Sähkömagnetismi

Sama C piirissä

Tämä levygeometria antaa saman C:n kuin RC-latausesiasetus virtapiireissä – avaa se nähdäksesi Q(t).

Sama C piirissä – interaktiivinen Sähkömagnetismi-simulaatio. Tämä levygeometria antaa saman C:n kuin RC-latausesiasetus virtapiireissä – avaa se nähdäksesi Q(t). Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Kapasitanssi piireissä

Tämä levygeometria antaa saman C:n kuin RC-latausesiasetus virtapiireissä – avaa se nähdäksesi Q(t).

Tämä rinnakkaislevygeometria käyttää pinta-alaa A ja väliä d siten, että C = ε₀A/d vastaa RC-latausesiasetusta virtapiireissä. Päällekkäinen kaavio näyttää V–R–C sarjassa lasketulla µF-arvolla. Paina Toista katsoaksesi kentän rakentuvan; avaa linkitetty virtapiiriesiasetus nähdäksesi Q(t) = CV(1 − e^(−t/RC)) samalle C:lle.

• C = ε₀A/d
• Q = CV

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

RC-latauspiirikoe käyttää ideaalistettua 0.01 F kondensaattoria. Todellisen rinnakkaislevykondensaattorin rakentaminen tuolla kapasitanssilla vaatisi mahdottoman pienen raon tyhjiölle – ellet pinota monia ohuita dielektrisiä kerroksia. Kasvattaako vai pienentääkö lisäkerrosten lisääminen kokonaiskapasitanssia?

Punniteltavat ennusteet

• Lisäkerrokset pienentävät kapasitanssia.
• Lisäkerrokset kasvattavat kapasitanssia – se on kuin pinottaisiin useiden kondensaattorien varauksen varastointia rinnakkain.
• Kerrosmäärä ei vaikuta kapasitanssiin, vain dielektrinen materiaali vaikuttaa.

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Kerrosten määrä N

Mitä mittaat:

• Kapasitanssi C (mF)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa levyt samalla C:llä piirissä -esiasetus ja paina Nollaa. Tämä kondensaattori käyttää korkean k:n dielektristä (εr = 1000) realisoidakseen fysikaalisesti saman 0.01 F:n kuin RC-latauspiirikoe.
2. Ota käyttöön kapasitanssin lukema.
3. Jokaiselle suoritukselle käytä annettua kerrosmäärää (pinta-ala, väli ja εr pidetään kiinteinä tämän kokeen todellisissa arvoissa) laskeaksesi syntyvän kapasitanssin.

Hallitseva yhtälö

Monikerroskapasitanssi — C = ε₀A/d

N dielektrisen kerroksen lomittaminen levyjen väliin moninkertaistaa yksikerroksisen kapasitanssin kertoimella N: C = ε₀εrAN/d. Näin todelliset kondensaattorit saavuttavat suuria kapasitanssiarvoja kompaktissa koossa.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle laske C = ε₀εrAN/d arvoilla ε₀ = 8.854×10⁻¹² F/m, εr = 1000, A = 0.01 m², d ≈ 8.854 µm (tämän kokeen kiinteä väli). Vertaa taulukkoon. Varmenna, että N = 1000 toistaa linkitetyn piirin 0.01 F:n täsmälleen.
• Selitä, miksi useampien dielektristen kerrosten lomittaminen (kuten todellisessa monikerroksisessa keraamisessa kondensaattorissa) moninkertaistaa efektiivisen kapasitanssin, samalla tavalla kuin kondensaattorien pinoaminen rinnakkain tekisi.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Todellisia 0.01 F (”10 000 µF”) kondensaattoreita on olemassa kompakteina komponentteina, jotka mahtuvat käteen, juuri tämän temppun ansiosta: erittäin ohut, tiukasti rullatut tai pinotut korkean permittiivisyyden dielektriset kerrokset valtavien efektiivisten levyjen pinta-alojen välillä. Selitä, miksi naiivi yksikerroksinen tyhjiörakosuunnittelu ei koskaan voisi saavuttaa tätä pienessä paketissa.
• Tämän kondensaattorin jännite on asetettu vastaamaan täsmälleen RC-latauspiirikokeen pariston EMF:ää. Miksi voi olla hyödyllistä, kun opetetaan kondensaattoreista, näyttää sama numeerinen kapasitanssi rakennettuna kahdella eri tavalla – ideaalistettuna piirisymbolina ja fysikaalisesti realisoituvana monikerroksisena laitteena?

• AP Physics 2 — Unit 10: Electric Force, Field, and Potential
• AP Physics C: Electricity and Magnetism — Unit 10: Conductors and Capacitors
• IB Physics — D.2 Electric and magnetic fields
• General High School Physics — Magnetism & electromagnetism
• NGSS High School Physics — Energy in particle motion and fields

1. Tervetuloa levyihin samalla C:llä piirissä
2. Valitse kondensaattori
3. Paina Toista
4. Kapasitanssi piirissä
5. Avaa Ominaisuudet-paneeli
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Kapasitanssi