مكثف ذو لوحين متوازيين: تخزين الشحنة والطاقة
1 · توقّع
لمكثف اللوحين المتوازيين هندسة ثابتة (مساحة وفجوة). إذا زدت الجهد عبره، فهل تنمو الطاقة المخزنة بتناسب مباشر أم أسرع؟
- تنمو الطاقة المخزنة أسرع من الجهد — فهي تعتمد على مربع الجهد.
- الطاقة المخزنة متناسبة طرديًا مع الجهد.
- لا تعتمد الطاقة المخزنة على الجهد.
2 · التجهيز
- افتح مسبق اللوحين المتوازيين واضغط إعادة الضبط. مساحة اللوح = 0.05 m²، والبعد = 2 mm.
- فعّل قراءتي الشحنة والطاقة المخزنة.
- اضبط جهد اللوحين لكل تجربة وسجل الشحنة والطاقة المخزنتين.
3 · اجمع البيانات
| الجهد V (V) | السعة C (pF) | الشحنة المخزنة Q (nC) | الطاقة المخزنة U (nJ) |
|---|---|---|---|
| 6.00 | |||
| 12.00 | |||
| 18.00 |
ارسم الطاقة المخزنة U (المحور y) مقابل الجهد V (المحور x) لتجاربك الثلاث. هل المنحنى مستقيم أم ينحني صاعدًا؟
4 · حلّل
- لمحاولة واحدة، احسب C = ε₀A/d باستخدام A = 0.05 m² و d = 0.002 m (نفسها في كل محاولة)، ثم Q = CV و U = ½CV². قارن الثلاثة بالجدول.
- اشرح، باستخدام U = ½CV²، لماذا مضاعفة الجهد تربّع الطاقة المخزنة بدل مضاعفتها — رغم أن الشحنة المخزنة تتضاعف فقط.
5 · وسّع
- تعتمد السعة C = ε₀A/d على هندسة اللوحين فقط، لا على الجهد الذي تطبقه. اشرح لماذا يستطيع المكثف الأكبر فيزيائيًا (A أكبر أو d أصغر) تخزين شحنة أكبر عند الجهد نفسه.
- مزيل الرجفان الطبي يشحن مكثفًا إلى جهد مرتفع ثم يفّرغه عبر المريض في جزء من الثانية. باستخدام U = ½CV²، اشرح لماذا يستخدم الأطباء جهدًا مرتفعًا لا سعة مرتفعة لتوصيل الطاقة المطلوبة بسرعة.
الفيزياء خلف هذه التجربة
سعة اللوحين المتوازيين
لوحان موصلان متوازيان يفصل بينهما فراغ يخزنان شحنة تتناسب مع مساحتهما وعكسيًا مع بعديهما: C = ε₀A/d. الطاقة المخزنة هي U = ½CV² = ½QV.