёл небольшой бросок тока через конденсатор (4,5 mA).
4. Далее, с течением времени, ток падает и на 1,8 секунде практически равен 0.
5. А напряжение на конденсаторе, в это же время, растёт до 4,4 Вольт.
6. На 1,8 секунде мы разомкнули кнопку S1 и тут же замкнули кнопку S2.
7. На 1,8 секунде произошёл бросок тока от конденсатора через светодиод D1 и резистор R2.
8. Ток разряда конденсатора имеет противоположное направление току заряда.
9. Начиная с 1,8 секунды происходит разряд конденсатора и напряжение на нём падает.
10. Падение напряжения на конденсаторе C1 не падает до 0 в обозримое время, так как проводимость светодиода при напряжениях ниже рабочих резко уменьшается.

Бросок тока в момент замыкания кнопки S1 (в точке 0) ограничен сопротивлением резистора R1 и равен:

Бросок тока в момент замыкания кнопки S2 (в точке 1,8 сек) ограничен сопротивлением резистора R2, напряжение, приложенное к резистору R2 в этот момент равно 4,4 Вольта минус 1,87 вольта (прямое падение напряжения на красном светодиоде):

Задание №5. Проведите опыты №2 с зарядом и разрядом конденсатора C1:

1. Замкните кнопку S2 и не отпускайте её во время опыта.
2. Замкните кнопку S1.
3. Через несколько секунд отпустите кнопку S1.

Задание №6. Наблюдая как меняется свечение светодиода, попробуйте, своими словами, описать электрические процессы, происходящие в схеме после замыкания кнопки S2:

1. Как меняется ток, проходящий через светодиод?
2. Как меняется напряжение на конденсаторе?

Рис. 5. Диаграмма изменения тока (синяя) и напряжения (розовая) на конденсаторе.

Задание №7. Опишите процессы происходящие в схеме рис. 2 во время второго опыта и отраженные на диаграмме рис. 5.

Задание №8. Замените в схеме рис. 2 конденсатор C1 на конденсатор ёмкостью 100 мкФ, 10 мкФ. В обоих случаях проведите опыты №1 и опыты №2 в соответствии с заданиями №3 и №5.

Выводы:

1. Конденсатор может накапливать энергию.
2. Процессы, протекающие во времени в схеме с конденсатором могут иметь нелинейный характер.

Контрольные вопросы.

1. Светодиод подключенный к заряженному конденсатору ёмкостью 470 мкФ горит дольше чем светодиод подключенный к заряженному конденсатору ёмкостью 100 мкФ?
2. Через резистор сопротивлением 1 кОм от батарейки напряжением 4,5 Вольт какой конденсатор зарядится быстрее ёмкостью 470 мкФ или ёмкостью 100 мкФ?

Литература.

Wikipedia