王國(guó)菊,呂太國(guó),牟 娟

(聊城大學(xué) 物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,山東 聊城 252059)

摘要：在測(cè)量RLC電路暫態(tài)過(guò)程時(shí)間常量時(shí)，通常測(cè)量電容電壓的欠阻尼震蕩峰值間接測(cè)量時(shí)間常量. 欠阻尼震蕩峰值往往簡(jiǎn)單地近似為sin (ωdt+φ)=±1時(shí)的電容電壓值. 討論了這一近似峰位與準(zhǔn)確峰位的區(qū)別與聯(lián)系，結(jié)果表明由近似峰位得出的時(shí)間常量不存在近似性，與由準(zhǔn)確峰位得出的時(shí)間常量是一致的.

關(guān)鍵詞：RLC暫態(tài)；時(shí)間常量；欠阻尼震蕩

中圖分類號(hào)：TM935文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1005-4642(2014)08-0028-03

1 引 言

“RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程的研究”是電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)的必做實(shí)驗(yàn)，其中欠阻尼情況下暫態(tài)過(guò)程時(shí)間常量的測(cè)量是實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容，正確測(cè)量時(shí)間常量是了解RLC電路特性的前提. 文獻(xiàn)指出sin(ωdt+φ)=±1時(shí)欠阻尼震蕩為峰值[1-7]，這只是一種簡(jiǎn)單近似. 按照這種近似條件求得的時(shí)間常量是否也是近似結(jié)果呢？下面以電容器上的放電過(guò)程為例討論時(shí)間常量的測(cè)量.

2 測(cè)量方法及分析

在RLC串聯(lián)電路中，設(shè)電源電壓為0～E的方波電壓，則電路的放電過(guò)程回路方程為

(1)

圖1 電容放電曲線

若認(rèn)為震蕩峰值出現(xiàn)在sin (ωdt+φ)=±1時(shí)，可用以下2種方法通過(guò)測(cè)量震蕩峰值求時(shí)間常量τ.

方法1：由線性回歸方程的斜率求時(shí)間常量.

由(1)式，UC為正最大值時(shí)，

(2)

兩邊取對(duì)數(shù)得：

(3)

測(cè)出幾組(UCm，t)，作lnUCm-t的直線，利用圖解法求斜率可得到時(shí)間常量τ.

方法2：測(cè)量任意兩振幅比值求時(shí)間常量.

根據(jù)(1)式，測(cè)量任意振幅UCm1及相隔nT時(shí)間衰減后的振幅UCm2，則

(4)

兩邊取對(duì)數(shù)得

(5)

再測(cè)出欠阻尼震蕩周期T，可求出時(shí)間常量τ.

也可由相鄰的兩峰谷電壓差的比值測(cè)量時(shí)間常量. 根據(jù)圖1，測(cè)出相鄰的兩峰谷電壓差Δ1和Δ2. 由放電方程 (1)式可知，

兩式相除得：

(6)

測(cè)出Δ1,Δ2和T，即可求出時(shí)間常量τ.

以上方法是把sin (ωdt+φ)=±1對(duì)應(yīng)的電壓看作衰減震蕩的峰值，這是把(1)式看作簡(jiǎn)單函數(shù)的粗略近似. 這種近似結(jié)果顯然與求解(1)式時(shí)所依賴的初始條件相矛盾，對(duì)學(xué)生理解震蕩過(guò)程造成一定的困難.

(7)

圖2 Δt/T與R的關(guān)系曲線

(8)

因此需要對(duì)以上2種時(shí)間常量的測(cè)量方法進(jìn)行修正. 用方法1測(cè)量時(shí)，(3)式變?yōu)?/p>

(9)

(9)式與(3)式相比較，直線的截距改變了，而斜率不變，因此時(shí)間常量的測(cè)量結(jié)果不變. 用方法2測(cè)量時(shí)，對(duì)比(2)式和(8)式，振幅系數(shù)發(fā)生了變化，而振幅系數(shù)的改變對(duì)振幅比沒(méi)有影響，測(cè)量的時(shí)間常量也就不會(huì)變化. 因此盡管衰減振蕩的峰值不是出現(xiàn)在sin (ωdt+φ)=±1時(shí)，但在這種近似下求得的時(shí)間常量卻是正確的.

3 結(jié) 論

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊述武,楊介信,陳國(guó)英，等. 普通物理實(shí)驗(yàn)(二、電磁學(xué)部分)[M]. 北京:高等教育出版社，2000:288-297.

[2] 朱世嘉.RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 大學(xué)物理,1988,7(6):23-24.

[3] 曹偉然. 用示波器測(cè)RLC電路暫態(tài)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)[J]. 臨沂師范學(xué)院學(xué)報(bào),2005,27(6)：138-139.

[4] 王新禮.RLC串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程和τ值的修正[J]. 北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005,6(5)：396-398.

[5] 桂維玲.RLC并聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程臨界電阻測(cè)量的新方法[J]. 山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,22(4):132-133.

[6] 丁菲，劉平安. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 開(kāi)封：河南大學(xué)出版社，2009:206-209.

[7] 陶向陽(yáng)，燕安. 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程[M]. 南昌：江西教育出版社，2007：101-106.