电容充电

无论在何种情况下,两个具有不同电位的导体间都会产生电容。在两个具有不同电位的导体之间,总是存在一个电场。电场中存储的能量由驱动电路供给。因为驱动电路是一个功率有限的激励源,所以在任何两个导体之间的电压将在有限的时间内建立一个稳定状态值。随着能量的注入,电压会很快地建立或衰减,其中对电压的阻力称为电容。例如两个平等金属板的结构,在低电压下包含了大量电荷,所以电容就很大。


图1.5显示了由30欧激励源驱动一个电容时理想的电流和电压波形,电容阶跃响应的上升变化显示为一个时间的函数。当电压阶跃刚开始时,大量的能量流入电容,从而建立起它的电场。进入电容的初始电流相当高,而电压阶跃刚开始时,大量的能量流入电容,从而建立起它的电场。进入电容的初始电流相当高,而电压与电流的比值Y(T)II(T)非常低。在很短的时间范围内,电容看起来就像一个短路连接

### 使用Arduino给电容充电的方法 为了实现使用Arduino给电容充电的功能,主要依靠的是Arduino对电容器充放电特性的利用。当向电容器施加电压时,它会逐渐积累电荷直到达到电源电压水平,在此过程中电流随时呈指数衰减。 #### 所需材料 - Arduino开发板(如Uno, Nano) - 电阻若干(用于控制充电速率) - 待测电容器 - 面包板及跳线 #### 连接方式说明 构建简单的RC电路来进行实验。将一个已知阻值的电阻R与待测试的未知容量C串联起来接到Arduino的一个数字I/O口上作为开关信号源;另一端通过GND接地形成回路[^3]。 ```plaintext +5V ----|>|----(Resistor)---o--->> (Capacitor) --- GND | | [Digital Pin] [Analog Input Pin] ``` 在此基础上编写程序让Arduino周期性地改变指定管脚的状态从而完成对电容反复充放电操作,并记录每次完全充满所需要花费的时t。由于τ=RC关系成立,则可以通过计算得出被测元件的大致数值大小。 #### 示例代码展示 下面是一段Python风格伪代码表示如何读取并处理数据: ```cpp const int chargePin = 8; // 定义用来切换高低电平以控制充电过程的引脚编号 const int measurePin = A0; // 设定模拟输入通道号以便监测电容两端电压变化情况 void setup() { pinMode(chargePin, OUTPUT); Serial.begin(9600); // 初始化串行通信波特率设置为9600bps } float calculateTimeConstant(float voltageThreshold){ unsigned long startTime; digitalWrite(chargePin,HIGH); // 开始给电容充电 while(analogRead(measurePin)<voltageThreshold*1023/5){} ;//等待直至检测到目标阈值电压 float timeElapsed=(millis()-startTime)*1e-3;// 计算经过了多少秒级单位时内到达该点 return timeElapsed; } ``` 上述函数`calculateTimeConstant()`接收参数代表期望触发中断停止计时那一刻对应的相对满量程比例值,默认情况下选择约等于自然底数倒数即约为0.632处最为合适。
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