การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-1

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจุ

วัตถุประสงคการทดลอง

1. เพ่ือศึกษาสมบัติการเก็บและคายประจุของตัวเก็บประจุไฟฟา ในวงจรไฟฟากระแสตรง 2. เพ่ือหาคาคงที่ของเวลา (Time Constant) ของวงจร RC 3. เพ่ือหาคาความจุไฟฟาของตัวเก็บประจุ

ทฤษฎี ในวงจรไฟฟาและวงจรสวนใหญมักจะประกอบดวยตัวเก็บประจุดวยเสมอ ซึ่งตัวเก็บประจุนี้ทําหนาที่เก็บและคาย (Charge and Discharge) ประจุไฟฟาในวงจร ลักษณะของตัวเก็บประจุที่ใชกันแพรหลาย และเปนแบบงายสุด คือ ตัวเก็บประจุแบบแผนคูขนาน ซึ่งประกอบดวย แผนโลหะตัวนํา 2 แผน วางขนานกัน หางกันนอยมาก เมื่อเทียบกับพ้ืนที่ของแผนขนาน โดยมี ไดอิเล็กตริกอยูระหวางกลาง ดังแสดงในรูป 1

รูปท่ี 1 คาประจุไฟฟา (C ) ของตัวเก็บประจุชนิดนี้ จะขึ้นกับพ้ืนที่ของแผนโลหะตัวนํา ( A ) และความหนา ( d ) ของสารไดอิเล็กตริก

นั่นคือ C = A

dε

(1)

เมื่อ ε คือสภาพยอมของไดอิเล็กตริก

0

rε εε

= คือสภาพยอมสัมพันธของไดอิเล็กตริก

หรือ คาคงที่ของไดอิเล็กตริก (Dielectric Constant) และ 0ε คือ คาสภาพยอมของไดอิเล็กตริกที่

เปนสูญญากาศมีคาเทากับ 8.85 × 10-12 2

2

mN

C

⋅

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-2

การเก็บและการคายประจุไฟฟา การเก็บประจุ

พิจารณาจากวงจรรูป 2 ซึ่งประกอบดวยเครื่องกําเนิดแรงดันไฟฟาซึ่งมีแรงเคล่ือนไฟฟา ความตานทาน (

ER ) และตัวเก็บประจุ ( ) ตอกันอยางอนุกรม เมื่อสับสวิทซ S ไปที่หมายเลข 1 จะไดวา ณ

เวลา t ใดๆ คาประจุไฟฟาบนตัวเก็บประจุจะมีสมการเปน C

Q = 0 (1 )t

RCQ e−

− (2) เมื่อ เปนตัวจุประจุไฟฟาบนตัวเก็บปรุจุ ณ เวลา t ใดๆ Q 0Q = EC เปนคาประจุสูงสุดบนตัวเก็บประจุ และถา t = RC จะได Q = 00.63Q (3) สมการที่ 3 แสดงใหเห็นวาคา RC (คาคงที่ของเวลาของวงจร RC ) เปนเวลาที่ตัวเก็บประจุไฟฟาใชในการเก็บประจุเก็บประจุไดถึง 63% ของคาสูงสุด สําหรับกระแส ( I ) ที่ไหลในวงจร คือ

I = RCt

eRE −

(4)

สวนความตางศักยไฟฟาตัวเก็บประจุ C คือ 0V

0V = 1( )t

RCE e−

− (5)

การคายประจุ

พิจารณาจากวงจรรูป 2

R1

2

C

รูป 2

ถาสับสวิทซไปที่หมายเลข 2 หลังจากตัวเก็บประจุมีคาสูงสุด ( ) หรือเมื่อ แลว ตัวเก็บประจุก็จะคาย (Discharge) ประจุผานตัวตานทาน

0Q 0V E=R ทําใหประจุไฟฟาบนตัวเก็บประจุลดลง ดังนั้น

ประจุที่เหลืออยูบนตัวเก็บประจุ (Q ) ณ เวลา t ใดๆ คือ

Q = 0

tRCQ e−

(6)

และความตางศักยที่ตกครอมตัวเก็บประจุคือ

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-3

CV =t

RCEe−

(7)

ถา แลวจะได t RC=

CV = 0.37E (8)

จากสมการที่ (7) ใส เขาไปทั้งสองขางจะได Log

CLogV =t

RCLogEe−

= ( )tLogE LogeRC

+ −

แต ฉะนั้น 2.718 0.434Loge Log= =

CLogV = 0.434t LogE

RC− +

หรือ CLogV =0.434 t LogERC

− + (9)

เมื่อเทียบกับสมการ y = mx c+

จะไดวา เทียบไดกับ y CLogV

เทียบไดกับ m 0.434

RC−

x เทียบไดกับ t

และ เทียบไดกับ C LogE

ดังนั้นก็สามารถหาคา RC และ ได โดยการเขียนกราฟ ระหวาง กับ t ซึ่งให เปนแกนตั้งและเปนสเกลลอก สวน เปนแกนนอนในสกลมาตรฐาน เรียกกราฟชนิดนี้วา กราฟ Semi-Log

C CV CVt

อุปกรณการทดลอง 1. ตัวเก็บประจุขนาดประมาณ 30-100 μF ชนิด Electrolyte 1 ตัว 2. แหลงกําเนิดไฟฟาชนิดปรับคาได 1 เครื่อง 3. มัลติมิเตอร 1 เครื่อง 4. นาฬิกาจับเวลา 1 เรือน 5. สายไฟ

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-4

วิธีการทดลอง การทดลอง

1. จัดอุปกรณการทดลองดังรูป 3

รูป 3

2. อานคา C ขางตัวถัง และคา R ที่หนาปดของมัลติมิเตอร ในชวงของการวัด 10 โวลต แลว

คํานวณ RC ในหนวยวินาที 3. ปดสวิทซ S เพ่ือทําการเก็บประจุใหกับตัวเก็บประจุ (C ) จนเต็มไดเต็มที่สังเกตจาก =

10 โวลต CV

4. ตั้งชวงวัดบนมัลติมิเตอร เปน 10 โวลต (DC) แลวเปดสวิทซ S ใหประจุคายออกจากตัวเก็บประจุ ผานความตานทาน ของมัลติมิเตอรจับเวลา ( ) ในขณะที่ความตางศักยไฟฟาที่ตกครอมตัวเก็บประจุ ( ) ลดลงชวงละ 1 โวลต บันทึกผลในตารางที่ 1

t

CV5. ทดลองในขอ 4 ซ้ําจนครบ 3 ครั้ง แลวหาคาเฉล่ีย 6. เขียนกราฟความสัมพันธระหวาง และ t โดยอาศัยสมการที่ (9) ให เปนแกนตั้งบน

สเกล และ t เปนแกนนอนบนสเกลมาตรฐาน จากขอมูลในตารางที่ 1 บนกระดาษ CV CV

Log7. จากรูปกราฟที่ไดตามขอ 6 หาสมการคณิตศาสตรระหวาง และ t หาคาคงที่เวลาของวงจร CV

RC และหาคาความจุไฟฟาของตัวเก็บประจุ ( ) C8. เปรียบเทียบคา C ที่ไดจากการทดลองกับคาที่อานไดจากคาบนตัวเก็บประจุ (บริษัทผูผลิต)

และคา t RC= จากการทดลองและคํานวณ

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-5

ใบบันทึกผลการทดลอง การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจุ

ชื่อผูทดลอง 1. ……………………………………. รหัส ………………………..กลุม ………………… ชื่อผูรวมทดลอง 2. …………………..………...……... รหัส ………………………..กลุม ………………… 3. …………………………...………. รหัส ………………………..กลุม ………………… 4. …………………..………………... รหัส ………………………..กลุม …………….…. ทําการทดลองวันที่ ........................................................ เวลา....................................

ผลการทดลอง

คา = ……………………………………μF C ตารางท่ี 1 มัลติมิเตอร ชวงวัด 10 โวลต (DC) มีความตานทาน ( R ) = …………………โอหม ซึ่งคํานวณคา t RC= ได = …………………….วินาที

t (วินาที) (Volt) CV

ครั้งที่ 1 ครั้งที่ 2 ครั้งที่ 3 t เฉล่ีย

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

ลงชื่อ.....................................................................อาจารย

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-6

วิเคราะหผลการทดลอง

กราฟความสัมพันธระหวาง และ t จากตารางที่ 1 0V Slope = …………………………………………… คาคงที่เวลาของวงจร ( RC ) = …………………………………………… คาความจุไฟฟาของตัวเก็บประจุ ( ) = …………………………………………… C

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-7

ตัวอยางการคํานวณ ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

สรุปผลการทดลอง ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................

อภิปรายผลการทดลอง

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................................

ขอเสนอแนะ ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ................................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-8

http://www.electron.rmutphysics.com/c

ปริศนาหีบแหงพันธสัญญา

ฟสิกสราชมงคลขอนําทานผูอานไปพบกับหีบแหงพันธสัญญา หรือ The Ark of Covenant เปนหีบที่สรางข้ึนตามพระบัญชาของพระเจา เพื่อเปนที่บรรจุแผนหินจารึกบัญญัติ 10 ประการของพระองค ที่ประทานแกโมเสสในระหวางที่เขาพาพวกฮีบรูเรรอนอยูกลางทะเลทราย

อานบทความในอินเตอรเน็ตและตอบคําถามตอไปนี ้

1. ผูคิดคนขวดแกวไลเดนคือ ___________________

2. ขวดแกวไลเดน ความจุ 500 กรัม สามารถเก็บประจุไฟฟาได ___________โวลต

3. ตัวเก็บประจุเกี่ยวของอันใดกับการเปาลูกโปง

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-9

แฟลซทํางานอยางไร

กลองถายรูป ตองใชแสงมากในการสรางภาพบนแผนฟลม การถายภาพในที่รม หรือภายในหอง ที่มีแสงนอย จึงตองเปดหนากลองเพ่ือใหแสงผานเขาเปนเวลานานขึ้น การเพิ่มเวลาการเปดหนากลองมีขอเสียอยูเหมือนกัน ทําใหภาพที่ไดไมชัดเจนและเบลอ คลิกครับ

อธิบายหลักการทํางานของแฟลซ และไปเกี่ยวของกับตัวเก็บประจุไดอยางไร

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-10

ในหองทดลองเสมือนจริง

คําถาม (วาดรูปและใสคาความจุไฟฟา)

1. ตอตัวเก็บประจุ 5 ตัวแบบผสม โดยใหมีความจุไฟฟารวมเทากับ 18.508 nF

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

2. ตอตัวเก็บประจุแบบใดก็ได โดยใหมีความจุไฟฟารวมเทากับ 15.757 nF

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

3. ในหองทดลองนี้เราสามารถสรางความจุไฟฟาไดสูงสุดและต่ําสุดเทาไร

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-11

ในหองทดลองเสมือนจริง ใหกากบาทขอที่ถูกตองที่สุดเพียงขอเดียว

• เมื่อกดสวิทซใหกระแสไฟฟาไหลเขาไปในตัวเก็บประจุ รูปกราฟจะมีลักษณะเปนอยางไร

1. โคงขึ้น

2. โคงลง

• เมื่อเปดสวิทซใหกระแสไฟฟาไหลออกจากตัวเก็บประจุ รูปกราฟจะมีลักษณะเปนอยางไร

1. โคงขึ้น

2. โคงลง

• เวลาคงที่ในการทดลองมีคากี่วินาที

1. 8

2. 9

3. 10

• ใหทานทดลองหยุดการไหลของกระแสไฟฟาที่เวลาคงที่ (t =RC) ทั้งตอนกําลังเก็บประจุและคาย

ประจุสังเกตเห็นอะไรจงอธิบาย

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

จากวีดีโอการเรียนการสอน

• ใหทานอธิบายการถายเทประจุอยางรวดเร็วของตัวเก็บประจุในวีดีโอ

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________

การทดลองที่ 5 การคายประจุไฟฟาของตัวเก็บประจ ุ 5-12

คําถามทายการทดลอง 1. จงอธิบายขอความตอไปนี ้

1.1 สารไดอิเลคตริค ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

1.2 คาคงที่เวลา (Time Constant) ของวงจร RC ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2. จงแสดงใหเห็นวาคา RC (คาคงที่ของเวลาของวงจร RC ) เปนเวลาที่ตัวเก็บประจุไฟฟาใชในการเก็บประจุไดถึง 63% ของคาสูงสุด ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 3. จงแสดงใหเห็นวา RC (คาคงที่ของเวลาของวงจร RC ) เปนเวลาที่กระแสในวงจร ลดลงเหลือ 37% ของคาสูงสุด หลังจากเกิดการคายประจุ ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

หนังสืออิเล็กทรอนิกส

ฟสิกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสิกส 1 (ความรอน)

ฟสิกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวิทยาฟสิกส เอกสารคําสอนฟสิกส 1ฟสิกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสิกสดวยภาษา c ฟสิกสพิศวง สอนฟสิกสผานทางอินเตอรเน็ต

ทดสอบออนไลน วีดีโอการเรียนการสอน หนาแรกในอดีต แผนใสการเรียนการสอน

เอกสารการสอน PDF กิจกรรมการทดลองทางวิทยาศาสตร

แบบฝกหัดออนไลน สุดยอดสิ่งประดิษฐ

การทดลองเสมือน

บทความพิเศษ ตารางธาตุ)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานุกรมฟสิกส ลับสมองกับปญหาฟสิกส

ธรรมชาติมหัศจรรย สูตรพื้นฐานฟสิกส

การทดลองมหัศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหัดกลาง

แบบฝกหัดโลหะวิทยา แบบทดสอบ

ความรูรอบตัวท่ัวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐี( คดีปริศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คําศัพทประจําสัปดาห ความรูรอบตัว

การประดิษฐแของโลก ผูไดรับโนเบลสาขาฟสิกส

นักวิทยาศาสตรเทศ นักวิทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพิศวง การทํางานของอุปกรณทางฟสิกส

การทํางานของอุปกรณตางๆ

การเรียนการสอนฟสิกส 1 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. การวัด 2. เวกเตอร3. การเคลื่อนท่ีแบบหนึ่งมิต ิ 4. การเคลื่อนท่ีบนระนาบ5. กฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน 6. การประยุกตกฎการเคลื่อนท่ีของนิวตัน7. งานและพลังงาน 8. การดลและโมเมนตัม9. การหมุน 10. สมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง11. การเคลื่อนท่ีแบบคาบ 12. ความยืดหยุน13. กลศาสตรของไหล 14. ปริมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอท่ีหน่ึงและสองของเทอรโมไดนามิก 16. คุณสมบัติเชิงโมเลกุลของสสาร

17. คลื่น 18.การสั่น และคลื่นเสียง การเรียนการสอนฟสิกส 2 ผานทางอินเตอรเน็ต

1. ไฟฟาสถิต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตัวเก็บประจุและการตอตัวตานทาน 5. ศักยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหล็ก 8.การเหนี่ยวนํา9. ไฟฟากระแสสลับ 10. ทรานซิสเตอร 11. สนามแมเหล็กไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเห็น13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตัม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นิวเคลียร

การเรียนการสอนฟสิกสท่ัวไป ผานทางอินเตอรเน็ต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตัม 4. ซิมเปลฮารโมนิก คลื่น และเสียง

5. ของไหลกับความรอน 6.ไฟฟาสถิตกับกระแสไฟฟา 7. แมเหล็กไฟฟา 8. คลื่นแมเหล็กไฟฟากับแสง9. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ อะตอม และนิวเคลียร

ฟสิกสราชมงคล