恒流電源在電容定義教學中的應用

2020-12-18 15:05:46楊杰

魅力中國 2020年33期

楊杰

（南寧市第二中學，廣西南寧 530029）

電容器是社會生活中極為常見的電子元件，在生活中發揮著重要用。傳統的課堂教學很難讓學生對電容器的物理模型與工作機制有很深刻的認識。本文介紹了一種可以進行定量分析的演示教具，方便學生更好地接受電容定義的描述。

一、儀器電路圖

實驗裝置如圖1示，虛線框內是由9V方電池、電位器R1、三極管、發光二極管、定值電阻R2 構成的恒流電源電路，電容器是待測的，微電流傳感器用于監測充電電流，電壓傳感器用于測量電容器的電壓，開關用于控制電容器充電。

圖1 儀器電路圖

（一）恒流電源電路分析

如圖，發光二極管D 導通時兩端電壓恒定，設導通電壓為VD，則

VB＝VCC-VD=VA-VD

三極管T 的BE 兩端電壓也恒定，設為VBE，則

VE＝VB+VBE ＝VCC－VD+VBE

流過R1 的電流為

又∵IR1=IE=IC+IB，IB

∴ IC≈IE=IR1

調節R1 可得到不同的恒定電流，R2 起限流作用，防止發光二極管燒毀。

（二）實驗原理

實驗原理是根據Q=It，只要測出充電電流的大小和充電的時間，即可得出電容器所帶的電量Q，再通過電壓表測量電容器充電后的電壓U，通過觀察Q 與U 的比值說明電容器所帶電量與電容器兩極間的電勢差成正比。本教具可以演示的實驗內容包括電容器所帶的電荷量與電容器兩極間的電勢差成正比，其比值是一個常量。

二、教具制作方法

材料準備：木板一塊，微電流傳感器，電壓傳感器，9V 電池一個，100kΩ 電位器一個，220Ω 電阻一個，綠光LED 一只，三極管一只（s9012）,電容器兩只，船形開關一只，香蕉插頭兩對，木盒一個。用軟件在電腦上畫好電路圖，然后用激光雕刻機將電路圖刻到木板上，做成教具的面板。將元件安裝到面板上的相應位置，注意發光二極管的正負。用導線將各元件按照電路圖的連接關系連接起來，各個連接點也用用熱熔膠固定，以防松脫。裝上電池，接入待測電容器，測試充電電流是否可以調節，電容器電壓是否可以測量。測量完成后，將面板放入木盒中，完成安裝。

三、使用方法

流程：1.調節充電電流：將待測電容器接入電路板，閉合開關，調節電位器R1，使充電電流達到100μA。2.電容器放電：開關保持斷開狀態，將待測電容器兩極短路使其充分放電，然后再接入電路中。3.測量數據：接入電壓傳感器，設置電壓傳感器采樣時間為10 秒，即閉合開關后每10 秒鐘記錄一次電壓值。4.將測量的數據記錄到表格中。5.更換另一個電容器重復上述步驟，分析數據，總結結論。