Kondenzátory jsou široce používány v různých elektrických obvodech a zařízeních a znalost jejich elektrické kapacity je důležitým parametrem pro optimální fungování systému. Existuje několik metod měření kapacity, z nichž jednou je metoda balistického galvanometru.
Balistický galvanometr je zařízení pro měření elektrického proudu. Funguje na základě tepelného efektu, když proud prochází vodičem. Balistický galvanometr používá pružinu a magnet k vytvoření odchylky šipky při průchodu proudového impulsu. Měření odchylky umožňuje určit velikost proudu a v našem případě elektrickou kapacitu kondenzátoru.
K určení kapacity kondenzátoru pomocí balistického galvanometru je třeba provést několik kroků. Nejprve připojte kondenzátor k napájecímu zdroji a nabijte jej. Poté pomocí přepínače připojte plně nabitý kondenzátor k balistickému galvanometru. Zapište odchylku šipky na stupnici galvanometru.
Dále vybijte kondenzátor pomocí rezistoru a znovu Zaznamenejte odchylku šipky na galvanometru. Tento postup několikrát opakujte a změňte velikost kapacity kondenzátoru.
Pomocí výsledků měření a vzorců je tedy možné určit elektrickou kapacitu kondenzátoru pomocí balistického galvanometru. Tato metoda je poměrně přesná a umožňuje získat spolehlivé výsledky.
Příprava na experiment
Před provedením experimentu na určení elektrické kapacity kondenzátoru pomocí balistického galvanometru je třeba provést několik kroků přípravy. Tyto kroky zahrnují následující:
- Připravte si všechny potřebné nástroje a spotřebiče. Kromě samotného balistického galvanometru budete potřebovat stejnosměrný zdroj, střídavý zdroj, střídavé napětí pro nabíjení kondenzátoru a také bypassový odpor.
- Ujistěte se, že balistický galvanometr funguje správně. Zkontrolujte, zda se galvanometrová šipka volně pohybuje a po vychýlení se vrací do nulové polohy.
- Připravte si kondenzátor, který bude použit v experimentu. Ujistěte se, že je kondenzátor zcela vybitý a připraven k nabíjení.
- Nastavte požadované hodnoty napětí ve zdroji střídavého proudu a zdroji stejnosměrného proudu.
- Nastavte balistický galvanometr na požadovanou hodnotu. To lze provést pomocí regulace odporu galvanometru.
- Nastavte bypassový odpor podle rozsahu měření, který chcete získat.
- Zkontrolujte všechna připojení a dráty. Zajistěte, aby byly bezpečně zajištěny a nedošlo k žádnému prasknutí.
- Proveďte kalibraci balistického galvanometru, abyste se ujistili, že měření je správné.
Po dokončení přípravy a kalibrace se připravte na experiment pro určení elektrické kapacity kondenzátoru pomocí balistického galvanometru.
Měření maximální odchylky
K určení elektrické kapacity kondenzátoru pomocí balistického galvanometru je nutné změřit maximální odchylku galvanometru. Maximální odchylka je dosažena při nabití kondenzátoru rovnajícího se jeho elektrické kapacitě.
Chcete-li začít, připojte balistický galvanometr ke kondenzátoru a ampérmetru. Ujistěte se, že jsou všechny spínací klíče nastaveny do požadované polohy pro měření.
Nabijte kondenzátor na napětí U připojením napájecího zdroje stejnosměrného proudu. Po nabití kondenzátoru použijte klíčové přepínání k vypnutí napájení zdroje.
Aplikujte na kondenzátor bitové napětí uzavřením krátkodobých spínacích klíčů. To způsobí náhlou změnu proudu, která způsobí maximální odchylku galvanometrové šipky.
Pomocí galvanometrové stupnice odhadněte úhel odchylky a zapište jeho hodnotu. Maximální odchylka je spojena s elektrickou kapacitou kondenzátoru podle vzorce: C = (D * K) / (u * n), kde D je maximální odchylka, K je balistická konstanta galvanometru, u - nabíjecí napětí, n - počet odchylek.
Změřte několik maximálních odchylek při různých hodnotách nabíjecího napětí. Výsledné hodnoty použijte k výpočtu průměrné elektrické kapacity kondenzátoru.
Definice galvanometrové konstanty
Před určením elektrické kapacity kondenzátoru pomocí balistického galvanometru je nutné určit jeho konstantu. Galvanometrová konstanta umožňuje spojit odchylku šipky s nábojem procházejícím galvanometrem.
Pro stanovení galvanometrové konstanty se používá oscilační metoda. Postup stanovení galvanometrové konstanty se skládá z následujících kroků:
- Připojte galvanometr k napájecímu zdroji stejnosměrného proudu.
- Umístěte magnetický galvanometrový systém do vodorovné polohy a nechte systém v klidu.
- Připojte k galvanometru měřicí kondenzátor se známou kapacitou.
- Nabijte měřicí kondenzátor na napětí U0 a bez výměny napětí na něm jej odpojte od zdroje nabíjení.
- Připojte nabitý kondenzátor ke galvanometru a změřte odchylku šipky.
- Uvolněte nabitý kondenzátor z galvanometru a znovu jej připojte ke zdroji nabíjení.
- Vybijte kondenzátor galvanometrem na napětí U1 a znovu změřte odchylku šipky.
- Opakujte postup pro více hodnot U0 a U1 a zaznamenávejte výsledky měření.
Podle získaných dat proveďte grafické zpracování vyloučením hodnot, které daly příliš malé nebo příliš velké odchylky šipky.
Pro stanovení závislosti odchylky ampérmetru od náboje se v galvanometru používá následující vzorec:
kde Q je náboj, který prošel galvanometrem, K je galvanometrová konstanta, θ je úhel vychýlení šipky.
Pomocí získané závislosti lze s vysokou přesností určit konstantu galvanometru.
Připojení kondenzátoru k galvanometru
K určení elektrické kapacity kondenzátoru pomocí balistického galvanometru je nutné správně připojit kondenzátor ke galvanometru. Zde je návod krok za krokem:
Krok 1: Ujistěte se, že je galvanometr vypnutý a jeho rukojeť je v nulové poloze.
Krok 2: Připojte jeden konec kondenzátoru k jednomu z vodičů galvanometru.
Krok 3: Připojte druhý konec kondenzátoru k jinému pólu galvanometru.
Krok 4: Nastavte maximální hodnotu citlivosti galvanometru pomocí příslušného regulačního prvku. To pomůže dosáhnout maximální přesnosti měření.
Krok 5: Ujistěte se, že připojení kondenzátoru ke galvanometru je spolehlivé a nepoškozené.
Poznámka: Při připojení kondenzátoru ke galvanometru je třeba věnovat pozornost polaritě kondenzátoru. Správné připojení polarity pomůže vyhnout se chybám v měření.