การปล่อยประจุของตัวเก็บประจุ
| English | ไทย |
|---|---|
| discharge/dɪsˈtʃɑːdʒ/ | ปล่อยประจุ |
| time constant/taɪm ˈkɒnstənt/ | ค่าคงที่เวลา |
| exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ | การลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียล |
The decay that never quite finishes
- A discharging capacitor loses 63% of its charge in the first time constant, then 63% of what remains in the next, and so on for ever.
- After five time constants less than 1% is left, but the curve never reaches zero. It cannot, because the rate of loss is always proportional to how much is left.
- Every quantity that behaves that way, radioactive decay included, gives the same curve, so learning it once serves twice.
- This lesson is the discharge 放电 equations, the time constant 时间常数, and the log plot that turns the curve into a straight line.
Where the exponential comes from
- Close the switch and the capacitor's p.d. drives a current through the resistor. Kirchhoff's second law gives $V_C = V_R$, and with $V_C = Q/C$, $V_R = IR$ and $I = -dQ/dt$:
- The rate of loss is proportional to the charge remaining. That is the defining property of exponential decay 指数衰减, and it is why the curve flattens as it falls.
ระหว่างการปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน ประจุบนตัวเก็บประจุ:
ยิ่งประจุมาก ยิ่งกระแสสูง — ทำให้เกิดการลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล
ทำไมการปล่อยประจุของตัวเก็บประจุจึงเป็นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล?
Q/C = -R dQ/dt บอกสิ่งนี้ได้อย่างชัดเจน ทุกปริมาณที่มีคุณสมบัตินี้ รวมถึงการสลายตัวของสารกัมมันตรังสี ล้วนให้กราฟเดียวกัน
The three equations
- Charge, p.d. and current all decay together, with the same time constant:
- The current is largest at the instant the switch closes, $I_0 = V_0/R$, because the full initial p.d. is then across the resistor. It falls as the p.d. falls.
- The area under the current-time graph is the charge that has flowed. All three curves have the same shape, so measuring $\tau$ from any one of them gives $RC$.

Steep at first, then ever flatter, and never quite zero
กราฟการชาร์จ/ปล่อยประจุ
แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น (หรือลดลง) แบบเอ็กซ์โพเนนเชียลตามเวลาด้วยเวลาคงตัว τ = RC
การปล่อยประจุของตัวเก็บประจุ
Q = Q₀·bᵗ
ประจุ ลดลง แบบเอ็กซ์โพเนนเชียลผ่านตัวต้านทาน
ประจุระหว่างการปล่อยประจุกำหนดโดย:
การปล่อยประจุลดลงเข้าใกล้ศูนย์: $Q = Q_0 e^{-t/RC}$ (รูปแบบ $1 - e^{-t/RC}$ ใช้สำหรับการ ชาร์จ )
The time constant
- The time constant is:
- Its unit is the second, since an ohm times a farad is a second.
- It is the time for the decaying quantity to fall to $\dfrac{1}{e} \approx 37\%$ of its starting value. After $2\tau$ about 13.5% remains, and after $5\tau$ less than 1%.
- A large $R$ or a large $C$ means a slow discharge: a big store emptying through a narrow pipe.
ตัวเก็บประจุขนาด $500\ \mu\text{F}$ ปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน $2000\ \Omega$ เวลาคงตัวมีค่าเท่าไร?
$\tau = RC = 2000 \times 500 \times 10^{-6} = 1.0\ \text{s}$.
หลังจากผ่านไปหนึ่งเวลาคงตัว ประจุลดลงเหลือประมาณ ____ % ของค่าเริ่มต้น
ลดลงเหลือ $\dfrac{1}{e} \approx 0.37$ หรือประมาณ 37%
หลังจาก 5 เวลาคงตัว ประจุที่เหลืออยู่จะน้อยกว่า 1%
$e^{-5} \approx 0.0067$ ดังนั้นเหลืออยู่ไม่ถึง 1% — ถือว่าปล่อยประจุเสร็จสิ้นอย่างสมบูรณ์
ตัวเก็บประจุที่ชาร์จให้ถึง 24 V ปล่อยประจุผ่านตัวต้านทาน 5.6 kilo-ohm กระแสเริ่มต้นมีค่าเท่าไร ในหน่วย mA?
ทันทีที่สวิตช์เปิด แรงต่างศักย์ทั้งหมดจะตกคร่อมตัวต้านทาน ดังนั้น I0 = V0/R = 24/5600 = 4.3 mA จากนั้นจะลดลงด้วยเวลาคงตัวเดียวกับประจุ
Worked example: a full discharge question
- A $470\ \mu\text{F}$ capacitor charged to $24\ \text{V}$ discharges through a $5.6\ \text{k}\Omega$ resistor. Find the time constant, the initial current, the p.d. after $4.0\ \text{s}$, and the time for the p.d. to fall to $6.0\ \text{V}$.
- $\tau = RC = (5.6 \times 10^3)(470 \times 10^{-6}) = 2.6\ \text{s}$, and $I_0 = V_0/R = 24/5600 = 4.3\ \text{mA}$.
- After $4.0\ \text{s}$: $V = V_0 e^{-t/RC} = 24\,e^{-4.0/2.63} = 5.3\ \text{V}$.
- For the time, take logarithms: $t = -RC\ln(V/V_0) = -2.63\ln(6.0/24) = 3.6\ \text{s}$.
- Keep $\tau$ unrounded inside the calculation and round only at the end. And note that $\ln(V/V_0)$ is negative, so the minus sign makes $t$ positive: that rearrangement is the most often asked and the most often botched.
หลังจากหนึ่งเวลาคงตัว จะมีประจุประมาณ 37% ของค่าเริ่มต้นเหลืออยู่บนตัวเก็บประจุ
ลดลงเหลือ 1/e ของค่าเริ่มต้น หรือประมาณ 37% หลังสองครั้งอยู่ที่ประมาณ 13.5% และหลังห้าครั้งต่ำกว่า 1% แม้ว่าจะไม่เคยแตะศูนย์เลยก็ตาม
Worked example: reading $\tau$ off a graph
- The p.d. across a $2200\ \mu\text{F}$ capacitor falls from $6.0\ \text{V}$ to $2.2\ \text{V}$ in $4.5\ \text{s}$. Find the resistance.
- Check the ratio first: $2.2/6.0 = 0.367$, which is $1/e$. So $4.5\ \text{s}$ is one time constant.
- Then $R = \tau/C = 4.5/(2200 \times 10^{-6}) = 2.0 \times 10^3\ \Omega$.
- If the fall is not to $1/e$, use $RC = -t/\ln(V/V_0)$ instead. The answer is the same either way, but spotting the $1/e$ saves a step.
ตัวเก็บประจุที่มีเวลาคงตัว 2.63 s ชาร์จให้ถึง 24 V ต้องใช้เวลาเท่าใด (หน่วยวินาที) จนกว่าแรงต่างศักย์จะลดลงเหลือ 6.0 V?
t = -RC ln(V/V0) = -2.63 ln(0.25) = 3.6 s. ln(0.25) เป็นลบ ดังนั้นเครื่องหมายลบจะทำให้ t เป็นบวก; การจัดรูปสมการนี้เป็นจุดที่ผู้เรียนมักทำผิดพลาดบ่อยที่สุด
The log plot
- Take logarithms of $V = V_0 e^{-t/RC}$:
- So a graph of $\ln V$ against $t$ is a straight line with gradient $-1/RC$ and intercept $\ln V_0$.
- This is the standard experimental method: it turns a curve into a line, so $RC$ comes from a gradient rather than from a single reading, and any departure from a straight line shows the decay is not exponential.
แรงต่างศักย์ของตัวเก็บประจุขนาด 2200 uF ลดลงจาก 6.0 V เหลือ 2.2 V ภายใน 4.5 s เรียงขั้นตอนการหาค่าความต้านทานให้ถูกต้อง
หากการลดลงไม่ใช่ 1/e ให้ใช้ RC = -t/ln(V/V0) แทน คำตอบจะเหมือนกัน แต่การมองเห็น 1/e ช่วยลดขั้นตอนลงได้
Marks that slip away
- $\tau = RC$ is a time, in seconds, not a fraction. After one $\tau$ the quantity is at 37%, not 63% gone and stopped.
- The current is largest at the start, when the whole p.d. is across the resistor, and it decays with the same time constant as the charge.
- To find a time, take logs: $t = -RC\ln(V/V_0)$. Keep the time constant unrounded through the working.
- On a $\ln V$ against $t$ plot the gradient is $-1/RC$, so $RC$ is minus the reciprocal of the gradient.
กราฟของ ln V เทียบกับ t สำหรับตัวเก็บประจุที่กำลังปล่อยประจุจะเป็นเส้นตรง ความชันของกราฟนี้คืออะไร?
การtaking log ของ V = V0 exp(-t/RC) จะได้ ln V = ln V0 - t/RC ดังนั้น RC คือลบของผลกลับของความชัน และเส้นตรงนี้ยืนยันเองว่าการลดลงนั้นเป็นแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล
You've got it
- the rate of loss is proportional to the charge left, so the decay is exponential: $Q = Q_0e^{-t/RC}$, and $V$ and $I$ decay identically
- the current starts at $I_0 = V_0/R$ and the area under the current-time graph is the charge that has flowed
- the time constant $\tau = RC$ is the time to fall to $1/e \approx 37\%$; after $5\tau$ less than 1% remains
- take logs to find a time, $t = -RC\ln(V/V_0)$, and a plot of $\ln V$ against $t$ is a straight line of gradient $-1/RC$