السعه
المصدر: يونغ ب. تشن ، دكتوراه ، قسم الفيزياء وعلم الفلك ، كلية العلوم ، جامعة بوردو ، ويست لافاييت ، إنديانا
ستستخدم هذه التجربة مكثفات تجارية ومكثف ل…
1. شحن مكثف
- احصل على مكثف تجاري بسعة C = 470 μF (أو بعض القيمة المماثلة) ، ومصدر جهد قابل للبرمجة ، ومقياس أمبير (أو مقياس متعدد يمكنه قياس التيار).
- مع ضبط مصدر الجهد على 0 فولت ، قم بتوصيل الطرف "+" لمصدر الجهد بطرف واحد من المكثف ، مع وجود مقياس الأمبير بينهما ، وقم بتوصيل الطرف "-" لمصدر الجهد بالطرف الآخر ، كما هو الحال في <الفئة القوية = "xfig">الشكل 1. يمكن إجراء الاتصال باستخدام الكابلات ذات المشابك أو سدادات الموز في منافذ الاستقبال على المكثف والأدوات.
- قم بتبديل مصدر الجهد من 0 فولت إلى 1 فولت (في حوالي 1 ثانية) ، ولاحظ قراءة التيار العابر على مقياس الأمبير. افعل الشيء نفسه مع 2 فولت و 5 فولت و 10 فولت (لكل جهد مستهدف ؛ هذا يعني أن الرجوع أولا إلى 0 فولت ، ثم قم بالتبديل إلى الجهد المستهدف في حوالي 1 ثانية). لاحظ أن التيار العابر أكبر لجهد مستهدف أكبر ، كما هو متوقع من المعادلة 2.
- قم ببرمجة مصدر الجهد لتوليد منحدر جهد من 0 فولت إلى 10 فولت في 5 ثوان ، وسجل قراءة "الحالة المستقرة" لمقياس الأمبير أثناء منتصف المنحدر. كرر ذلك لمدة منحدر يبلغ 10 ثانية و 20 ثانية و 30 ثانية. ارسم التيار المرصود مقابل معدل منحدر الجهد (بفولت / ثانية).
- قم بإيقاف تشغيل مصدر الجهد واستبدله ببطارية 300 فولت ، واستبدل مقياس الأمبير بمقاوم 1 MΩ (الغرض من هذا المقاوم هو توفير حماية إضافية للحد من التيار في الدائرة) ؛ استبدل أيضا المكثف التجاري بمكثف لوحة متوازي مع فصل قابل للتعديل بين الألواح.
- احصل على الفولتميتر عالي المقاومة (أو "المقياس الكهربائي") وقم بتوصيله لقياس فرق الجهد V بين اللوحتين (تعيق المعاوقة العالية تفريغ المكثف أثناء التجربة عند توصيل المقياس الكهربائي). انظر <الفئة القوية = "xfig">الشكل 5.
- قم بتوصيل بطارية 300 فولت بمكثف اللوحة المتوازية ، وانتظر حتى يصل المقياس الكهربائي إلى الحالة المستقرة البالغة 300 فولت (الآن يتم شحن المكثف بالكامل بواسطة مصدر 300 فولت) ، ثم افصل مصدر الجهد بسرعة عن الألواح. انظر <الفئة القوية = "xfig">الشكل 6. يجب أن يظل المقياس الكهربائي يقرأ 300 فولت.
- الآن قم بزيادة المسافة d بين الألواح إلى قيم أكبر مثل 15 مم و 10 مم و 5 مم ، ولاحظ وسجل قراءة الجهد المقابلة على المقياس الكهربائي (V) ؛ مخطط V مقابل d.
- قم بزيادة d مرة أخرى إلى ~ 20 مم ، وأدخل لوحا بلاستيكيا بين اللوحين ولاحظ ما يحدث ل V الذي يقرأه المقياس الكهربائي. ينتج تقليل V بين الألواح (مع تثبيت الشحنة Q في هذه الحالة) عن ثابت العزل الأكبر ε للبلاستيك (مقارنة بالهواء) كوسيط للمكثف (راجع المعادلتين 1 و 3).
3. السعات المتوازية والمتسلسلة
- احصل على مقياس سعة ("مقياس LCR" أو مقياس متعدد مع وضع قياس السعة) ؛ احصل على لوح تجارب لتسهيل التوصيلات الكهربائية في هذا الجزء من التجربة.
- احصل على مكثفين تجاريين "سيراميك" بسعة 1 ميكروفهرنهايت ، واستخدم مقياس السعة للتحقق من سعتهما ، كما في <فئة قوية = "xfig">الشكل 2.
- قم بتوصيل المكثفين بالتوازي ، واستخدم مقياس السعة لقياس السعة الإجمالية (بين النقطتين A و B ، انظر <فئة قوية = "xfig" >الشكل 3).
- قم بتوصيل المكثفين في سلسلة ، واستخدم مقياس السعة لقياس السعة الإجمالية (بين النقطتين A و B ، انظر <فئة قوية = "xfig" >الشكل 4).
<فئة قوية = "xfig">الشكل 3: رسم تخطيطي يوضح مكثفين متصلين بالتوازي.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 4: رسم تخطيطي يوضح مكثفين متصلين في سلسلة.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 5: رسم تخطيطي يوضح شحن مكثف باستخدام مصدر جهد ، أثناء قراءة الجهد باستخدام مقياس كهربائي.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 6: بعد فصل مصدر الجهد بسرعة في <فئة قوية = "xfig">الشكل 5 ، يجب أن يظل الجهد والشحن على المكثف.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
المكثف ضروري في الدوائر لأنه يقاوم التغيرات في الجهد عن طريق تخزين الشحنات المتساوية والمعاكسة على أطرافه الموصلة ثم توفير الطاقة عندما ينخفض مصدر الجهد.
يتكون المكثف من طرفين موصلين ، مثل اللوحين في "مكثف لوحة متوازية" ، مفصولة بمادة عازلة أو فجوة. عندما يتم تطبيق الجهد عبر مكثف ، فإنه يسحب التيار. يؤدي هذا إلى تراكم الإلكترونات على صفيحة واحدة بينما يتم صدها على اللوحة الأخرى ، وبالتالي تخزين شحنات متساوية ومعاكسة على الصفيحتين.
تسمى قدرة المكون على تخزين الشحنة بالسعة ، ويتم قياسها بوحدات تسمى فاراد.
يستخدم هذا الفيديو مكثفا لوحتا متوازيا لتوضيح مفهوم السعة واعتمادها على العوامل الفيزيائية وتكوين الشبكة.
عندما يتم تطبيق مصدر طاقة على دائرة ، يسحب المكثف "تيار الشحن" حتى يتم شحن موصلاته بالكامل. يعتمد مقدار الشحنة "Q" الذي يمكن أن يخزنه المكثف على السعة "C" للمكون ، وحجم الجهد المزود "V".
عندما ينخفض الجهد ، تتدفق الشحنة من موصلات المكثف إلى الدائرة ، مما يولد تيارا حتى يتم استنفاد الشحنة المخزنة ، وبالتالي استقرار تذبذب الجهد. التيار هو معدل التغيير في مقدار الشحنة. بدمج هذا مع المعادلة السابقة ، يمكننا القول أن تدفق التيار من المكثف هو السعة مضروبا في معدل التغير في الجهد.
قيمة C ثابتة لمكثف معين ، ويمكن الحصول عليها باستخدام هذه المعادلة ، والتي توضح أن C تتناسب طرديا مع A - مساحة سطح اللوحة ، d - مسافة الفجوة ، و epsilon - ثابت العزل الكهربائي أو "السماحية" للمادة العازلة بين الألواح.
ثابت العزل الكهربائي هو مقياس لمدى استقطاب المادة في المجال الكهربائي.
وهكذا ، بالنظر إلى العلاقة بين إبسيلون و C ، و C و Q ؛ عند جهد معين ، كلما زادت السماحية ، ستكون سعة تخزين شحن المكثف أعلى.
يحتوي الفراغ على ثابت عازل يبلغ 8.85 × 10-12 فاراد لكل متر ، يشار إليه ب 0. تحتوي الوسائط الأخرى بشكل عام على قيم سماحية أكبر ، والتي يتم قياسها إلى 0 وتسمى السماحية "النسبية" للوسيط. على سبيل المثال ، السماحية النسبية للهواء هي واحدة تقريبا ، وتتراوح البوليمرات من 2 إلى 4 ، والماء المقطر 80.
الآن بعد أن تم شرح الخصائص الفيزيائية التي تؤثر على السعة ، دعنا نلقي نظرة على كيفية قياس السعة في العناصر السعوية الفردية أو الشبكية.
للبدء ، اجمع المواد التالية: مكثف تجاري بسعة قريبة من 470 ميكرو فاراد ، ومصدر جهد قابل للبرمجة ، ومقياس أمبير أو متر متعدد يمكنه قياس التيار.
بعد ذلك ، مع ضبط مصدر الجهد على 0 فولت ، قم بتوصيل طرفه الموجب بمقياس الأمبير. ثم قم بتوصيل المنفذ الآخر لمقياس الأمبير بالمكثف ، باستخدام الكابلات ذات المشابك أو سدادات الموز. يتيح ذلك قياس تيار الخرج من المكثف. بعد ذلك ، قم بتوصيل المنفذ السالب لمصدر الجهد بالطرف الآخر للمكثف.
بعد ذلك ، قم بتبديل مصدر الجهد من 0 إلى 1 فولت ولاحظ قراءة التيار العابر على مقياس الأمبير. بعد ذلك ، اضبط الجهد مرة أخرى إلى 0 قبل زيادته إلى 2 فولت و 5 فولت وأخيرا 10 فولت. لكل جهد مستهدف ، اسمح بثانية واحدة من الراحة عند 0 فولت بين التغييرات في الفولتية المستهدفة المختلفة. راقب التيار العابر مع تغير الجهد.
كما تنبأت المعادلة ، من المتوقع أن يكون التيار العابر أكبر لجهد مستهدف أكبر.
أخيرا ، قم ببرمجة مصدر الجهد لتوليد منحدر جهد من 0 فولت إلى 10 فولت خلال 5 ثوان ، وسجل قراءة مقياس أمبير "الحالة المستقرة" في منتصف المنحدر. بعد ذلك ، كرر لأوقات المنحدر من 10 ثانية و 20 ثانية و 30 ثانية.
احصل الآن على مكثف لوحة متوازية مع فصل قابل للتعديل بين الألواح ، واستخدم بطارية 300 فولت كمصدر للجهد. استبدل مقياس الأمبير بمقاوم 1 ميجا أوم. يوفر هذا المقاوم حماية إضافية تحد من تدفق التيار في الدائرة.
ثانيا ، قم بتوصيل الفولتميتر عالي المقاومة ، أو المقياس الكهربائي ، بين اللوحتين لقياس فرق الجهد.
بعد ذلك ، قم بتوصيل البطارية بالمكثف ، وانتظر حتى يصل المقياس الكهربائي أيضا إلى الحالة المستقرة البالغة 300 فولت ، مما يشير إلى أن المكثف مشحون بالكامل. ثم افصل البطارية بسرعة عن اللوحات.
كرر القياس بعد تقليل المسافة بين الألواح إلى 15 و 10 و 5 مم.
أخيرا ، بمسافة لوحة مكثف تبلغ 20 مم ، أدخل لوحا بلاستيكيا بين اللوحتين ولاحظ ما يحدث لقراءة جهد المقياس الكهربائي.
بالنسبة للمكثف التجاري ، يكشف مخطط التيار المقاس مقابل معدل منحدر الجهد عن علاقة خطية بين المعلمتين.
يتوافق هذا مع العلاقة التي تستند إليها هذه المعادلة ، والتي اشتقدناها سابقا في الفيديو. وفقا للمعادلة ، فإن ميل الخط يساوي السعة.
بالنسبة لمكثف اللوحة المتوازية بشحنة ثابتة ، يكون مخطط الجهد بين الألواح مقابل المسافة بين الألواح خطيا. هذا يدعم مرة أخرى العلاقات النظرية. نحن نعلم أن السعة ومسافة اللوحة متناسبتان عكسيا. نعلم أيضا أنه عندما تكون شحنة الموصل ثابتة ، فإن السعة والجهد يكونان أيضا متناسبين عكسيا. يكشف الجمع بين هاتين المعادلتين أن الجهد ومسافة اللوحة يتناسبان طرديا مع بعضهما البعض عندما تكون الشحنة ثابتة.
تتنبأ هذه المعادلة أيضا أنه مع الشحنة الثابتة ، كلما كان ثابت العزل الكهربائي الأكبر لوسط الفجوة ، كلما انخفض الجهد بين الصفائح. تم تأكيد ذلك عندما تم استبدال الهواء الموجود في الفجوة بالبلاستيك ورأينا انخفاضا في قراءة الفولتميتر.
تستخدم المكثفات في مجموعة كبيرة ومتنوعة من التطبيقات الهندسية والعلمية لتخزين الكهرباء وشحنها وتفريغها بشكل انتقائي.
المكثفات ضرورية لمعالجة الإشارات الكهربائية. على سبيل المثال ، استخدم علماء الأحياء اختبارا من خيارين لتقييم كيفية تعرف الفئران على الأصوات بالموجات فوق الصوتية المختلفة والاستجابة لها. أولا ، يتم تسجيل ملفات الصوت من الفئران الحية وقصها باستخدام مرشحات التمرير العالي لتحديد التردد.
تستخدم دوائر الترشيح عالية التردد مكثفات لمنع التذبذبات منخفضة التردد ، حيث يزداد التوصيل بين ألواح المكثف بشكل عام عند الترددات الأعلى وينخفض عند الترددات المنخفضة. بعد ذلك ، يتم تشغيل أصوات التردد المتغير في وقت واحد في موقعين منفصلين ، مما يسمح للفئران بالهجرة نحو النطق المفضل.
في حين أن إمدادات التيار الكهربائي عبارة عن تيار متردد بتيار متقلب ، فإن العديد من الأجهزة الإلكترونية ، مثل أجهزة الكمبيوتر ، تتطلب طاقة تيار مستمر. تستخدم المكثفات داخل محولات طاقة التيار المتردد لتصفية الإشارات الكهربائية وتثبيت مصدر التيار المستمر ، مما يوفر مصدرا سلسا دون انقطاع.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للمكثفات. يجب أن تفهم الآن مفهوم السعة ، وكيفية قياس هذه المعلمة الفيزيائية ، وكيف تؤثر خصائص مثل المسافة من لوحة إلى لوحة أو مادة الفجوة على قيمة السعة. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is capacitance and how does a capacitor store charge?
Capacitance is the ability of a capacitor to store charge, measured in Farads. A capacitor consists of two conductive plates separated by an insulating material. When voltage is applied, electrons accumulate on one plate while being repelled from the other, creating equal and opposite charges. This charge storage stabilizes voltage fluctuations in circuits.
Q2: How does plate separation affect capacitance in a parallel plate capacitor?
Capacitance is inversely proportional to the distance between plates. As the gap distance decreases, capacitance increases, allowing the capacitor to store more charge at the same voltage. This relationship is described by the equation C = εA/d, where d is the plate separation, A is plate area, and ε is the dielectric constant.
Q3: What role does dielectric material play in capacitor performance?
The dielectric material between capacitor plates determines the permittivity, or dielectric constant, which directly affects charge storage capacity. Materials with higher permittivity values, such as distilled water with a relative permittivity of 80 compared to air's value of one, enable capacitors to store significantly more charge at a given voltage.
Q4: How is current related to voltage changes in a capacitor?
Current flowing through a capacitor equals capacitance multiplied by the rate of voltage change over time. When voltage changes rapidly, larger transient currents flow. This relationship explains why capacitors pass high-frequency signals while blocking low-frequency oscillations, making them useful in high-pass filter circuits for resistor capacitor resistor inductor and inductor capacitor circuits.
Q5: What happens when a capacitor discharges after the voltage supply is removed?
When voltage is disconnected, stored charge flows from the capacitor's conductors back into the circuit, generating current until the charge is depleted. This discharge process stabilizes voltage fluctuations by supplying energy when the external voltage supply drops, making capacitors essential for maintaining steady electrical signals.
Q6: How do capacitors function in AC power adapters and signal processing?
Capacitors filter electrical signals and stabilize DC supplies in AC power adapters, providing smooth, uninterrupted power to devices like computers. In signal processing, capacitors in high-pass filter circuits block low-frequency oscillations while allowing higher frequencies to pass, enabling selective frequency filtering in applications like ultrasonic vocalization analysis.
Q7: What physical factors determine the capacitance value of a parallel plate capacitor?
Capacitance depends on three physical factors: plate surface area (A), gap distance (d), and the dielectric constant (ε) of the insulating material. The relationship is C = εA/d, showing capacitance increases with larger plate area and higher permittivity, but decreases as the gap distance increases.