この実験について
抵抗を通してコンデンサーに電荷が蓄積する様子を確認し、その後、放電の動作に切り替えます。充放電中のコンデンサー電圧、符号付き電流、蓄積エネルギーを比較できます。再生では t を RC で割った値を使用するため、短い時定数と長い時定数を同じ視覚的な速度で観察できます。実際の経過時間は常に別途表示されます。
学習目標
- RCを充電と放電の特性時間として捉える
- 充電中と放電中のコンデンサー電圧と電流を比較する
- 静電容量と電圧を、蓄えられる電荷とエネルギーに関連付ける
- グラフから時定数を読み取るには、63％と37％の法則を使いましょう
使い方
- 1充電モードで時定数1つ分進め、コンデンサーの電圧と電源電圧を比較します。
- 2抵抗を2倍にして、実際の時定数と初期電流を比較します。
- 3放電モードに切り替えます。時定数1つ分の時点で、残りの電圧と初期値を比較します。
- 4電圧を一定に保ち、静電容量を2倍にして、蓄えられる電荷、エネルギー、時定数を比較します。
- 5時定数が1、2、3、4、5のときのコンデンサーの電圧を読み取りましょう。それぞれ電源電圧の何割に達していますか？
モデル
前提条件
- この回路は理想的な抵抗器とコンデンサーで構成されています。配線抵抗、コンデンサーの漏れ電流、内部抵抗、インダクタンスは無視します。
- 充電の実行はコンデンサー電圧がゼロの状態から始まり、放電の実行は選択した初期電圧から始まり、電源はバイパスされます。
- 動く点は、配線内の慣用電流を模式的に示しています。電子が誘電体を通り抜けているわけではありません。
- 再生は1秒あたり0.5時定数分進みます。物理的な時間は u × RC で、画面上の時間とは異なる場合があります。
授業で試してみましょう
- Q1充電時定数1つ分が経過すると、電源電圧の何割に達しますか？
- Q2読み取り値で放電電流に負の符号が付くのはなぜですか？
- Q3電圧が一定のまま静電容量が2倍になると、電荷、エネルギー、RCはそれぞれどう変化しますか？
- Q4カメラのフラッシュは数秒かけてコンデンサーを充電し、ミリ秒で放電します。それぞれの回路の抵抗について、何がわかりますか？
- Q5エンジニアが、時定数の5倍が経過するとコンデンサーは完全に充電されたとよく言うのはなぜですか？
よくある質問
抵抗を変えても、正規化された電圧曲線が変わらないのはなぜですか？
理想的なRC回路では、t/RCの関数として表した電圧は同じ指数関数の形になります。抵抗を変えると実際の時間と電流は変わりますが、正規化されたグラフは変わりません。
電流はコンデンサーの誘電体を流れますか？
理想的な誘電体を導電電流が通過することはありません。外部の導線を流れる電流によって、極板上の電荷が変化します。極板間の隙間では、粒子マーカーは表示されていません。
コンデンサーは完全に充電されることがありますか？
理想的なモデルでは、電圧は電源電圧に限りなく近づきますが、そこには達しません。時定数の5倍が経過すると電源電圧との差は1％以内になるため、実用上の目安として5RCが使われます。