用恒流源定量探究电容器Q与U的比值

陈锦华

(福建省福安市第三中学 355002)

一、实验原理

用恒流源给电容器充电，测量充电电流I、充电时间t及充电结束后电容器的电压U.由于恒流源可以保持充电过程中的I不变，因此利用公式Q=It可以方便地计算出电容器所带的电荷量Q.多次实验，得到不同U情况下所对应的Q，由此可以定量探究Q与U的比值关系.

二、恒流源介绍

图1是恒流源的原理图，其电路简单、成本低廉，适合自制使用.器材说明如下：

(1)4.5V电源采用3节干电池串联；

(2)R1是“330R1/4W”的碳膜电阻；

(3)R2是“16kΩ1/4W”的碳膜电阻；

(4)S8050是一种常见的小功率三极管；

(5)TL431A是一种常见的三端精密稳压管，正常工作时其1、2管脚间的稳压值为2.5V；

(6)A+、B-是两个接线柱，作为恒流源输出端.

三、实验具体实施例

1.实验电路及器材

实验电路如图2所示，恒流源通过A+、B-两接线柱给电路供电，其中C是标称值为“16V1000μF”的电解电容器.

2.实验步骤

(1)按图2连接好实验电路，S1和S2开始时都处于断开状态；

(2)闭合S1开始充电，同时按下秒表开始计时,并读出微安表的电流值I；

(3)在充电结束前断开S1停止充电，同时按停秒表；

(4)用数字电压表测量电容器的电压U,并读出秒表上的充电时间t；

(5)闭合S2使电容器放光电荷，然后再断开S2；

(6)改变充电时间，多次实验，将每次实验的t、I和U的数值记录到表1中.

表1

3.数据处理和实验结论

四、实验注意事项

用电压表测量电容器的电压时，电容器会通过电压表放电，使得电压的测量值小于真实值而造成测量误差.为了减小测量误差，必须做到以下三点要求：①电容器的电容要足够大，建议用不小于1000μF的电解电容器；②电压表的内阻R要足够大，数字电压表的内阻可达10MΩ、甚至更大，可以满足要求.不要采用指针式电压表，因为指针式电压表的内阻相对很小；③测量电压时，测量时间要尽可能短.因为测量时间通常才几秒，故测量时间远小于放电的时间常数，因此测量时放电的电荷量极少，由于放电造成的测量误差可以忽略不计.