Carregamento e descarga do capacitor

Carregamento e descarga de capacitores e peças e materiais experimentais

Para fazer esta experiência, você precisará do seguinte:

• bateria de 6 volts
• Dois grandes capacitores eletrolíticos, 1000 µF mínimo (catálogo Radio Shack # 272-1019, 272-1032 ou equivalente)
• Dois resistores de 1 kΩ
• Um botão de alternância, SPST (“Single-Pole, Single-Throw”)

Capacitores de grande valor são necessários para este experimento para produzir constantes de tempo lentas o suficiente para serem rastreadas com um voltímetro e cronômetro.

Esteja avisado que a maioria dos capacitores grandes são do tipo "eletrolítico" e são sensíveis à polaridade ! Um terminal de cada capacitor deve ser marcado com um sinal de polaridade definitiva.

Normalmente, os capacitores do tamanho especificado têm uma marcação negativa (-) ou uma série de marcações negativas apontando para o terminal negativo.

Capacitores muito grandes costumam ser identificados com a polaridade por uma marcação positiva (+) próxima a um terminal.

A falha em observar a polaridade adequada quase certamente resultará em falha do capacitor, mesmo com uma tensão de fonte tão baixa quanto 6 volts.

Quando os capacitores eletrolíticos falham, eles normalmente explodem , expelindo produtos químicos cáusticos e emitindo odores desagradáveis. Por favor, tente evitar isso!

Eu recomendo um interruptor de luz doméstico para o “interruptor de alternância SPST” especificado na lista de peças.

REFERÊNCIAS CRUZADAS

• Aulas de circuitos elétricos , Volume 1, capítulo 13:“Capacitores”
• Aulas de circuitos elétricos , Volume 1, capítulo 16:"Constantes de tempo RC e L / R"

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

Neste experimento, teremos como objetivo aprender sobre os seguintes conceitos:

• Ação de carregamento do capacitor
• Ação de descarga do capacitor
• Cálculo da constante de tempo
• Capacitância em série e paralela

Diagrama esquemático do circuito de carga e descarga

Ilustração da Experiência

Instruções de experimento

Medindo a tensão de seu circuito

Construa o circuito de “carga” e meça a tensão no capacitor quando a chave estiver fechada.

Observe como ele aumenta lentamente com o tempo, em vez de repentinamente, como seria o caso de um resistor.

Você pode “redefinir” o capacitor de volta para a tensão zero fazendo um curto em seus terminais com um pedaço de fio.

A “constante de tempo” (τ) de um circuito resistor-capacitor é calculada tomando a resistência do circuito e multiplicando-a pela capacitância do circuito.

Para um resistor de 1 kΩ e um capacitor de 1000 µF, a constante de tempo deve ser de 1 segundo. Este é o tempo que leva para a tensão do capacitor aumentar aproximadamente 63,2% de seu valor atual até seu valor final:a tensão da bateria.

É educacional plotar a tensão de um capacitor de carga ao longo do tempo em uma folha de papel milimetrado, para ver como a curva exponencial inversa se desenvolve.

Para traçar a ação desse circuito, no entanto, devemos encontrar uma maneira de desacelerá-lo. Uma constante de tempo de um segundo não fornece muito tempo para fazer leituras do voltímetro!

Alteração da constante de tempo de um circuito

Podemos aumentar a constante de tempo deste circuito de duas maneiras diferentes:

• Alterar a resistência total do circuito e / ou
• Alterar a capacitância total do circuito.

Dado um par de resistores idênticos e um par de capacitores idênticos, experimente várias séries e combinações paralelas para obter a ação de carregamento mais lenta.

Você já deve saber agora como vários resistores precisam ser conectados para formar uma resistência total maior, mas e os capacitores?

Este circuito irá demonstrar a você como a capacitância muda com conexões de capacitores em série e paralelas.

Apenas certifique-se de inserir o (s) capacitor (es) na direção correta:com as extremidades marcadas como negativo (-) eletricamente "mais próximo" do terminal negativo da bateria!

O circuito de descarga fornece o mesmo tipo de mudança de voltagem do capacitor, exceto que desta vez a voltagem salta para a voltagem total da bateria quando a chave fecha e cai lentamente quando a chave é aberta.

Experimente mais uma vez com diferentes combinações de resistores e capacitores, certificando-se, como sempre, de que a polaridade do capacitor está correta.

Simulação de computador

Esquema com números de nó SPICE:





Netlist (faça um arquivo de texto contendo o seguinte texto, literalmente):

 Circuito de carga do capacitor v1 1 0 dc 6 r1 1 2 1k c1 2 0 1000u ic =0 .tran 0,1 5 uic .plot tran v (2,0) .end 

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de cálculos da constante de tempo
• Planilha de capacitores