En rigtig kondensator, der matcher en kredskomponent

1 · Forudsig

Kredseksperimentet rc-charging bruger en idealiseret 0.01 F-kondensator. At bygge en rigtig pladekondensator med så meget kapacitans ville kræve en umulig lille afstand i vakuum — medmindre man stak mange tynde dielektriske lag. Gør flere lag den samlede kapacitans større eller mindre?

• Flere lag sænker kapacitansen.
• Flere lag øger kapacitansen — det svarer til at stable ladningslagringen fra flere kondensatorer parallelt.
• Antallet af lag påvirker ikke kapacitansen, kun dielektrikmaterialet gør.

2 · Opsætning

1. Åbn forudstillingen plate-same-c-in-circuit, og tryk på Nulstil. Denne kondensator bruger et dielektrikum med høj k (εr = 1000) for fysisk at realisere de samme 0.01 F som i rc-charging-kredseksperimentet.
2. Slå kapacitansaflæsningen til.
3. Brug for hvert forsøg det givne antal lag (areal, afstand og εr holdt fast på dette eksperiments faktiske værdier) til at beregne den resulterende kapacitans.

3 · Saml data

Afbild kapacitans C (y-aksen) mod antal lag N (x-aksen) for dine tre forsøg. Er linjen ret og går gennem nulpunktet?

4 · Analysér

1. Beregn for ét forsøg C = ε₀εrAN/d med ε₀ = 8.854×10⁻¹² F/m, εr = 1000, A = 0.01 m², d ≈ 8.854 µm (dette eksperiments faste afstand). Sammenlign med tabellen. Bekræft, at N = 1000 præcis gengiver den koblede kreds' 0.01 F.
2. Forklar, hvorfor flere indskudte lag dielektrikum (som i en rigtig flerlags keramisk kondensator) multiplicerer den effektive kapacitans, på samme måde som parallelt stabblede kondensatorer ville.

5 · Udvid

1. Rigtige 0.01 F-kondensatorer ('10.000 µF') findes som kompakte komponenter, du kan holde i hånden, takket være netop dette trick: ekstremt tynde, tæt rullede eller stablede lag af højpermittivt dielektrikum mellem enorme effektive pladearealer. Forklar, hvorfor et naivt ét-lags vakuumdesign aldrig kunne opnå dette i en lille pakke.
2. Denne kondensators spænding er sat til at matche rc-charging-kredseksperimentets batteri-EMF præcis. Hvorfor kan det være nyttigt, når man underviser om kondensatorer, at vise den samme numeriske kapacitans bygget på to måder — som et idealiseret kredssymbol og som en fysisk realiserbar flerlagsenhed?

Fysikken bag dette eksperiment

← Tilbage til eksperimentet

138 gratis printbare fysik-labark