المكثفات – السعة الكهربائية والمكثف في الدوائر
الفيزياءالكهرباء والدوائر الكهربائية16–17 سنة
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلغيّر مساحة اللوحين والمسافة بينهما وجهد البطارية لترى السعة C والشحنة Q والطاقة المخزنة W لمكثف ذي لوحين متوازيين تتحدث لحظيًا. افصل البطارية لترى الشحنة تبقى ثابتة بينما يتغير الجهد مع تغير أبعاد المكثف. وفي الشاشة الثانية يُشحن المكثف ثم يُحوَّل إلى التفريغ عبر مصباح، فتشاهد التيار والإضاءة يتناقصان أسيًا. وفي شاشة «العازل» تنزلق شريحة سماحيتها النسبية εᵣ بين اللوحين، مع مجس للمجال يقيس E = U/d وجدول يقارن C وQ وU وE وW بوجود الشريحة ودونها، عند U ثابت (البطارية موصولة) أو Q ثابتة (مفصولة). وتبيّن شاشة «المستشعرات» كيف يغيّر الإصبع على الشاشة اللمسية ومقياس التسارع MEMS سعةً تقيسها دائرة توقيت RC. مقتبسة من محاكاة "Capacitor Lab: Basics" من PhET Interactive Simulations، جامعة كولورادو بولدر (CC BY 4.0)؛ وأعيدت كتابتها.
الدرس: المكثفات والسعة الكهربائية
ماذا تعرض
يخزن المكثف ذو اللوحين المتوازيين شحنة Q = CU، وسعته C = ε₀εᵣS/d لا تتوقف إلا على أبعاده وعلى المادة الواقعة بين لوحيه. والمجال بين اللوحين منتظم، E = U/d. في شاشة «العازل» تملأ شريحةٌ الفجوةَ على جزء x من اللوحين، فتصبح C = ε₀S/d·[(1 − x) + εᵣx]. وعندما تكون البطارية موصولة يبقى U ثابتًا بينما تزداد Q وW؛ وعند فصلها تبقى Q ثابتة بينما تنخفض U وE وW. وتقيس شاشة «المستشعرات» زمن شحن قطب لمس أو مقياس تسارع MEMS عبر مقاوم، t = RC·ln 2. ويُهمل المجال الهامشي عند الحواف.
طريقة الاستخدام
في «السعة» غيّر S وd وU، واضغط «افصل البطارية» ثم غيّر S أو d مرة أخرى. في «المصباح» اضغط «التفريغ عبر المصباح». في «العازل» اختر «مادة الشريحة»، واسحب الشريحة أو منزلق «إدخال الشريحة x»، وحرّك المجس البرتقالي؛ وقارن الجدول والبطارية موصولة ثم مفصولة. في «المستشعرات» اختر «شاشة لمسية (إصبع)» أو «مقياس تسارع (MEMS)»، واسحب الإصبع أو الكتلة المرجعية.
المعاملات القابلة للتغيير
- الشاشة السعة, المصباح, العازل, المستشعرات
- مساحة كل لوح S 20–100 cm²
- المسافة بين اللوحين d 1–10 mm
- جهد البطارية U 0–12 V
- البطارية موصولة (شاشة السعة)
- الشحن من البطارية (شاشة المصباح؛ إلغاء التحديد = التفريغ عبر المصباح)
- إظهار الشحنات على اللوحين
- إظهار خطوط المجال الكهربائي
- إظهار الفولتميتر
- مادة الشريحة (شاشة العازل) الهواء (εᵣ = 1.0006), PTFE (εᵣ ≈ 2.1), الورق (εᵣ ≈ 3.7), الزجاج (εᵣ ≈ 6), الماء النقي (εᵣ ≈ 80), εᵣ مخصصة
- السماحية النسبية εᵣ (مادة مخصصة) 1–100
- إدخال الشريحة x (شاشة العازل) 0–100 %
- إظهار مجس المجال E (شاشة العازل)
- المستشعر (شاشة المستشعرات) شاشة لمسية (إصبع), مقياس تسارع (MEMS)
- ارتفاع الإصبع فوق الزجاج h 0–10 mm
- التسارع على امتداد المحور a -4–4 g
أسئلة للاستكشاف
- والبطارية مفصولة، كيف تتغير U وE وW عند إدخال شريحة زجاجية إدخالًا كاملًا؟
- لماذا يكون المجال E متساويًا في الهواء وفي الشريحة عندما تملأ الشريحة الفجوة؟
- لماذا يجعل الإصبع فوق الشاشة اللمسية زمن الشحن في دائرة RC أطول؟
