خازن واقعیِ هم‌ارز یک جزء مداری

1 · پیش‌بینی

آزمایش مدار شارژ RC خازن ایده‌آل 0.01 F را به کار می‌برد. ساختن خازن صفحهٔ موازی واقعی با این ظرفیت برای خلأ به فاصله‌ای ناممکن کوچک نیاز داشت — مگر اینکه لایه‌های نازک دی‌الکتریک را بچینید. افزودن لایه‌های بیشتر، ظرفیت کل را زیاد یا کم می‌کند؟

• لایه‌های بیشتر ظرفیت را کم می‌کنند.
• لایه‌های بیشتر ظرفیت را زیاد می‌کنند — مثل به‌موازی‌چیدن چند خازنِ ذخیرهٔ بار.
• شمار لایه بر ظرفیت اثر ندارد، فقط جنس دی‌الکتریک دارد.

2 · آماده‌سازی

1. پیش‌تنظیمی plate-same-c-in-circuit را باز کنید و Reset را بفشارید. این خازن با عایق پرک (εr = 1000) همان 0.01 F آزمایش مداری rc-charging را به‌صورت فیزیکی محقق می‌کند.
2. قرائت ظرفیت را فعال کنید.
3. برای هر آزمایش، با شمار لایهٔ داده‌شده (مساحت، فاصله و εr ثابت بر مقدارهای واقعی همین آزمایش) ظرفیت حاصل را حساب کنید.

3 · گردآوری داده

برای سه آزمایش، ظرفیت C (محور y) را بر حسب شمار لایه N (محور x) رسم کنید. آیا خط از مبدأ صاف می‌گذرد؟

4 · تحلیل

1. برای یک آزمایش، C = ε₀εrAN/d را با ε₀ = 8.854×10⁻¹² F/m و εr = 1000 و A = 0.01 m² و d ≈ 8.854 µm (فاصلهٔ ثابت این آزمایش) حساب کنید. با جدول مقایسه کنید. تأیید کنید N = 1000 دقیقاً همان 0.01 F مدار پیوسته را بازتولید می‌کند.
2. توضیح دهید چرا میان‌چینی لایه‌های دی‌الکتریک بیشتر (مثل خازن سرامیکی چندلایهٔ واقعی) ظرفیت مؤثر را چند برابر می‌کند، همان‌طور که چیدن خازن‌ها به موازی می‌کرد.

5 · گسترش

1. خازن‌های واقعی 0.01 F (10,000 µF) به‌صورت قطعه‌ای جمع‌وجور که در دست جا می‌شود وجود دارند، دقیقاً به همین ترفند: لایه‌های بسیار نازک، محکم لوله‌شده یا چیده‌شده دی‌الکتریک پرتراوایی میان مساحت‌های مؤثر عظیم صفحه. توضیح دهید چرا طرح سادهٔ تک‌لایهٔ خلأ هرگز در بسته‌بندی کوچک به این نمی‌رسید.
2. ولتاژ این خازن دقیقاً بر نیروی محرکهٔ باتری آزمایش RC تنظیم شده. چرا هنگام آموزش خازن، نشان‌دادن همان ظرفیت عددی به دو شیوهٔ متفاوت — نماد مداریِ ایده‌آل و افزارهٔ چندلایهٔ فیزیکی‌ساختنی — سودمند است؟

فیزیک پشت این آزمایش

← بازگشت به آزمایش