8
 Department of Physics & Astronomy Undergraduate Labs 1 1/2/2012 RC Circuits When a capacitor is connected to a voltage source, charge will accumulate on the plates of  the capacitor until the voltage across the capacitor is equal to the voltage across the source. The charge  on the capacitor plates is proportional to the voltage   across the capacitor’s terminals. The constant of  proportionality is the capacitance  .   Capacitance is a function of  the geometry of  the capacitor and the material properties of  the dielectric that is sandwiched between the plates. For a capacitor with plate area  , separation   containing a dielectric between the plates of  dielectric constant  , the capacitance is     Real capacitors (figure on the right) oftentimes look like plastic cans as opposed to parallel plates. However, the plastic is simply insulation and the inside consists of  long strips of  conducting foil wound around a dielectric. This configuration enables a large surface area   of  conductor to be stored in a small amount of  space. Capacitors are useful for many reasons, but most of  all because they can be used to store electrical energy in the form of  a static charge  on the plates. Capacitors can be charged by connecting them to a voltage source and discharged at a later time. However, capacitors cannot be charged or discharged instantaneously. The amount of  time to charge/discharge depends on the resistance of  the circuit. Below is a diagram of  a capacitor being charged by a voltage source. During charging, current will flow through the resistor as negative charge accumulates on the bottom plate, which repels an equal amount of  charge off  the top plate. Charge will accumulate until the voltage across the capacitor is  .  /

RC Circuits 0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 1/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

RC Circuits 

When a capacitor is connected to a voltage source, charge will 

accumulate  on  the  plates  of   the  capacitor  until  the  voltage 

across the capacitor  is equal to  the voltage across  the source. 

The 

charge   

on 

the 

capacitor 

plates 

is 

proportional 

to 

the 

voltage    across  the  capacitor’s  terminals.  The  constant  of  

proportionality is the capacitance . 

 

Capacitance  is  a  function  of   the  geometry  of   the  capacitor  and  the 

material  properties  of   the  dielectric  that  is  sandwiched  between  the 

plates.  For  a  capacitor  with  plate  area  ,  separation    containing  a 

dielectric between the plates of  dielectric constant , the capacitance is 

   

Real  capacitors  (figure  on  the  right)  oftentimes  look  like  plastic  cans  as 

opposed  to  parallel  plates.  However,  the  plastic  is  simply  insulation  and  the 

inside consists of  long strips of  conducting foil wound around a dielectric. This 

configuration  enables  a  large  surface  area    of   conductor  to  be  stored  in  a 

small amount of  space. 

Capacitors  are  useful  for  many  reasons,  but  most  of   all  because  they  can  be  used  to  store  electrical 

energy in the form of  a static charge 

 on the plates. Capacitors can be charged by connecting them to a 

voltage  source  and  discharged  at  a  later  time.  However,  capacitors  cannot  be  charged  or  discharged 

instantaneously. The amount of  time to charge/discharge depends on the resistance of  the circuit. 

Below  is a diagram of  a capacitor being charged by a voltage source. During charging, current will flow 

through the resistor as negative charge accumulates on the bottom plate, which repels an equal amount 

of  charge off  the top plate. Charge will accumulate until the voltage across the capacitor is . 

/

Page 2: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 2/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Summing voltage drops around the circuit gives 

This can be rewritten (substituting  /) as the differential equation 

This has the solution 

1 / Recognizing that  is the maximum charge that can be stored on the capacitor we can write 

1  

The quantity  is the RC‐time constant  that dictates how fast the capacitor can be charged. The 

figure below shows a few plots of  / for various values of  the time constant  . 

Disconnecting  the  capacitor  from  the  voltage  source  leaves  the  capacitor  with  a  charge   on  the 

plates. This charge can be used at a  later time to power some electric device,  for example. When the 

capacitor is discharged, as shown below, a current will flow through the resistor as electrons flow from 

the  – plate to the + plate. This will continue until the charge on both plates is zero. 

Page 3: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 3/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Similar to before, we can sum voltage drops around the circuit: 

This can be rewritten (substituting  /) as the differential equation 

 

This has the solution 

/  

Again, we see the quantity  dictates how fast charge on the capacitor decays. The figure below shows 

a few plots of  / for various values of  the time constant  . 

In this lab you will observe charge flowing to and from the capacitor in real‐time and observe similar 

plots to those shown above. 

Goals of  this Lab 

1.  Understand how a capacitor obtains and stores charge 

2.  Understand how charge flows through a circuit 

3.  Understand how the capacitance and resistance of  a circuit affects charge flow 

4.  Observe charge flow in real‐time 

Page 4: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 4/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Lab Materials 

Power Supply 

The  power  supply  will  act  as  a  battery  that  can  provide  a  variable 

(i.e. user defined) voltage. 

Banana Connector Patch Cord 

Electrical connections can  be  made  by  the sticking  the  plug of  one 

into the socket of  another. 

Alligator Clips 

Alligator clips will be used to make electrical contact in your circuit. 

Switch 

Electrical 

connection 

to 

two 

different 

circuits 

will 

be 

made 

via 

switch. 

Multimeter 

The  multimeter  will  primarily  be  used  for  troubleshooting  your 

circuit and measuring resistances. 

Differential Voltage Probe 

These can be interfaced to LoggerPro for automatic data collection 

of  voltage differences in a circuit. 

LoggerPro 

LoggerPro will be used to run the differential voltage probe and used 

for data analysis.  LoggerPro 

Resistors 

Resistors will be used to regulate the rate of  charging and 

discharging a capacitor. 

Capacitors 

Charge from the power supply will be stored in capacitors. 

Light bulbs 

Light bulbs will be used to ensure that circuits are properly 

connected. 

Page 5: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 5/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Overview 

You will build the circuit shown below. The circuit consists of  two branches and a central capacitor . 

The  left branch contains a voltage source  and a resistor . The right branch contains a resistor  

only. The capacitor can be connected to either branch by throwing a switch to the left or right. Closing 

the switch

 on

 the

 left

 branch

 connects

 the

 capacitor

 to

 a voltage

 source

 and

 will

 charge

 the

 capacitor.

 

After  the capacitor  is charged,  the switch can be opened. Charge  is now stored on  the capacitor. The 

capacitor can be discharged by closing the switch on the right branch. 

During  both  charging  and  discharging  you  will  monitor  the  charge  on  the  plates  by  measuring  the 

voltage across the capacitor. You will connect a voltage probe across the terminals of  the capacitor as 

shown below 

The voltage is related to charge via the relationships  . Thus, the voltage will also show an 

exponential rise or decay governed by the time constant  as the capacitor  is charged or discharged, 

respectively. We will exploit this to measure the capacitance of  several different capacitors by observing 

these exponential rises and decays of  voltage. 

Voltage 

To computer 

Page 6: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 6/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Lab Procedure 

Set up the power supply and LoggerPro 

The voltage probes max out at 6V so we want to make sure we apply a  lower voltage than this. If  you 

have a Vernier power supply  (small black box),  it automatically outputs 5V so go  to step 4.  If  you are 

using the PASCO Power Supply follow steps 1‐3: 

1.  If  you are using the PASCO Power Supply set the function generator to DC mode by clicking the 

downward arrow button () on Range until the display shows 00000.

2.  Set  the  multimeter  to  DC  voltmeter  mode  and  connect  probes  to  the  terminals  of   the  power 

supply. 

3.  Dial up the voltage on the power supply to 5.0V. Leave the dial at this setting! 

4.  Run LoggerPro and set up the experiment for continuous data collection at 100 samples/s. Go to 

Experiment 

 Data

 Collection…

 and

 check

 Continuous

 Data

 Collection

 and

 set

 the

 Sampling

 

Rate to 100 samples/s. 

Build a branched circuit that can charge or discharge a capacitor 

1.  Choose two resistors  and  and a capacitor  and build the circuit shown below. Measure 

the values of    and  with the multimeter. 

Note:  You  will  use  only  one  switch.  The  diagram  shows  two  to  help  you  visualize  how  the 

physical switches work. When the physical switch is closed, it is equivalent to closing the top and 

bottom switches in the circuit diagram below. 

Note:  Some  of   the  capacitors  we  are  using  are electrolytic capacitors  that  use  an  electrolyte 

(instead of  metal) for one plate. These capacitors have a polarity, meaning that one side must be 

connected to the positive terminal of  the power supply. This terminal is marked by a +. 

2.  Connect  the  voltage  probe  as  shown  and  observe  the  voltage  displayed  in  LoggerPro.  The 

voltage across the capacitor should be zero (with small fluctuations about zero). Discharge the 

capacitor by shorting out the terminals with wire if  necessary. 

Voltage 

To computer 

Page 7: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 7/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Prelab Exercise 1: 

You are given the following set of  capacitors and resistors. Which combination will cause the capacitor 

to charge at the fastest rate when you close the left‐hand switch? What resistance  should you use if  

you want a capacitor to charge at the slowest rate? What resistor  should you use if  you want a 

capacitor to discharge at the fastest rate? 

Capacitance 

Resistance 

130×106 µF  500   

150 µF  1 M  

1500 pF  10 k  

Verify that your circuit works as expected 

1.  Replace  and  with light bulbs. 

2.  Throw  the  switch  to  the  left.  You  should  observe  a  flash  of   light  through  the  bulb  as  your 

capacitor is charged. Depending on how large 

 is, the flash may last for several seconds. 

3.  Close the switch to the right. You should observe a flash of  light with identical (provided that the 

light bulbs are about the same) duration. 

4.  If  you observed the flashes, your circuit  is properly connected. Replace the  light bulbs with  

and . 

Prelab Exercise 2: 

Why  should  you  observe  only  a  flash  of   light,  as  opposed  to  a  continuous  glow,  when  the  switch  is 

thrown to the left? After all, the light bulb is directly connected to the power supply. 

Charge the

 capacitor

 

1.  Start collecting data with  . 

2.  Close the switch to the left to charge the capacitor. Observe the voltage vs. time. Autoscale the 

graph with  as needed. 

Note: Depending on your values of   and , the capacitor could charge very fast or very slow. 

If  nothing happens, something in your circuit isn’t connected properly. 

3.  Wait until your capacitor  is  fully charged (i.e. until the voltage  is constant). This typically takes 

about 5 time constants (5. Don’t stop collecting data! 

Prelab Exercise 3: 

How many time constants (give an integer number) will you have to wait before the voltage across the 

capacitor is within 99% of  its initial value? 

Page 8: RC Circuits 0

7/29/2019 RC Circuits 0

http://slidepdf.com/reader/full/rc-circuits-0 8/8

  Department of Physics & AstronomyUndergraduate Labs

1/2/2012 

Discharge the capacitor 

1.  Throw the switch to the right to discharge the capacitor. Observe the voltage vs. time. 

Note: Again, depending on your values of   and , the capacitor could discharge very fast or 

very slow. If  nothing happens, something in your circuit isn’t connected properly. 

2.  Wait until your capacitor is fully discharged (i.e. until the voltage is about zero). Again, this takes 

about 5 time constants (5). Stop data collection ( ) when it is fully discharged. 

Analyze your results 

You should observe two curves showing the charging and discharging of  the capacitor. They should look 

similar to the curves in the introduction. 

1.  Fit  a Natural Exponential  (   )  to  the  voltage  rise  curve  (charging).  Use  the  brackets  [  ]  on 

either side of  the data to select the region for the fit. You may have to rescale the horizontal axis 

to zoom

 in

 on

 the

 curve.

 Do

 this

 by

 left

 clicking

 the

 first

 and

 last

 tick

 label

 of 

 the

 horizontal

 axis

 

and changing the value. Don’t include the flat region to the left of  the curve in the fit! 

2.  Fit a Natural Exponential (   ) to the voltage decay curve (discharging). Use the brackets [ ] on 

either side of  the data to select the region for the fit. 

3.  Determine the capacitance  of  your capacitor from each of  your exponential fits. 

4.  Create a column that calculates the charge   by going to Data   New Calculated 

Column and entering  in  the appropriate values  in  the Equation box. Use the average  value 

you obtained from the previous step, not what is marked on the side of  the capacitor! You can 

use 

values 

from 

columns 

that 

contain 

data 

(i.e. 

the 

potential 

column) 

by 

clicking 

5.  Repeat  this  experiment  using  a  different  combination  of    and   values.  If   you  didn’t  do  so, 

choose values that will fully charge/discharge the capacitor over the timescale of  minutes. 

Questions 

1.  Attach plots of  the charging/discharging curves including fits. Label the resistances for each curve. 

2.  Make a table that lists the resistances  and  and your measured value of  capacitance . 3.  Do your capacitance values match  for charging and discharging?  If  not, what could be causing the 

discrepancy? Do your capacitance values match with what is labeled on the side of  the capacitor? 

4.  What  was  the  maximum  charge 

  stored  on  each  capacitor?  How  many  electrons  does  this 

correspond to?

 The

 charge

 of 

 an

 electron

 is

  1.6 10C. 

Feedback 

Please leave feedback about this lab. What did you like best? What did you like least? Did anything go 

wrong? What did you feel like you learned in this lab?