En ekte kondensator som matcher en kretskomponent

1 · Prediker

RC-lading kretseksperimentet bruker en idealisert kondensator på 0,01 F. Å bygge en ekte parallellplate-kondensator med så mye kapasitans ville kreve et umulig lite gap for vakuum — med mindre du stabler mange tynne dielektriske lag. Øker eller synker det totale kapasitansen å legge til flere lag?

• Flere lag synker kapasitansen.
• Flere lag øker kapasitansen — det er som å stable flere kondensatorers verdies ladningslagring i parallell.
• Antall lag påvirker ikke kapasitansen, bare det dielektriske materialet gjør det.

2 · Oppsett

1. Åpne plate-samme-C-i-krets-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. Denne kondensatoren bruker et høy-k dielektrikum (εr = 1000) for å fysisk realisere de samme 0,01 F som RC-lading kretseksperimentet.
2. Aktiver kapasitans-avlesningen.
3. For hvert forsøk, bruk det oppgitte antall lag (areal, avstand og εr holdt fast ved dette eksperimentets faktiske verdier) til å beregne den resulterende kapasitansen.

3 · Samle inn data

Plott kapasitans C (y-akse) mot antall lag N (x-akse) for dine tre forsøk. Er linjen rett gjennom origo?

4 · Analyser

1. For ett forsøk, beregn C = ε₀εrAN/d med ε₀ = 8,854×10⁻¹² F/m, εr = 1000, A = 0,01 m², d ≈ 8,854 µm (dette eksperimentets faste avstand). Sammenlign med tabellen. Bekreft at N = 1000 reproduserer den tilkoblede kretsens 0,01 F nøyaktig.
2. Forklar hvorfor å flette inn flere lag av dielektrikum (som en ekte flerlags keramisk kondensator) multipliserer den effektive kapasitansen, på samme måte som å stable kondensatorer i parallell ville gjort.

5 · Utvid

1. Ekte kondensatorer på 0.01 F («10 000 µF») finnes som kompakte komponenter du kan holde i hånden, takket være nøyaktig dette trikset: ekstremt tynne, tett rullede eller stablede lag av dielektrikum med høy permittivitet mellom enorme effektive platearealer. Forklar hvorfor en naiv design med ett lag og vakuum-gap aldri kunne oppnå dette i en liten pakning.
2. Denne kondensatorens spenning er satt til å matche RC-lading kretseksperimentets batteri-EMF nøyaktig. Hvorfor kan det være nyttig, når man underviser i kondensatorer, å vise den samme numeriske kapasitansen bygget på to måter — som et idealisert kretssymbol og som en fysisk realiserbar flerlagsenhet?

Fysikken bak dette eksperimentet

← Tilbake til eksperimentet

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark