Конденсатор как накопитель энергии

Программы: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

Открыть полную версию ↗

Цель

Убедиться, что заряженный конденсатор запасает энергию и может питать лампочку.

Установка

Источник 6 В, выключатель (замкнут), резистор 10 Ом и конденсатор 0,47 Ф, соединённые последовательно (конденсатор такой ёмкости — это суперконденсатор: сборка из элементов с малым внутренним сопротивлением, рассчитанная на 6 В и выше); параллельно конденсатору — лампочка 6 В / 0,5 Вт и вольтметр. При открытии установки конденсатор разряжен и начинает заряжаться.

Ход работы

1. Подождите около 20 с, пока показание вольтметра не перестанет расти, и запишите его.
2. Разомкните выключатель и наблюдайте за лампочкой и вольтметром.
3. По напряжению из шага 1 вычислите запасённую энергию \(W = C \cdot U^2 / 2\).

Ожидаемый результат

После открытия лабораторной работы лампочка разгорается по мере заряда конденсатора; через 15–20 с напряжение на нём устанавливается на уровне около 5,2 В — часть напряжения падает на резисторе 10 Ом. После размыкания выключателя лампочка гаснет не сразу, а постепенно тускнеет примерно за полминуты: её питает конденсатор, и напряжение на нём падает. Запасённая энергия — около 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 Дж.

Вопросы

1. Откуда берётся энергия, когда выключатель разомкнут?
2. Как изменится время свечения, если взять конденсатор вдвое большей ёмкости?

Ответы

1. Из электрического поля заряженного конденсатора. Пока выключатель был замкнут, источник запас в нём около 6,3 Дж; после размыкания выключателя конденсатор разряжается через лампочку, и его напряжение падает по мере того, как эта энергия превращается в тепло и свет в нити накала.
2. Время свечения удвоится — примерно до минуты. При тех же 5,2 В конденсатор запасает вдвое больше энергии, около 12,7 Дж, а лампочка при каждом напряжении потребляет тот же ток, поэтому напряжение падает вдвое медленнее; заряд в шаге 1 тоже длится вдвое дольше.