Történet a grillezett kondenzátorról
Zsigó Zsolt
2003/09/14 08:00
769 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
A palacsintasütő ma már csak a legkevésbé művelt publikumnak juthat eszébe a kondenzátorok kisütése kapcsán, s köszönhetően az internetnek, mind többen gondolnak az időállandóra a fent említett kifejezést hallván. E rövid eszmefuttatás célja a homály további oszlatása.

Mai kísérletünk tárgya tehát az, hogy a kissé hosszúra nyúlt váltakozó áramú vizsgálódásaink után most végre kellő figyelmet fordítsunk a kondenzátorok egyenáramú körökben betöltött szerepére. Kísérletünkben tanulmányozhatjuk a kapacitások feltöltését és kisütését. Megvizsgálhatjuk, hogy az időállandó hogyan függ az egyes áramköri elemek értékétől.

Követve eddigi gyakorlatunkat, mielőtt mérnénk, ismételjünk egy kicsit.

Fontos figyelmeztetés!

E mérés elvi alapjai sokkal részletesebben megtalálhatóak bármelyik szakkönyvben vagy tankönyvben! E rövid kis elméleti összefoglaló célja csupán annyi, hogy felsorolja a téma ismeretéhez nélkülözhetetlen fogalmakat. Amennyiben korábbiakban még nem töltötte le e mérés kivitelezéséhez nélkülözhetetlenül fontos programokat, akkor most letöltheti erről az oldalról is.

No, akkor süssük ki!

1. ábra

Animációnk segítségével kövessük nyomon a kapcsolási rajzon látható C kondenzátor feltöltődését és kisülését! Amikor az 1. ábrán látható áramkörben a K1 kapcsolót Ki állapotból Be állapotba billentjük, akkor az áramkörben az áram intenzitása és a feszültség nem változik ugrásszerűen. A t=0 s időpillanatban a kondenzátor töltése q=0, feszültsége U=0, és csak egy bizonyos t idő elteltével éri el a végső feszültséget. Ezt a végleges állapotot egy átmeneti állapot (tranziens jelenség) előzi meg, amely elvileg végtelen hosszú is lehet, de gyakorlatilag nagyon rövid idő elteltével az átmeneti állapot áramintenzitása és feszültsége már 1%-nál jobban megközelíti a végleges állapotot. Természetesen az átmeneti állapot időtartama a kapcsolási elemek paramétereitől függ. Időállandónak (t ) nevezzük azt az időt, amely idő alatt a feltöltött kondenzátor töltése e-ad részére csökken.

t =R* C.

Részletesebb elemzés céljából először tekintsük át, hogy mily módon változik a feszültség és az áramerősség a vizsgált áramkörben a K kapcsoló bekapcsolását követően. E célból írjuk fel Kirchhoff huroktörvényét az áramkörre. E törvény szerint minden időpillanatban a feszültségek előjeles összege nulla. (ahol q a kondenzátoron lévő pillanatnyi töltés U0 pedig a telep feszültsége). Az egyenlet a töltésre nézve a megoldáshoz vezet. A kondenzátor tehát exponenciálisan töltődik fel. A C-vel való osztást követően megkapjuk a a kondenzátoron mérhető feszültség idő függvényét.
A kondenzátor feszültségét az idő függvényében a függvény írja le. A kondenzátor feszültsége tehát U0-hoz tart. A folyamat hasonló módon elemezhető a K kapcsoló másik állásában is, amikor a kondenzátor töltésmentesítése, azaz kisütése zajlik.

A hagyományos kísérlet

A hagyományos kísérleteinkben az animációhoz hasonlóan egy telepről egy váltókapcsoló segítségével egy ellenálláson keresztül feltöltünk, majd kisütünk egy kondenzátort . A kondenzátor kapcsain mérhető feszültség időbeli alakulást pedig egy nagy belső ellenállású feszültségmérővel követhetjük nyomon. Amennyiben az áramerősség változásra vagyunk kíváncsiak, akkor egy érzékeny árammérő műszert kapcsolhatunk sorba a kondenzátorral.

Számítógéppel támogatott kísérlet

2. ábra

Amennyiben a 2. ábrán látható módon az elvi rajzon szereplő kapcsolót nem kézzel kapcsolgatjuk, hanem a kapcsoló és a telep helyére egy négyszögfeszültség generátort kapcsolunk, akkor a rendszer úgy viselkedik, mintha a kapcsolóval a kondenzátort periodikusan feltöltenénk, majd kisütnénk. Ebben az esetben a jelenség oszcilloszkóppal is jól tanulmányozható. Négyszögfeszültség generátorként használhatjuk a hanggenerátor programunkat, a jelalakok vizsgálatához pedig a virtuális oszcilloszkópunkat.

Javaslat a kísérlet kivitelezésére

Készítsük el az RC áramkört a kapcsolási rajzunknak megfelelően, hagyományainkat követve légszereléssel (3. ábra). Az egyik mérőzsinórral csatlakozzunk a hangkártya hangszóró kimenetéhez (4.ábra). Erről a kimenetről vehetjük le a generátor programban beállított frekvenciájú négyszögjelet. Egy másik mérőzsinórral csatlakozzunk a hangkártya Line In bemenetéhez és az áramkör azon pontjához, amelyen vizsgálni szeretnénk a jelalakot. 3. ábra

Először indítsuk el a hanggenerátor programot! A frekvenciát 200 Hz-re állítsuk be kezdeti értéknek, majd válaszunk négyszögjel jelalakot. Indítsuk el az oszcilloszkóp programot, majd állítsunk be 22 050 mintavételi frekvenciát, válasszunk kétcsatornás üzemmódot.

4. ábra

Amennyiben mindent jól készítettünk el, akkor az 5. ábrán láthatóhoz hasonló jelalakok jelennek meg a virtuális oszcilloszkóp képernyőjén 5. ábra 5. ábra

Az alul lévő ábra gyakorlatilag megegyezik a fölötte láthatóval, csak élve a két csatorna adta lehetőséggel, a második csatornán bemutathatjuk a feltöltést vezérlő négyszögjelet is.

További lehetőségek

Amennyiben felcseréljük az áramkörben az ellenállást és a kondenzátort, akkor az integráló típusú áramkör helyett differenciáló típusú áramkörhöz jutunk. Ennek működését is megvizsgálhatjuk ugyanebben az összeállításban (6. ábra). 6. ábra

Ha a kapcsolásban az ellenállást egy áramgenerátorra cseréljük ki, akkor tanulmányozhatjuk a fűrészfog-generátor modelljét. Az RC tag kimenetén megjelenő hang hallhatóvá is tehető, ha a jelet egy erősítőn keresztül egy hangszóróra kapcsoljuk. Az így kialakított eszköz segítségével elkalandozhatunk a hangszínszabályozók, vagy az elektronikus hangszerek irányába.

Csoportot ajánlunk

Kapcsolódó oldalak

Scientix A természettudományos oktatás közössége
All you need is code Minden a kódolás tanulásáról
A National Geographic A National Geographic honlapja.
Interpress Magazin Az IPM honlapja archívummal
Világtudomány.hu A magyar és nemzetközi tudományos élet hírei
Űr világ Asztronautikai hírportál