Дифференциальное уравнение для заряда конденсатора

Изучение процесса заряда и разряда конденсатора

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ЗАРЯДА И РАЗРЯДА КОНДЕНСАТОРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение процессов заряда и разряда конденсаторов в RC-цепях, ознакомление с работой приборов, используемых в импульсной электронной технике.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Рассмотрим схему, пред-ставленную на рис. 1. Схема включает в себя источник постоянного тока, активное сопротивление и конденсатор, процессы заряда и разряда в котором и будем рассматривать. Эти процессы разберем по-отдельности.

Пусть вначале источник тока e подключен к конденсатору С через сопротивление R. Тогда конденсатор зарядится так, как показано на рис. 1. Переведем ключ К из положения 1 в положение 2. В результате конденсатор, заряженный до напряжения e, начнет разряжаться через сопротивление R. Считая ток положительным, когда он направлен от положительно заряженной обкладки конденсатора к отрицательно заряженной, можем записать

, , , (1)

где i – мгновенное значение силы тока в цепи, знак «минус» которого показывает, что появление тока в цепи i связано с уменьшением заряда q на конденсаторе;

q и С – мгновенные значения заряда и напряжения на конденсаторе.

Очевидно, что первые два выражения представляют собой определения силы тока и электроемкости, соответственно, а последнее – закон Ома для участка цепи.

Из двух последних соотношений выразим силу тока i следующим образом:

.

Тогда можно записать уравнение

. (2)

Это дифференциальное уравнение, решением которого является экспоненциальная функция вида

, (3)

где q0 – заряд конденсатора в начальный момент времени t=0;

– время релаксации RC-цепи, измеряемое в секундах.

Если с начала разряда конденсатора пройдет время t=t , то, согласно (3), заряд уменьшится в е раз (е=2,71 – основание натурального логарифма). Поэтому по порядку величины t равна времени полного разряда конденсатора.

Поделив обе части уравнения (3) на величину емкости С, получим

e, (4)

где e= – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени t=0.

Зависимость напряжения на конденсаторе от времени в рассмотренном процессе показана на рис. 2.

Зная данную зависимость, можно вычислить время q, за которое напряжение на конденсаторе уменьшится в 2 раза. Подставив значение U=e/2 в уравнение (4), получим

e=e, (5)

откуда можно получить значение

. (6)

Переведем ключ К на схеме (рис. 1) из положения 2 в положение 1. В результате начнется заряд конденсатора от батареи, имеющей ЭДС e, через сопротивление R.

Уравнения, описывающие заряд конденсатора, аналогичны выражениям (1)

, e–U, q=CU. (7)

Предполагаем, что внутреннее сопротивление источника тока пренебрежимо мало по сравнению с величиной R. Теперь ток в цепи считается положительным, когда он течет в направлении положительно заряженной обкладки конденсатора. Исключая в уравнениях (7) силу тока i и напряжение на конденсаторе U, получим уравнение:

. (8)

Запишем уравнение (8) в следующем виде:

. (9)

Решая это уравнение, получим

. (10)

Коэффициент А най-дем из начальных условий, а именно, q=0 при t=0 :

Рис. 3

В результате получаем зависимость q(t):

. (11)

Поделив обе части уравнения (11) на С, получим зависимость напряжения на конденсаторе U от времени

. (12)

Зависимость U(t) показана на рис. 3. Подставив в (12) значение напряжения, равного , получим

, (13)

где q – время, за которое напряжение на конденсаторе вырастает до половины своего максимального значения ( рис. 4). Отсюда время

Следовательно, дли-тельность заряда до по-ловины максимального значения напряжения на конденсаторе будет та-кой же, как и при разряде конденсатора (см. (6)).

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Блок-схема установки представлена на рис.5.

Схема состоит из генератора прямоугольных импульсов ГИ типа Г5-54, магазина сопро-тивлений МС величиной от 0 до 10 кОм, элек-тронного осциллографа ЭО типа С1-83, и ис-следуемой емкости С.

Генератор позволяет получать прямоугольные импульсы разной длительности и амплитуды с разной частотой повторения, позволяет сдвигать время начала импульса относительно синхронизирующего импульса.

Прямоугольный импульс через магазин сопротивлений подается на исследуемый конденсатор и вход «Y» осциллографа. Осциллограф позволяет визуально следить за процессом заряда и разряда конденсатора. В работе используется емкость С»0,01 мкФ, R изменяется от 0 до 10 кОм. Для наблюдения процессов в RC–цепи удобной при этих значениях R и С является частота повторения 1–2 кГц. Длительность прямоугольного импульса должна быть достаточной для того, чтобы конден-сатор успевал зарядиться до напряжения, равного ам-плитуде импульса.

Из рис. 6 видно, что длительность прямоуголь-ного импульса Т меньше постоянной заряда RC–цепи t. Следовательно, конден-сатор не успевает зарядить-ся. Чтобы зарядить конден-сатор до напряжения, рав-ного амплитуде импульса, необходимо выполнить условие Т>>t.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с блок-схемой установки, представленной на рис. 5.

2. Ознакомиться с работой генератора импульсов Г5-54, электронного осциллографа С1-83.

3. Подготовить генератор импульсов к работе, для чего выполнить следующие операции:

а) нажать кнопку «запуск»;

б) установить частоту повторения 2,0´103;

в) установить временный сдвиг 2,0´10;

г) установить длительность 2,0´10 mS;

д) нажать кнопку «Õ»;

е) нажать кнопку ´0,3;

ж) переключатель синхроимпульсов установить в положение «L»;

з) ручку «амплитуды повернуть на 1/3 вправо.

4. Подготовить осциллограф к работе, для чего:

а) ручку «развертка» поставить в позицию 10 mS;

б) нажать кнопку «0,5» внешней синхронизации;

в) нажать кнопку «+»;

г) вытянуть ручку «ждущая»;

д) род работы I канала установить в позицию «

е) переключатель «V/дел» поставить в положение «0,5»;

ж) нажать кнопку «I» слева от экрана.

5. Включить стенд и приборы.

6. Установить на экране осциллографа устойчивую картину, вращая ручки «развертка плавно».

7. Установить на магазине сопротивлений 1 кОм.

Упражнение 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВОЙ ЗАРЯДА КОНДЕН-САТОРА

1. Установить величину усиления канала Y осциллографа таким, чтобы высота импульса на экране была максимально возможной. Ввести некоторую задержку импульса, чтобы не пропало его начало. Установить частоту развертки осциллографа такой, чтобы на экране уместилась полная кривая заряда конденсатора.

2. Измерить зависимость у(х), при этом измеряя х в мкс, а у – в вольтах. Результаты занести в таблицу

3. Построить кривую заряда конденсатора.

Упражнение 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИВОЙ РАЗРЯДА КОНДЕН-САТОРА

1. Аналогично предыдущему упражнению провести измерения для разряда конденсатора. Результаты занести в подобную таблицу.

2. По кривой разряда конденсатора определить время q. Вычислить постоянную времени t, используя формулу (6).

3. Учитывая, что погрешность определения q зависит в основном от приборной, оценить и рассчитать относительную погрешность

.

4. Аналогичные измерения провести для значений R=2 кОм и 0,5 кОм.

4. На основании полученных значений t для 3-х разных R вычислить величину емкости С. Определить относительную погрешность

,

где Dt и DR – абсолютные погрешности измерения.

5. Определить абсолютную погрешность величины емкости при данных измерениях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое электрическая цепь, какие элементы входят в состав замкнутой электрической цепи?

2. Что такое электроемкость проводника? От каких параметров зависит величина электроемкости плоского конденсатора?

3. Оъясните понятие «RC-цепочка»?

4. Переходные процессы, в каких цепях они возможны?

5. Что означают «мгновенные значения» электрического тока и напряжения, как их вычислить?

6. Как определить максимальные значения напряжения на конденсаторе и тока в цепи?

7. Что такое постоянный электрический ток? Чем он отличается от переменного?

8. Каким образом определяется направление тока в цепи?

9. Вывести уравнение (1).

10. Что такое время релаксации?

11. Какова зависимость напряжения на конденсаторе от времени при его разрядке?

12. Вывести закон изменения напряжения на конденсаторе при зарядке конденсатора.

13. Объясните физический смысл уравнения (6).

14. Сравните время заряда и разряда конденсатора.

15. Каким условиям должна удовлетворять длительность импульса генератора?

16. Объяснить работу установки по принципиальной электрической схеме.

17. Нарисовать блок-схему установки и рассказать порядок выполнения работы.

18. Почему в данной установке нет источника постоянного тока, показанного на принципиальной схеме?

19. Можно ли в данной установке применить генератор синусоидального напряжения, пилообразного напряжения?

20. Какой частоты и длительности импульсы должен вырабатывать генератор?

21. Для чего нужно в данной схеме активное сопротивление R? Какой должна быть ее величина?

22. Какого типа конденсаторы и резисторы могут применяться в данной установке?

23. Какие значения могут иметь емкость и сопротивление в данной схеме?

24. Для чего нужна синхронизация сигнала осциллографа?

25. Каким образом добиваются оптимального вида сигнала на экране осциллографа? Какие регулировки при этом применяются?

26. Чем отличаются цепи заряда и разряда конденсатора?

27. Какие измерения нужно провести, чтобы определить емкость конденсатора в RC-цепи?

28. Как оценить погрешности измерений при работе установки?

29. Как повысить точность определения времени релаксации RC-цепи?

30. Назовите пути повышения точности определения емкости конденсатора.

Переходные процессы в цепях постоянного тока с конденсатором

ПЕРЕХОДНЫМ ПРОЦЕССОМ называется процесс перехода от одного установившегося в цепи режима к другому. Примером такого процесса является зарядка и разрядка конденсатора. В ряде случаях законы постоянного тока можно применять и к изменяющимся токам, когда изменение тока происходит не слишком быстро. В этих случаях мгновенное значение силы тока будет практически одно и то же во всех поперечных сечениях цепи. Такие токи называют квазистационарными

РАЗРЯДКА КОНДЕНСАТОРА. Если обкладки заряженного конденсатора ёмкости С замкнуть через сопротивление R, то через это сопротивление потечёт ток. Согласно закону Ома для однородного участка цепи

где I и U – мгновенные значения силы тока в цепи и напряжения на обкладках конденсатора. Учитывая, что и , преобразуем закон Ома к виду

(1)

В этом дифференциальном уравнении переменные разделяются, и после интегрирования получим закон изменения заряда конденсатора со временем

, (2)

где q₀ — начальный заряд конденсатора, е — основание натурального логарифма. Произведение RC, имеющее размерность времени, называется время релаксации t . Продифференцировав выражение (2) по времени, найдём закон изменения тока:

, (3)

где I₀ — сила тока в цепи в момент времени t = 0. Из уравнения (3) видно, что t есть время, за которое сила тока в цепи уменьшается в е раз.

Зависимость от времени количества теплоты, выделившегося на сопротивлении R при разряде конденсатора можно найти из закона Джоуля-Ленца:

(4)

ЗАРЯДКА КОНДЕСАТОРА.

Считаем, что первоначально конденсатор не заряжен. В момент времени t = 0 ключ замкнули, и в цепи пошёл ток, заряжающий конденсатор. Увеличивающиеся заряды на обкладках конденсатора будут всё в большей степени препятствовать прохождению тока, постепенно уменьшая его. Запишем закон Ома для этой замкнутой цепи:

.

После разделения переменных уравнение примет вид:

Проинтегрировав это уравнение с учётом начального условия

q = 0 при t = 0 и с учётом того, что при изменении времени от 0 до t заряд изменяется от 0 до q, получим

, или после потенцирования

q = . (4)

Анализ этого выражения показывает, что заряд приближается к своему максимальному значению, равному С, асимптотически при t ® ?.

. (5)

Из закона сохранения энергии следует, что при зарядке конденсатора для любого момента времени работа источника тока dА_ист рана сумме количества джоулевой теплоты dQ, выделившейся на резисторе R и изменению энергии конденсатора dW:

где dA_ист =Idt, dQ =I 2 Rdt, dW =d. Тогда для произвольного момента времени t имеем:

А_ист(t)===С. (6)

Q(t)==С. (7)

W(t) ==. (8)

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

В реальных электрических цепях постоянного тока, содержащих конденсаторы, переходные процессы разрядки и зарядки конденсаторов проходят за время порядка 10 –6 – 10 -3 с. Для того,чтобы сделать доступными для наблюдения и измерения электрические параметры при переходных процессах в настоящей компьютерной модели это время значительно увеличено за счёт увеличения ёмкости конденсатора.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1

Определение ёмкости конденсатора методом разрядки

1.Соберите на рабочей части экрана замкнутую электрическую цепь, показанную ниже на рис.2. Для этого сначала щёлкните мышью на кнопке э.д.с.,расположенной в правой части окна эксперимента. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки, и щёлкните маркером мыши в виде вытянутого указательного пальца в том месте, где должен быть расположен источник тока. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора э.д.с., нажмите на левую кнопку мыши, удерживая её в нажатом состоянии, меняйте величину э.д.с. и установите 10 В. Аналогичным образом включите в цепь 4 других источника тока. Суммарная величина э.д.с. батареи должна соответствовать значению, указанному в таблице 1 для вашего варианта.

Таким же образом разместите далее на рабочей части экрана 7 ламп Л1-Л7 ( кнопка ), Ключ К (кнопка ), вольтметр (кнопка ), амперметр (кнопка ), конденсатор (кнопка ). Все элементы электрической цепи соедините по схеме рис.1 с помощью монтажных проводов (кнопка ).

2. Щёлкните мышью на кнопке «Старт». Должна засветиться лампа Л7, а надпись на кнопке измениться на «Стоп». Курсором мыши замкните ключ К.

3. После установления в цепи стационарного тока ( должны погаснуть лампы Л5 и Л6 и светиться лампы Л1-Л4) запишите показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.

4. Нажмите на кнопку «Стоп» и курсором мыши разомкните ключ К.

5. Двумя короткими щелчками мыши на кнопке «Старт» запустите и остановите процесс разрядки конденсатора. Показания амперметра будут соответствовать начальному току разрядки конденсатора I₀. Запишите это значение в таблицу 3.

6. Вновь замкните ключ, зарядите конденсатор и повторите п.п. 5, 6 ещё 4 раза.

7. Для каждого опыта рассчитайте I_t= I₀/2,7- силу тока, которая должна быть в цепи разрядки конденсатора через время релаксации t и запишите эти значения в таблицу 3.

8. При разомкнутом ключе нажатием кнопки «Старт» запустите процесс разрядки конденсатора и одновременно включите секундомер.

9. Внимательно наблюдайте за изменением показаний амперметра в процессе разрядки конденсатора. Остановите секундомер и синхронно нажмите кнопку «Стоп» при показании амперметра, равном или близким к I_t. Запишите это значение времени t₁ в таблицу 3.

10. Проделайте опыты п.п.8, 9 ещё 4 раза.

Таблица 1. Суммарное значение э.д.с. источников тока

Таблица 2. Определение сопротивления лампы.

Таблица 3. Результаты измерений и расчётов.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. По закону Ома для участка цепи Л1-Л4: и результатам измерений, приведённым в таблице 2, определите сопротивление одной лампы.

2. По формуле (при разрядке конденсатора квазистационарный ток протекает по 6 последовательно соединённым лампам) определите ёмкость конденсатора и запишите эти значения в таблицу 3.

3. Рассчитайте погрешности измерений и сформулируйте выводы по результатам проделанной работы.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2

Изучение зависимости от времени количества тепла, выделившегося на нагрузке при разряде конденсатора

1. Выполняя действия, аналогичные описанным в эксперименте 1, зарядите конденсатор до напряжения, соответствующего суммарному значению э.д.с. для вашего варианта.
2. Нажмите кнопку «Стоп» и отключите ключ К.
3. Проведите 5-ти секундный процесс частичного разряда конденсатора через подключённые лампы. Для этого нажмите синхронно кнопку «Старт» и кнопку запуска секундомера и через 5 секунд нажатием кнопки «Стоп» остановите процесс разрядки конденсатора.
4. Запишите показания амперметра в таблицу 4 и вновь зарядите конденсатор до первоначального напряжения.
5. Последовательно увеличивая длительность процесса разрядки конденсатора на 5 с, проделайте эти опыты до времени разрядки, соответствующему полному исчезновению заряда на конденсаторе. (Напряжение на конденсаторе и ток разрядки через лампы должен быть близким к нулю). Результаты измерений тока разрядки запишите в соответствующие ячейки таблицы 4.

Таблица 4. Результаты измерений и расчетов

Время разрядки t, с

Кол-во тепла Q за t с, Дж

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. Для каждого времени разрядки вычислите по формуле (4) количество тепла, выделившегося на шести лампах и запишите эти значения в соответствующие ячейки третьей строки табл.4. Полезный совет: для расчётаQвоспользуйтесь программойMSExсel.
2. Постройте график зависимости количества выделившегося тепла Q к данному моменту времени от длительности процесса разрядки конденсатора t.
3. Сравните рассчитанное количество тепла, выделившееся к моменту полного разряда конденсатора с его теоретическим значением, равным .
4. Сделайте выводы по графику и ответу и проведите расчёт погрешностей измерений.

ЭКСПЕРИМЕНТ 3

Проверка закона сохранения энергии в процессе зарядки конденсатора через сопротивление

Рис.3

1. Соберите в рабочей части экрана опыта схему, показанную на рис.3. Вольтметр, включённый параллельно 5-ти лампам, будет показывать напряжение на внешнем сопротивлении, а амперметр – силу тока через нагрузку и источники тока. Напряжение на конденсаторе определяется программой автоматически и указывается в вольтах на экране монитора над конденсатором.
2. Установите суммарную э.д.с. источников тока, соответствующую значению, приведённому в табл.1 для вашего варианта.
3. При разомкнутом ключе К нажмите кнопку «Старт».
4. Нажатием кнопки мыши замкните ключ К и начните процесс зарядки конденсаторов. Одновременно с замыканием ключа включите секундомер.
5. Через время релаксации t=RС нажатием кнопки «Стоп» остановите процесс и запишите показания электроизмерительных приборов в таблицу 5.
6. Нажмите кнопку «Выбор» и обнулите показания напряжений на всех конденсаторах и на электроизмерительных приборах.
7. Повторите эти измерения ещё 4 раза и заполните две верхних строки таблицы 5.

Таблица 5. Результаты измерений и расчетов

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

1. По формулам 6, 7, 8 и измеренным значениям напряжения на конденсаторе U_c рассчитайте величины работу источника тока А_ист, изменение энергии конденсатора DW и выделившегося на нагрузке количества тепла Q через время заряда, равного времени релаксации.
2. Проверьте выполнение закона сохранения энергии в процессе зарядки конденсатора по формуле: А_ист =DW+Q.
3. Сделайте выводы по итогам работы.

Вопросы и задания для самоконтроля

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что представляет собой конденсатор и от чего зависит его ёмкость?
2. Выведите формулы ёмкости плоского, цилиндрического и сферического конденсаторов.
3. Как изменяется разность потенциалов на обкладках конденсатора при его зарядке и разрядке?
4. Какой ток называется квазистационарным?
5. Выведите формулы электроёмкости батареи последовательно и параллельно соединённых конденсаторов
6. Что такое время релаксации?
7. Объясните принцип работы экспериментальной установки.
8. Нарисуйте графики зависимости силы тока и напряжения от времени при зарядке и разрядке конденсатора.
9. Соберите на мониторе такую цепь, состоящую из источника тока, двух ламп, выключателя и соединительных проводов, чтобы с выключением лампы в одной цепи загоралась лампа в другой.
10. Определите заряд, который пройдёт через гальванометр в схеме, показанной на рис. 2, при замыкании ключа.
11. Конденсатор ёмкости С = 300 пФ подключается через сопротивление R =500 Ом к источнику постоянного напряжения U₀. Определите: а) время, по истечению которого напряжение на конденсаторе составит 0,99 U₀; в) количество тепла, которое выделится на этом сопротивлении при разрядке конденсатора за это же время.
12. Имеется ключ, соединительные провода и две электрические лампочки. Составьте на мониторе электрическую схему включения в сеть этих лампочек, которая должна удовлетворять следующему условию: при замкнутом ключе горит только первая лампочка, при размыкании ключа первая гаснет, а вторая загорается.
13. Конденсатору ёмкостью С сообщают заряд q, после чего обкладки конденсатора замыкают через сопротивление R. Определите: а) закон изменения силы тока, текущего через сопротивление; б) заряд, прошедший через сопротивление за время t; в) количество тепла, выделившееся в сопротивлении за это время.
14. Определите количество тепла, выделившегося в цепи (рис. 4-6) при переключении ключа К из положения 1 в положение 2. Параметры цепи обозначены на рисунках.

Квазистационарные процессы. RC- и RL-цепи

Колебательные и волновые процессы, которые изучаются в разных разделах физики, имеют много общих закономерностей. Движения груза на пружине, процессы в электрическом колебательном контуре, распространение света – все эти явления протекают аналогичным образом. Есть смысл говорить об их различной физической природе.

Для решения задачи о колебательных движениях груза на пружине необходимо знать и разбираться в законах Ньютона. Глубокие знания в электродинамике не требуются. Но математические уравнения, которые описывают эти состояния, одинаковые. Также обстоят дела и с волновыми процессами.

Квазистационарные процессы. Заряд и разряд конденсатора

Общность колебательных процессов и волновых закономерностей проявляется в общности математических уравнений, описывающих процессы различной физической природы.

Цепи постоянного тока распределяют электрический заряд на проводниках и токи на участках цепи стационарно, то есть независимо от времени. Электромагнитное поле таких цепей состоит из электростатического поля неподвижных зарядов и магнитного поля постоянных токов. Существование этих полей производится независимо друг от друга.

Если происходят изменения силы тока или напряжения на определенном участке цепи, то другие могут ощутить их на себе не сразу. Необходимо количество времени, равное времени τ распространения магнитного возмущения от одной точки к другой. Все электромагнитные возмущения обладают конечной скоростью, с которой и происходит их распространение. Она приравнивается к значению скорости света с , тогда τ ≈ l c , где l является расстоянием между наиболее удаленными точками цепи.

При наличии меньшего значения времени τ длительности процессов, происходящих в цепи, считается, что сила тока неизменна в любой момент времени на всех последовательно соединенных участках цепи. Такие процессы получили название квазистационарных.

Их исследуют при помощи законов постоянного тока, применяя к мгновенным значениям сил токов и напряжений на участках цепи.

Так как скорость света имеет достаточно большое значение, то установление электрического равновесия цепи достаточно мало. Отсюда следует, что квазистационарными считаются большинство процессов, протекающих очень быстро. Это сравнимо с колебаниями в радиотехнических цепях с многомиллионными частотами в секунду.

Простейшими примерами квазистационарных процессов являются процессы, проходящие в R C — и R L — цепях при подключении и отключении постоянного тока. Рисунок 2 . 1 . 1 показывает электрическую цепь, которая состоит из конденсатора с емкостью С , резистора с сопротивлением R , источником тока с ЭДС, равняющейся δ .

Рисунок 2 . 1 . 1 . Цепи зарядки и разрядки конденсатора через резистор.

Зарядка конденсатора через резистор

При замыкании ключа К в положение 1 конденсатор начнет заряжаться через резистор.

Квазистционарная цепь по закону Ома запишется как R J + U = δ , J – это мгновенное значение силы тока в цепи, U – мгновенное значение напряжения на конденсаторе. J равняется изменению заряда q конденсатора за единицу времени, то есть J = d q d t . В любой момент времени напряжение U будет q C . Отсюда получаем, что: C R d U d t + U = δ .

Это уравнение называется дифференциальным и описывает процесс заряжения конденсатора. При отсутствии первоначальной его зарядки, уравнение принимает вид:

U ( t ) = δ 1 — e x p — t τ , где выражение τ = R C – постоянная времени цепи, которая состоит из резистора и конденсатора. Скорость процесса характеризуется величиной τ . При t → ∞ , U ( t ) → δ . На рисунке 2 . 1 . 2 ( I ) показан процесс зарядки конденсатора через резистор.

Рисунок 2 . 1 . 2 . Зарядка ( I ) и разрядка ( I I ) конденсатора через резистор.

После полной зарядки конденсатора к напряжению δ необходимо переключить ключ К в положение 2 . Тогда пойдет процесс разряжения. Так как внешний источник цепи отсутствует, то δ = 0 . Разрядка описывается с помощью формулы

U ( t ) = δ e x p — t τ .

При разрежении, изображенном на рисунке 2 . 1 . 2 ( I I ) , необходимо обратить внимание на зависимость U ( t ) . Если t = τ , тогда происходит уменьшение напряжения в конденсаторе в e ≈ 2 , 7 раз.

Также проходят процессы в цепи, если имеется индуктивность L с резистором, имеющим сопротивление R , как показано на рисунке 2 . 1 . 3 .

Рисунок 2 . 1 . 3 . Цепь, содержащая катушку с индуктивностью L , резистор с сопротивлением R и источник тока с ЭДС, равной δ .

Если цепь из рисунка 2 . 1 . 3 замыкается ключом и внезапно размыкается, тогда можно говорить о процессе установления тока. Данная последовательная схема включает в себя источник тока и резистор r с малым сопротивлением для того, чтобы с замкнутым ключом К батарея не закоротила. Так как r ≪ R , для записи уравнения процесса установления тока с таким r разрешено им пренебречь. Тогда R J = δ — L d J d t .

Уравнение оказывается аналогичным уравнению, описывающему заряд конденсатора с переменной силой тока J . Получаем:

J ( t ) = δ R 1 — e x p — t τ , выражение τ = L R – постоянная времени . Таким же образом получают закон убывания тока R L -цепей при замыкании ключа К .

J ( t ) = δ R e x p — t τ .

Видно, что процессы, происходящие в R C — и R L — цепях аналогичны механическим процессам во время движения в вязкой жидкости.

Рисунок 2 . 1 . 4 . Модель R C — контура.

Рисунок 2 . 1 . 5 . Модель R L — контура.