Een echte condensator passend bij een schakelingscomponent

1 · Voorspel

Het schakelingsexperiment rc-charging gebruikt een geïdealiseerde condensator van 0.01 F. Een echte plaatcondensator bouwen met zoveel capaciteit zou voor vacuüm een onmogelijk kleine plaatafstand vragen — tenzij je vele dunne diëlektricumlagen stapelt. Verhoogt of verlaagt het toevoegen van meer lagen de totale capaciteit?

• Meer lagen verlagen de capaciteit.
• Meer lagen verhogen de capaciteit — het is als het parallel stapelen van de ladingopslag van meerdere condensatoren.
• Het aantal lagen beïnvloedt de capaciteit niet, alleen het diëlektrische materiaal doet dat.

2 · Opstelling

1. Open de voorinstelling plate-same-c-in-circuit en druk op Herstel. Deze condensator gebruikt een diëlektricum met hoge k (εr = 1000) om fysiek dezelfde 0.01 F te realiseren als in het schakelingsexperiment rc-charging.
2. Zet de capaciteitsaflezing aan.
3. Gebruik voor elke meting het gegeven aantal lagen (oppervlak, scheiding en εr vast op de werkelijke waarden van dit experiment) om de resulterende capaciteit te berekenen.

3 · Verzamel gegevens

Zet voor je drie metingen de capaciteit C (y-as) uit tegen het aantal lagen N (x-as). Is de lijn recht en door de oorsprong?

4 · Analyseer

1. Reken voor één meting C = ε₀εrAN/d uit met ε₀ = 8.854×10⁻¹² F/m, εr = 1000, A = 0.01 m², d ≈ 8.854 µm (de vaste scheiding van dit experiment). Vergelijk met de tabel. Controleer dat N = 1000 exact de 0.01 F van de gekoppelde schakeling reproduceert.
2. Leg uit waarom het tussenschuiven van meer diëlektricumlagen (zoals in een echte meerlaagse keramische condensator) de effectieve capaciteit vermenigvuldigt, net zoals condensatoren parallel stapelen zou doen.

5 · Verdiep

1. Echte condensatoren van 0.01 F ('10,000 µF') bestaan als compacte componenten die je in je hand houdt, dankzij precies dit trucje: extreem dunne, strak opgerolde of gestapelde lagen diëlektricum met hoge permittiviteit tussen enorme effectieve plaatoppervlakken. Leg uit waarom een naïef ontwerp met één vacuümspleet dit nooit in een klein pakket zou kunnen bereiken.
2. De spanning van deze condensator is zo ingesteld dat hij exact de EMF van de batterij in het schakelingsexperiment rc-charging evenaart. Waarom kan het bij het onderwijs over condensatoren nuttig zijn om dezelfde numerieke capaciteit op twee manieren gebouwd te laten zien — als een geïdealiseerd schakelingssymbool en als een fysiek realiseerbaar meerlaags apparaat?

De natuurkunde achter dit experiment

← Terug naar experiment

138 gratis printbare labwerkbladen voor natuurkunde