קיבוליות
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.
מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN
ניסוי זה ישתמש קבלים מסחריים קבל צלחת מקבילה כדי להדגים את הרעיון של קיבוליות. קבל מאחסן מטענים הפוכים על שני מוליכים, למשל שני לוחות מתכת הפוכים, מה שמוביל להבדל פוטנציאלי (ירידת מתח) בין שני המנצחים. כמות המטען על כל מוליך היא פרופורציונלית לירידה זו במתח, עם הקיבול כגורם המידתיות. אם המתח משתנה עם הזמן, הזרם הזורם לתוך הקבל יהיה פרופורציונלי לקצב השינוי הזה, ושוב הקיבול הוא גורם המידתיות.
הקיבול של קבל הלוח המקביל הוא תוצר של קבוע דיאלקטרי עם המרחק בין הלוחות חלקי שטח הלוח. ניסוי זה ידגים את מידתיות המרחק על ידי הפקדת מטען כלשהו על הקבל ולאחר מכן באמצעות מטח דועך גבוה (אלקטרומטר) כדי לפקח על המתח בין הלוחות ככל שהמרחק גדל. שינוי המתח יהיה גם במעקב עם חומר דיאלקטרי, כגון צלחת פלסטיק מוכנס לתוך החלל בין לוחות המתכת.
מד קיבוליות ישמש למדידת הקיבוליות באופן ישיר, כמו גם למדידת חיבורים מקבילים וסדרתיים של קבלים זמינים מסחרית וללמוד כיצד הקיבוליות הכוללת קשורה לקילוליות בודדת.
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!
עבור קבל, חלקה של זרם I לעומת קצב הרמפה ΔV/ΔT היא ליניארית, כפי שמוצג באיור 7. מכיוון שהזרם הוא קצב השינוי ב- Q המטען במסוף מוליך אחד, זה משקף גם את הקשר הליניארי בין מטען Q למתח V עבור קבל (משוואה 1). השיפוע של הקו שווה לקיכוי הקבל (משוואה 2).
לקבלת קבל לוח מקביל עם מטען Q קבוע, חלקה של מתח V בין הלוחות לעומת המרחק d בין הלוחות צריכה להיות גם ליניארית, כפי שמתואר <...
בניסוי זה, הטעינה של קבל הודגמה, כאשר הזרם הוא תוצר של הקיבלות וקצב שינוי המתח. על ידי התבוננות כיצד המתח משתנה בהתחשב במטען קבוע, הדגמנו כיצד הקיבלות של קבל לוח מקביל משתנה עם ההפרדה ועם המדיום בין הצלחות.
מד הקיבולים יכול לשמש גם כדי למדוד ישירות את הקיבלות, ולקבוע את הקיבלות הכוללת עבור קבלים המחוברים במקביל או בסדרה.
קבלים משמשים בדרך כלל ביישומי מעגלים רבים. הם יכולים לשמש לאחסון מטענים ואנרגיה. הם חיוניים לעיבוד אותות חשמליים. לדוגמה, לקיחת הנגזרת של אות חשמלי...
Chapters in this video
0:06
Overview
1:03
Principles of Capacitance
3:11
Charging the Capacitor
4:47
Tuning the capacitance
5:56
Data Analysis and Results
7:12
Applications
8:30
Summary
Videos from this collection: