电容器充放电实验：动手探究 RC 电路时域特性
实验所需材料
- 6V 电池
- 两个电解电容，≥1000µF（如 Radio Shack #272-1019、#272-1032 或同等）
- 两个 1kΩ 电阻
- 一个单刀单掷（SPST）拨动开关（家用灯具开关即可）
大容值电容对于获得足够长的时间常数至关重要，以便用电压表和秒表准确测量。
此类大容值电容多为电解电容，具有极性敏感性。负极通常标有指向负极的线条；正极可能标有 "+" 号。反向连接必然导致失效，即便在 6V 下也可能爆炸，喷射腐蚀性化学物质并散发恶臭。请务必小心。
安全提示：若不确定极性标记，请查阅数据手册或咨询专业指导员。
相关资源
- 《电路课程》第一卷，第十三章："Capacitors"（电容器）
- 《电路课程》第一卷，第十六章："RC and L/R Time Constants"（RC 与 L/R 时间常数）
学习目标
完成本实验后，您应能：
- 描述 RC 电路中电容器的充电行为
- 描述放电行为
- 计算时间常数 τ = RC
- 解释串并联连接如何改变总电容
充放电电路原理图
实验搭建图
实验过程
测量充电过程电压
搭建充电电路并合上开关。用电压表记录电容器两端电压随时间的变化。观察到的是渐进的指数上升，而非突变。
要将电容器复位至零伏，可用一根导线短接其两端。
RC 电路的时间常数 τ 等于电阻与电容的乘积。对于 1kΩ 电阻和 1000µF 电容，τ = 1秒。这是电容电压达到电池电压约 63.2% 所需时间。
在坐标纸上绘制电压-时间曲线，可见特征性的反指数曲线。1 秒时间常数分辨率有限，我们可人为减缓电路。
改变时间常数
通过调整以下参数增大 τ：
- 总电阻（如串联更多电阻）
- 总电容（如电容串联或并联）
尝试两个电阻和两个电容的各种串并联组合，找出产生最慢充电曲线的配置。
注意：连接电容时，确保负极朝向电池负极。
放电电路行为类似，但电压从电池电平开始，开关断开后缓慢衰减。重复不同电阻电容组合的实验，始终注意极性。
计算机仿真
带节点编号的 SPICE 原理图：
网表（复制到名为 rc.cir 的纯文本文件）：
Capacitor charging circuit v1 1 0 dc 6 r1 1 2 1k c1 2 0 1000u .ic 0 .tran 0.1 5 .uic .plot tran v(2,0) .end
练习册
- Time Constant Calculations Worksheet（时间常数计算练习册）
- Capacitors Worksheet（电容器练习册）
工业技术