이 실험 소개
저항을 통해 커패시터에 전하가 쌓이는 과정을 살펴본 다음 방전 동작으로 전환합니다. 충전과 방전 중의 커패시터 전압, 부호가 있는 전류, 저장 에너지를 비교할 수 있습니다. 재생은 t를 RC로 나눈 값을 사용하므로 짧은 시정수와 긴 시정수를 같은 시각적 속도로 살펴볼 수 있습니다. 실제 경과 시간은 항상 별도로 표시됩니다.
학습 목표
- RC를 충전 및 방전의 특성 시간으로 이해하기
- 충전과 방전 중 커패시터 전압과 전류 비교
- 정전용량과 전압을 저장된 전하 및 에너지와 연관 짓기
- 그래프에서 시정수를 읽으려면 63%와 37% 규칙을 사용하세요
사용 방법
- 1충전 모드에서 시정수 한 번만큼 진행한 뒤 커패시터 전압과 공급 전압을 비교합니다.
- 2저항을 두 배로 늘리고 실제 시정수와 초기 전류를 비교합니다.
- 3방전 모드로 전환합니다. 시정수 한 번이 지난 시점에 남은 전압을 초기값과 비교합니다.
- 4전압을 고정하고 정전용량을 두 배로 늘려 저장된 전하, 에너지, 시정수를 비교합니다.
- 5시정수가 1, 2, 3, 4, 5일 때의 커패시터 전압을 읽어 보세요. 각각 전원 전압의 몇 분의 몇에 도달하나요?
모델
가정
- 회로에는 이상적인 저항기와 커패시터가 포함되어 있습니다. 배선 저항, 커패시터 누설, 내부 저항 및 인덕턴스는 무시합니다.
- 충전 실행은 커패시터 전압이 0인 상태에서 시작하고, 방전 실행은 선택한 초기 전압에서 시작하며 전원은 우회됩니다.
- 움직이는 점은 전선 내 관습적 전류를 개략적으로 나타냅니다. 전자가 유전체를 통과하는 것은 아닙니다.
- 재생은 초당 0.5개의 시정수만큼 진행됩니다. 물리적 시간은 u × RC이며 화면상의 시간과 다를 수 있습니다.
수업에서 해 보기
- Q1충전 시정수 하나가 지난 뒤 전원 전압의 몇 분의 몇에 도달하나요?
- Q2판독값에서 방전 전류에 음의 부호가 붙는 이유는 무엇인가요?
- Q3전압이 일정할 때 정전용량이 두 배가 되면 전하, 에너지, RC는 각각 어떻게 변하나요?
- Q4카메라 플래시는 몇 초 동안 커패시터를 충전하고 밀리초 만에 방전합니다. 각 회로의 저항에 대해 무엇을 알 수 있나요?
- Q5엔지니어들이 시정수의 5배가 지나면 커패시터가 완전히 충전된다고 흔히 말하는 이유는 무엇인가요?
자주 묻는 질문
저항을 바꿔도 정규화된 전압 곡선이 변하지 않는 이유는 무엇인가요?
이상적인 RC 회로에서는 t/RC의 함수로 나타낸 전압이 동일한 지수 함수 형태를 갖습니다. 저항을 바꾸면 물리적 시간과 전류는 달라지지만 정규화된 그래프는 변하지 않습니다.
전류가 커패시터의 유전체를 통과하나요?
이상적인 유전체에는 전도 전류가 흐르지 않습니다. 외부 전선의 전류가 극판의 전하를 변화시킵니다. 극판 사이의 간격에는 입자 표시자가 생략되어 있습니다.
커패시터가 완전히 충전되는 일이 있나요?
이상적인 모델에서는 전압이 전원 전압에 점점 더 가까워지지만, 전원 전압에 도달하지는 않습니다. 시정수의 5배가 지나면 전원 전압과의 차이가 1% 이내가 됩니다. 그래서 실용적인 기준으로 5RC를 사용합니다.