Prawdziwy kondensator odpowiadający elementowi obwodu

1 · Prognoza

Eksperyment obwodowy rc-charging używa zidealizowanego kondensatora 0.01 F. Zbudowanie prawdziwego kondensatora płaskiego o takiej pojemności wymagałoby niemożliwie małej szczeliny próżniowej — chyba że ułożysz wiele cienkich warstw dielektryka. Czy dodanie większej liczby warstw zwiększa czy zmniejsza pojemność całkowitą?

• Więcej warstw zmniejsza pojemność.
• Więcej warstw zwiększa pojemność — to jak ułożenie magazynowania ładunku kilku kondensatorów równolegle.
• Liczba warstw nie wpływa na pojemność, tylko materiał dielektryka.

2 · Przygotowanie

1. Otwórz preset plate-same-c-in-circuit i naciśnij Reset. Ten kondensator używa dielektryka o wysokim k (εr = 1000), by fizycznie zrealizować te same 0.01 F co eksperyment rc-charging.
2. Włącz odczyt pojemności.
3. Dla każdej próby użyj podanej liczby warstw (pole, odstęp i εr utrzymane na rzeczywistych wartościach tego eksperymentu), by obliczyć wynikową pojemność.

3 · Zbieranie danych

Narysuj pojemność C (oś y) względem liczby warstw N (oś x) dla trzech prób. Czy prosta przechodzi przez początek układu?

4 · Analiza

1. Dla jednej próby oblicz C = ε₀εrAN/d, używając ε₀ = 8.854×10⁻¹² F/m; εr = 1000; A = 0.01 m²; d ≈ 8.854 µm (stały odstęp tego eksperymentu). Porównaj z tabelą. Potwierdź, że N = 1000 dokładnie odtwarza 0.01 F połączonego eksperymentu rc-charging.
2. Wyjaśnij, dlaczego przeplatanie większej liczby warstw dielektryka (jak w prawdziwym wielowarstwowym kondensatorze ceramicznym) mnoży skuteczną pojemność, tak samo jak równoległe łączenie kondensatorów.

5 · Rozszerzenie

1. Prawdziwe kondensatory 0.01 F („10 000 µF”) istnieją jako kompaktowe elementy mieszczące się w dłoni, właśnie dzięki tej sztuczce: ekstremalnie cienkie, ciasno zwinięte lub ułożone warstwy dielektryka o wysokiej przenikalności między ogromnymi skutecznymi polami płyt. Wyjaśnij, dlaczego naiwny projekt jednokondytorowy z próżniową szczeliną nigdy nie osiągnąłby tego w małej obudowie.
2. Napięcie tego kondensatora ustawiono dokładnie pod SEM baterii eksperymentu rc-charging. Dlaczego przy nauczaniu kondensatorów może być użyteczne pokazanie tej samej liczbowej pojemności zbudowanej na dwa sposoby — jako zidealizowany symbol obwodowy i jako fizycznie realny układ wielowarstwowy?

Fizyka tego eksperymentu

← Wróć do eksperymentu