קיבוליות
מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN
ניסוי זה ישתמש קבלים מסחריים קבל צלחת מקבילה כדי להדג…
1. טעינת קבל
- השג קבל מסחרי עם קיבוליות C = 470 μF (או ערך דומה כלשהו), מקור מתח ניתן לתכנות ומגבר (או רב-מטר שיכול למדוד זרם).
- כאשר מקור המתח מוגדר ל- 0 V, חבר את מסוף "+" של מקור המתח למסוף אחד של הקבל, עם המגבר שביניהם, וחבר את מסוף "−" של מקור המתח למסוף השני, כמו באיור 1. החיבור יכול להיעשות עם כבלים עם מלחציים או תקעים בננה לתוך מקבל יציאות על הקבל ומכשירים.
- החלף את מקור המתח מ- V 0 ל- 1 V (בערך 1 s), והתבונן בקריאה הנוכחית החולפת על מד המגבר. עשה את אותו הדבר עבור 2 V, 5 V ו- 10 V (עבור כל מתח יעד; משמעות הדבר היא תחילה לחזור ל- 0 V, ולאחר מכן לעבור למתח היעד בערך 1 s). שים לב שהזרם הארעי גדול יותר עבור מתח יעד גדול יותר, כצפוי ממשוואה 2.
- תכנת את מקור המתח כדי ליצור רמפה מתח מ- 0 V ל- 10 V ב- 5 s, ותיעד את הקריאה "מצב יציב" של המגבר באמצע הרמפה. חזור על הפעולה לזמן רמפה של 10, 20 s ו- 30 s. התווה את הזרם הנצפה לעומת קצב הרמפה מתח (ב- V / s).
2. כוונון הקיבלות
- כבה את מקור המתח והחלף אותו בסוללת V 300, והחלף את המגבר בנגד 1 MΩ (מטרת הנגד הזה היא לספק הגנה נוספת כדי להגביל את הזרם במעגל); גם להחליף את הקבל המסחרי עם קבל צלחת מקבילה עם הפרדה מתכווננת בין הלוחות.
- להשיג voltmetmeter עקשה גבוהה (או "אלקטרומטר") ולחבר אותו כדי למדוד את הפרש המתח V בין שתי הלוחות (העכבה הגבוהה מעכבת את פריקה של הקבל במהלך הניסוי כאשר האלקטרומטר מחובר). ראו איור 5.
- חבר את סוללת 300 V לקבל הלוח המקביל, המתן עד שהאלקטרומטר יגיע למצב היציב של 300 וולט (כעת הקבל נטען במלואו על ידי מקור ה- 300 V), ולאחר מכן נתק במהירות את מקור המתח מהלוחות. ראו איור 6. האלקטרומטר עדיין צריך לקרוא 300 V.
- כעת הגדל את המרחק d בין הלוחות לערכים גדולים יותר כגון 15 מ"מ, 10 מ"מ ו- 5 מ"מ, והתבונן ותיעד את קריאת המתח המתאימה על האלקטרומטר (V); עלילה V לעומת d.
- הגדל d בחזרה ~ 20 מ"מ, הכנס לוח פלסטיק בין שתי הצלחות ובחן מה קורה V לקרוא על ידי אלקטרומטר. ההפחתה של V בין הצלחות (עם מטען Q קבוע במקרה זה) נובעת מהתקבוע הדיאלקטרי הגדול יותר ε של הפלסטיק (בהשוואה לאוויר) כאמצעי הקבל (עיין במשוואות 1 ו -3).
3. קיבוליות מקבילות וסדרות
- להשיג מד קיבוליות ("מד LCR" או מרובה מטר עם מצב מדידת קיבוליות); להשיג לוח לחם כדי להקל על החיבורים החשמליים בחלק זה של הניסוי.
- השג שני קבלי "קרמיקה" מסחריים עם קיבוליות של 1 μF, והשתמש במד הקיבול כדי לאמת את קיבוליותם, כמו באיור 2.
- חברו את שני הקבלים במקביל והשתמשו במד הקיבליות כדי למדוד את הקיבלות הכוללת (בין נקודות A ו- B, ראו איור 3).
- חברו את שני הקבלים בסדרה והשתמשו במד הקיבולים כדי למדוד את הקיבלות הכוללת (בין נקודות A ו- B, ראו איור 4).
איור 3: דיאגרמה המציגה שני קבלים המחוברים במקביל.
איור 4: דיאגרמה המציגה שני קבלים המחוברים בסדרה.
איור 5: תרשים המציג את הטעינה של קבל באמצעות מקור מתח, תוך קריאת המתח באמצעות אלקטרומטר.
איור 6: לאחר ניתוק מהיר של מקור המתח באיור 5, המתח והמטען על הקבל צריכים להישאר.
קבל חיוני במעגלים מכיוון שהוא מתנגד לשינויים במתח על ידי אחסון מטענים שווים ומנוגדים על המסופים המוליכים שלו ולאחר מכן אספקת אנרגיה כאשר אספקת המתח יורדת.
קבל מורכב משני מסופים מוליכים, כגון שתי הלוחות ב"קבל לוח מקביל", המופרדים על ידי חומר בידוד או פער. כאשר מתח מופעל על פני קבל, הוא מושך זרם. זה גורם לאלקטרונים להצטבר על צלחת אחת בזמן שהם נדחים על הצלחת השנייה, ובכך לאחסן מטענים שווים ומנוגדים על שתי הלוחות.
היכולת של הרכיב לאגור מטען נקראת קיבול, ונמדדת ביחידות הנקראות פאראד.
סרטון זה משתמש בקבל לוח מקביל כדי להמחיש את מושג הקיבוליות ואת תלותו בגורמים פיזיקליים ובתצורת הרשת.
כאשר מקור חשמל מוחל על מעגל, הקבל מושך "זרם טעינה" עד שהמוליכים שלו נטענים במלואם. כמות המטען 'Q' שקבל יכול לאחסן תלויה בקיבול 'C' של הרכיב, ובגודל המתח המסופק 'V'.
כאשר המתח יורד, המטען ממוליכי הקבל זורם למעגל, מייצר זרם עד שהמטען המאוחסן מתרוקן, ובכך מייצב את תנודות המתח. זרם הוא קצב השינוי בכמות הטעינה. בשילוב זה עם המשוואה הקודמת, אנו יכולים לומר שזרימת הזרם החוצה מהקבל היא קיבול כפול קצב השינוי במתח.
הערך של C הוא קבוע עבור קבל נתון, וניתן להשיגו באמצעות משוואה זו, המראה כי C עומד ביחס ישר ל-A - שטח הפנים של הצלחת, d - מרחק הפער, ואפסילון - הקבוע הדיאלקטרי או ה"היתירות" של החומר המבודד בין הלוחות.
קבוע דיאלקטרי הוא מדד למידת הקיטוב של החומר בשדה חשמלי.
לפיכך, בהתחשב בקשר בין אפסילון ל-C, ו-C ו-Q; במתח נתון, ההיתירות גבוהה יותר, קיבולת אחסון המטען של הקבל תהיה גבוהה יותר.
לוואקום יש קבוע דיאלקטרי של 8.85x10-12 פאראד למטר, המסומן ?0. למדיות אחרות יש בדרך כלל ערכי היתירות גבוהים יותר, אשר מותאמים ל-?0 ומכונים היתירות "יחסית" של המדיום. לדוגמה, היתירות היחסית של האוויר היא בערך אחת, פולימרים נעים בין 2 ל-4 ומים מזוקקים הם 80.
כעת, לאחר שהוסברו תכונות פיזיקליות המשפיעות על הקיבול, בואו נסתכל כיצד למדוד קיבול באלמנטים קיבוליים בודדים או מרושתים.
כדי להתחיל, אספו את החומרים הבאים: קבל מסחרי עם קיבול קרוב ל-470 מיקרו פאראד, מקור מתח ניתן-לתכנות ואמפר-מטר או מולטי-מטר שיכול למדוד זרם.
לאחר מכן, כאשר מקור המתח מוגדר ל -0 וולט, חבר את המסוף החיובי שלו למד האמפר. לאחר מכן חבר את היציאה השנייה של המגבר לקבל, באמצעות כבלים עם clamps או תקעי בננה. זה מאפשר מדידת זרם היציאה מהקבל. לאחר מכן, חבר את היציאה השלילית של מקור המתח למסוף השני של הקבל.
לאחר מכן, העבר את מקור המתח מ-0 ל-1 וולט והתבונן בקריאת הזרם החולף ב-amp-meter. לאחר מכן כוונן את המתח בחזרה ל-0 לפני הגדלת המתח ל-2 וולט, 5 וולט ולבסוף 10 וולט. עבור כל מתח יעד אפשר שנייה אחת של מנוחה ב-0 וולט בין שינויים למתחי יעד שונים. שימו לב לזרם החולף כאשר המתח משתנה.
כפי שחזתה המשוואה, הזרם החולף צפוי להיות גדול יותר עבור מתח מטרה גדול יותר.
לבסוף, תכנת את מקור המתח ליצירת רמפת מתח מ-0 V ל-10V במשך 5 שניות, ורשום את קריאת מד המגבר "במצב יציב" באמצע הרמפה. לאחר מכן, חזור על זמני רמפה של 10 שניות, 20 שניות ו-30 שניות.
כעת השיג קבל צלחת מקביל עם הפרדה מתכווננת בין הלוחות, והשתמש בסוללת 300V כמקור המתח. החלף את מד המגבר בנגד של 1 מגה אוהם. נגד זה מספק הגנה נוספת המגבילה את זרימת הזרם במעגל.
שנית, חבר מד מתח בעל עכבה גבוהה, או אלקטרומטר, בין שתי הלוחות על מנת למדוד את הפרש המתח.
לאחר מכן, חבר את הסוללה לקבל, והמתן עד שהאלקטרומטר יגיע גם למצב יציב של 300 וולט, מה שמצביע על כך שהקבל טעון במלואו. ואז נתק במהירות את הסוללה מהצלחות. האלקטרומטר עדיין צריך לקרוא 300 וולט.
חזור על המדידה לאחר הקטנת המרחק בין הלוחות ל-15, 10 ו-5 מ"מ.
לבסוף, עם מרחק צלחת קבלים של 20 מ"מ, הכנס לוח פלסטיק בין שתי הלוחות וראה מה קורה לקריאת המתח של האלקטרומטר.
עבור הקבל המסחרי, תרשים הזרם הנמדד לעומת קצב שיפוע המתח חושף קשר ליניארי בין שני הפרמטרים.
זה תואם את הקשר שנקבע על ידי משוואה זו, שהפקנו מוקדם יותר בסרטון. לפי המשוואה, שיפוע הקו שווה לקיבול.
עבור קבל הלוח המקביל עם מטען קבוע, עלילת המתח בין הלוחות לעומת המרחק בין הלוחות היא ליניארית. זה שוב תומך ביחסים התיאורטיים. אנו יודעים שהקיבול ומרחק הלוח הם ביחס הפוך. אנו יודעים גם שכאשר מטען המוליך קבוע, הקיבול והמתח הם גם ביחס הפוך. שילוב שתי המשוואות הללו מגלה כי המתח ומרחק הלוח עומדים ביחס ישר זה לזה כאשר המטען קבוע.
משוואה זו גם מנבאת שעם מטען קבוע, ככל שהקבוע הדיאלקטרי הגדול יותר של מדיום הפער, כך המתח בין הלוחות יהיה נמוך יותר. זה אושר כאשר האוויר בפער הוחלף בפלסטיק וראינו ירידה בקריאת מד המתח.
קבלים משמשים במגוון רחב של יישומים הנדסיים ומדעיים לאגירת טעינה ופריקה סלקטיבית של חשמל.
קבלים חיוניים לעיבוד אותות חשמליים. לדוגמה, ביולוגים השתמשו במבחן דו-ברירה כדי להעריך כיצד עכברים מזהים ומגיבים לקולות קוליים שונים. ראשית, קבצי קול מוקלטים מעכברים חיים ונחתכים באמצעות מסנני מעבר גבוה כדי לבחור את התדר.
מעגלי סינון מעביר-גבוה משתמשים בקבלים כדי לחסום תנודות בתדר נמוך, מכיוון שההולכה בין לוחות קבלים עולה בדרך כלל בתדרים גבוהים יותר ופוחתת בתדרים נמוכים. לאחר מכן, צלילים בתדר משתנה מושמעים בו זמנית בשני מיקומים נפרדים, מה שמאפשר לעכברים לנדוד לעבר הקול המועדף.
בעוד שספקי החשמל הם AC עם זרם משתנה, מכשירים אלקטרוניים רבים, כגון מחשבים, דורשים מתח DC. קבלים משמשים בתוך מתאמי מתח AC כדי לסנן אותות חשמליים ולייצב את הספקת-הכוח DC, ומספקים מקור חלק וללא הפרעות.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לקבלים. כעת עליך להבין את מושג הקיבול, כיצד למדוד פרמטר פיזיקלי זה, וכיצד תכונות כמו מרחק צלחת לצלחת או חומר פער משפיעות על ערך הקיבול. כמו תמיד, תודה שצפית!
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.