专利名称：电容器充电和放电的演示装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电容器实验装置，具体是一种电容器充电和放电的演示装置。
背景技术：
电容器是各种电工、电子设备中应用十分广泛的元件，电容器及其电容的概念是高中物理教科书《电场》这一章中的重要内容。在我国现行的新编高中物理教科书中，将电容器在电路中的应用作为一重点，加入了研究电容器充电和放电过程的电路原理图，详见全日制普通高级中学教科书(必修)物理第二册。该电路原理图由电源、电流表、电容器、开关构成，它是通过观察电流表指针的偏转情况，从而了解电容器充电和放电电流的变化规律。这是一种常用的方案，其优点是直观地反映了电容器的充放电过程。其不足之处在于，若在大的场面进行演示，即使采用专用的演示电流表，其视觉效果仍然不是十分理想，特别是靠近后排的学生难于看清楚所发生的实验现象。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种显示直观、适合在大的场面进行演示，同时又能真实反映电容器充电和放电过程的演示装置。
本实用新型电容器充电和放电的演示装置包括面板1，其特征在于所述面板1上设置有电源E1、电容器C1、电源开关S1、充\放电切换开关S2和回路选择开关S3，所述回路选择开关S3一输出端串接灯泡L1到电容器C1正极，回路选择开关S3另一输出端依次串接电阻R1、R2到电容器C1正极，回路选择开关S3输入端串接电流表A到充\放电切换开关S2输入端，所述充\放电切换开关S2一输出端接电源E1负极，充\放电切换开关S2另一输出端接电源开关S1到电源E1正极，所述电容器C1负极接电源E1负极，电容器C1正极连接电容器电量指示电路。
本演示装置设置两条充放电回路，既可通过灯泡的亮度变化形象直观地展现电容器充、放电过程中电流的变化，也可以通过电流表指针的偏转准确地反映充、放电过程中电流的变化，另外还设置电容器电量指示电路，可以通过指示电路中发光二极管的点亮情况来反映电容器电量的变化。本装置视觉效果好，特别适合在大的场面进行演示。
图1为本实用新型典型实施例的结构示意图；图2为其电路图。
具体实施方式
以下结合附图做进一步说明。
本电容器充电和放电的演示装置用一块470mm×400mm×3mm的绝缘胶木板作面板1，如图1所示，所述面板1上设置有6V直流电源E1、电容器C1、电源开关S1、充\放电切换开关S2、回路选择开关S3、电流表A和灯泡L1。其中，直流电源E1采用4节1号干电池串联组成，电流表A的量程为±0.5A，电阻R1采用15Ω的大功率电阻，R2采用5Ω的大功率电阻，电容C1采用0.1F/63V的电解电容，灯泡L1采用6.3V/0.3A的小灯泡。
为了做实验时可以直观地看到各元器件之间的连接关系，本演示装置在所述面板1上的电源E1、电容器C1、电源开关S1、充\放电切换开关S2、回路选择开关S3、灯泡L1、电阻R1、R2和电流表A附近分别涂复有相应的元器件符号涂层，元器件符号涂层之间设置相应的连接线涂层，所述元器件符号涂层和连接线涂层组成了各元器件之间的连接示意图。
如图1所示，本装置在电源E1、电阻R1、灯泡L1和电容器C1的两端均连接有测试端子，方便实验时连接电压表或示波器，以获得实验数据。其中所述测试端子位于相应的连接线涂层上。例如所述电源E1正、负极分别连接测试端子J1、J2，测试端子J1、J2位于连接线涂层JX1、JX2上。
图2为本演示装置的电路图。如图中所示，回路选择开关S3一输出端串接灯泡L1到电容器C1正极，回路选择开关S3另一输出端依次串接电阻R1、R2到电容器C1正极，回路选择开关S3输入端串接电流表A到充\放电切换开关S2输入端，所述充\放电切换开关S2一输出端接电源E1的负极，充\放电切换开关S2另一输出端接电源开关S1到电源E1的正极，所述电容器C1负极接电源E1的负极，电容器C1正极连接电容器电量指示电路。
所述电容器电量指示电路含比较器a～f，比较器a～f的同相输入端均与电容器C1正极连接，比较器a～f的反相输入端接偏置电路的相应输出端，比较器a的输出端接限流电阻R11一端，限流电阻R11另一端并接红色发光二极管HD1和绿色发光二极管LD1到地，……，比较器f的输出端接限流电阻R16一端，限流电阻R16另一端并接红色发光二极管HD6和绿色发光二极管LD6到地。上述偏置电路由依次串联的电阻R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10构成，其中，每相邻两个电阻的公共端均为一输出端，而且电阻R5、R6、R7、R8、R9的阻值均相同。
图2中的红色发光二极管HD1～HD6用于模拟电容器C1正极板上的电荷量，绿色发光二极管LD1～LD6用于模拟电容器C1负极板上的电荷量。参照图1，本实施例将6个红色发光二极管HD1～HD6并排安装在面板1上电容器符号涂层FH的上侧，用以表示正电荷，将6个绿色发光二极管LD1～LD6并排安装在面板1上电容器符号涂层FH的下侧，用以表示负电荷。
如图2所示，所述电量指示电路的工作电压由6V直流电源E1和1.5V直流电源E2提供，在电量指示电路的供电回路中串联一双刀开关S6，用来控制指示电路的工作电压，当闭合双刀开关S6时，电源E1向R4～R10组成的偏置电路提供6V工作电压，电源E1、E2向由集成电路LM324构成的电压比较器电路提供7.5V的工作电压。所述偏置电路的作用是给6个比较器a～f的反相输入端提供不同的基准电压，当电容器C1上的电压高于某个比较器的基准电压时，该比较器的输出端变为高电势(5.8V)，此时由于发光二极管阳极为高电势，而阴极为低电势，故使发光二极管导通发光。当电容器C1上的电压低于某个比较器的基准电压时，该比较器的输出端变为低电势(0V)，此时由于发光二极管的阳极与阴极都为低电势故发光二极管不发光。
在本实用新型中，电流表A、灯泡L1和电容器C1组成了一条充放电回路，实验中可以通过灯泡L1的亮度变化更直观地展示电容器C1充、放电电流的变化。为了使实验现象明显，必须使充电时间与放电时间尽量长一些，由于灯泡L1的额定电阻比较小，所以本实施例在所述电容器C1两端并接开关S5和电容器C2组成的串联支路，以增大电容值，获得较大的充、放电时间。
由于灯泡灯丝的阻值与工作温度有关，为了在定量分析的实验中获得准确的时间常数，本装置设置了第二条充放电回路，该充放电回路由电流表A、电阻R1、R2组成。另外本实施例还在电阻R2两端并接一开关S4，以获得不同的充放电时间。
下面说明利用本演示装置进行电容器充电和放电实验的方法1、用电流表A观察电容器的充、放电电流向上闭合回路选择开关S3，向左闭合充\放电切换开关S2，再闭合电源开关S1，直流电源E1通过电流表A、电阻R1、R2向电容器充电，从电流表A指针的偏转情况可观察到充电电流由大变小，最后为零。当S2向右闭合时，电容器通过电阻R1、R2、电流表A放电，从电流表A指针的偏转方向可看出放电电流变为相反方向，且由大变小，最后为零。
2、用灯泡L1亮度的变化观察电容器充、放电电流大小的变化向下闭合回路选择开关S3，向左闭合充电/放电切换开关S2，再闭合电源开关S1，电源E1通过电流表A、灯泡L1向电容器充电，此时可观察到灯泡L1的亮度由强变弱，最后熄灭。当S2向右闭合时，电容器通过灯泡L1、电流表A放电，灯泡L1的亮度相应由强变弱，最后熄灭。
3、用发光二极管模拟电容器两极板上电荷量的变化闭合显示电路的电源开关S6，当充电时，随着电容器电压的升高，6组发光二极管相继发光，表示电荷量增加。而当放电时，随着电容器电压的降低，6组发光二极管相继熄灭，表示电荷量减少。
4、观察充电和放电时电容器两端电压的变化情况电容器的两端设有测试端子，当接入直流电压表时，可通过电压表观察其电压的变化情况。若在此处接入慢扫描示波器，则可观察电容器两端电压变化的波形。
5、观察充电电流和放电电流的波形在电阻R1或灯泡L1两端的测试端子上接入慢扫描示波器，则可观察电阻R1或灯泡L1上的电压波形，即通过电阻R1或灯泡L1的电流的波形，该波形也就是电容器的充电电流或放电电流的波形。
6、观察电阻、电容的大小对充放电过程时间长短的影响电容器充电或放电的快慢与电容和电阻的乘积RC有关，本实验中的电阻R可取15Ω或20Ω(R1与R2串联)，电容C可取0.1F或0.2F(C1与C2并联)，实验中可通过改变开关S4、S5的状态观察到四种快慢不同的充电或放电过程。
本实用新型设计有两条充放电回路，其中一条充放电回路通过电流表A的指针偏转情况来展现电容器的充放电过程中电流的变化，另一条充放电回路通过灯泡L1的亮度来展现电容器的充放电过程中电流的变化，两条充放电回路都可以通过指示电路中的发光二极管来模拟电容器两个极板上电荷量的变化。本装置可以形象、直观地展现电容器的充放电过程，加深学生对电容器充放电过程的认识，激发学生的学习兴趣，激发学生对物理规律的探究精神。
权利要求1.电容器充电和放电的演示装置，包括面板(1)，其特征在于所述面板(1)上设置有电源(E1)、电容器(C1)、电源开关(S1)、充\放电切换开关(S2)和回路选择开关(S3)，所述回路选择开关(S3)一输出端串接灯泡(L1)到电容器(C1)正极，回路选择开关(S3)另一输出端依次串接电阻(R1、R2)到电容器(C1)正极，回路选择开关(S3)输入端串接电流表(A)到充\放电切换开关(S2)输入端，所述充\放电切换开关(S2)一输出端接电源(E1)负极，充\放电切换开关(S2)另一输出端接电源开关(S1)到电源(E1)正极，所述电容器(C1)负极接电源(E1)负极，电容器(C1)正极连接电容器电量指示电路。
2.根据权利要求1所述的电容器的充电和放电演示实验装置，其特征在于所述面板(1)上的电源(E1)、电容器(C1)、电源开关(S1)、充\放电切换开关(S2)、回路选择开关(S3)、灯泡(L1)、电阻(R1、R2)和电流表(A)附近分别涂复有相应的元器件符号涂层，元器件符号涂层之间设置相应的连接线涂层。
3.根据权利要求2所述的电容器充电和放电的演示装置，其特征在于所述电源(E1)、电阻(R1)、灯泡(L1)和电容器(C1)的两端均连接有测试端子，所述测试端子位于相应的连接线涂层上。
4.根据权利要求1所述的电容器充电和放电的演示装置，其特征在于所述电容器电量指示电路含比较器(a～f)，比较器(a～f)的同相输入端均与电容器(C1)正极连接，比较器(a～f)的反相输入端对应接偏置电路的输出端，比较器(a～f)的输出端各自并接一个红色发光二极管和一个绿色发光二极管到地。
5.根据权利要求4所述的电容器充电和放电的演示装置，其特征在于所述偏置电路包括依次连接的电阻(R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10)，每相邻两个电阻的公共端均为一输出端。
6.根据权利要求4所述的电容器充电和放电的演示装置，其特征在于所述红色发光二极管并排安装于面板(1)上电容器符号涂层(FH)上侧，所述绿色发光二极管并排安装于面板(1)上电容器符号涂层(FH)下侧。
7.根据权利要求1所述的电容器充电和放电的演示装置，其特征在于所述电容器(C1)两端并接开关(S5)和电容器(C2)组成的串联支路。
8.根据权利要求1所述的电容器充电和放电的演示装置，其特征在于所述电阻(R2)两端并接一开关(S4)。
专利摘要一种电容器充电和放电的演示装置，包括面板，面板上设置电源、电容器、电源开关、充\放电切换开关和回路选择开关，所述回路选择开关一输出端串接灯泡到电容器正极，回路选择开关另一输出端串接两个电阻到电容器正极，回路选择开关输入端串接电流表到充\放电切换开关输入端，所述充\放电切换开关一输出端接电源负极，充\放电切换开关另一输出端接电源开关到电源正极，所述电容器负极接电源负极，电容器正极连接电容器电量指示电路。本演示装置可通过灯泡的亮度变化以及电流表指针的偏转展现电容器充、放电过程中电流的变化，另外还设置电容器电量指示电路，其视觉效果好，特别适合在大的场面进行演示。
文档编号G09B23/00GK2681260SQ20042004350
公开日2005年2月23日 申请日期2004年3月9日 优先权日2004年3月9日
发明者黎新科, 唐济华, 郑晓沛, 蔡裕峰 申请人:深圳大学师范学院附属中学