Капацитет

Тилев: Имаме капацитет во институциите за маратонот до ЕУ (Може 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Капацитет

ДЦ струјни кругови


Питање 1

Напишите једначину која описује прецизну математичку везу између електричног набоја (К), капацитивности (Ц) и напона (В).

Открити одговор Сакриј одговор

Све што ћу открити овде је да је пуњење директно пропорционално и напону и капацитету. Ова једначина је једноставна за саму претрагу, истраживањем кроз различите уџбенике електронике!

Следеће питање: израчунајте количину пуњења ускладиштеног у кондензатору од 330 μФ напуњеном напоном од 12 волти.

Напомене:

Ово је једна од оних једначина о којима се обично дискутовало негде у првих неколико мјесеци основне едукације о електроници, а најчешће их је заборавило већина. Међутим, може бити веома корисно када се ради о пумпама за напајање и другим комутаторима комутираног кондензатора.

Питање 2

Како се брзина протока пуњења (струје) у и из кондензатора односи на количину напона преко својих терминала "// ввв.беаутицрев.цом.ау//суб.аллабоутцирцуитс.цом/имагес/куиз/00193к01.пнг ">

Открити одговор Сакриј одговор

Уместо да вам дамо одговор овде, дозволићу вам да то схватите сами. Веома пажљиво размишљајте о аналогији воде-у-суду приликом одговора на ово питање! Напуните чашу водом, ако је потребно, да бисте стекли интуитивно разумевање ових количина.

Напомене:

Постојање такве одговарајуће аналогије за акцију кондензатора чини објашњење непотребним, чак и ако се у почетку мало размишља о разумевању. Важно је да ученици јасно разликују количину струје, напона и напуњености у кондензаторском колу исто као што јасно разликују количину течности, брзину протока и запремину течности у хидрауличном систему.

Питање 3


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Један од основних принципа рачунања је процес који се зове интеграција . Овај принцип је важан за разумевање јер се манифестује у понашању капацитета. Срећом, постоје више познатих физичких система који такође манифестирају процес интеграције, што олакшава разумијевање.

Ако уведемо константан проток воде у цилиндрични резервоар са водом, ниво воде унутар тог резервоара ће се током времена повећавати константно:

Према условима рачуна, рекли смо да резервоар интегрише проток воде у висину воде. То значи да једна количина (проток) диктира стопу промјене у времену друге количине (висине).

Као резервоар за воду, електрични капацитети такође показују феномен интеграције у односу на време. Која електрична количина (напон или струја) диктира брзину промене током којег је друга количина (напон или струја) у капацитету "# 3"> Открити одговор Сакри одговор

У капацитету, напон је временски интеграл струје. То значи да примењена струја "кроз" кондензатор диктира брзину промјене напона преко кондензатора током времена.

Питање изазов: да ли можете да размислите о начину на који би могли да искористимо сличност капацитивне интеграције напона / струје како би симулирали понашање резервоара за воду или било који други физички процес описан истим математичким односом?

Напомене:

Концепт интеграције не мора бити сасвим сложен. Електрични феномени попут капацитивности и индуктивности могу послужити као одлични контексти у којима ученици могу истражити и разумјети апстрактне принципе рачунања. Количина времена које одлучите да посветите расправи о овом питању зависиће од тога колико су математички способни ваши ученици.

Надамо се да ће изазовно питање изазвати машту ваших ученика, јер схватају корисност електричних компоненти као аналогних за друге врсте физичких система.

Питање 4

Претпоставимо да су две жице, одвојене ваздушним јастуком, спојене на супротне прикључке на извору напона (као што је батерија). У простору између две жице се развија електрично поље: невидљива мрежа интеракције, слично на неки начин слична магнетном пољу. У овом дијаграму извуците невидљиве "линије флукса" за ово електрично поље, показујући њихов физички опсег:

Открити одговор Сакриј одговор

Следеће питање: објасните како се линије електричног флукса разликују у геометрији из линија магнетног флукса.

Напомене:

Студенти могу приметити да електрични водови флукса не прате исте стазе које би магнетне линије флукса могле. Док су магнетне линије флукса увек кружне, електричне линије флукса увек се прекидају између тачака.

Напомена својим ученицима о релевантности ове чињенице у заштити: за разлику од магнетних штитова који морају преусмерити неизбежне стазе линија магнетног флукса, електрични штитови могу да прекину линије електричног флукса.

Питање 5

Електрична поља се могу описати као "невидљиве мреже" интеракције између простора између електрично напуњених објеката. Већина људи треба да буде упозната са магнетским пољима од играња са магнетима као децом: снаге привлачности или одбијања које делују преко отвореног простора између два или више магнетних предмета. Али електрична поља нису једнака магнетним пољима. Две различите врсте поља врше снаге на потпуно другачијим објектима.

Дајте пример где електрично поље показује опипљиву физичку снагу, као и магнетна поља са којима смо сви упознати. Под којим условима су електрична поља довољно јака да људска бића открију без инструмента "# 5"> Открити одговор Сакриј одговор

"Статички прстен", где се одевни предмети привлаче једни другима након сушења у машини, примјер је електричног поља довољно јако да створи опипљиву, физичку привлачност на даљину. Други, сличан ефекат је то што је народна коса стајала на крају пре удара грома.

У оба случаја, које стање изазива такво јако електрично поље?

Напомене:

Електрична сила на терену се такође користи у неким прецизним инструментима за мерење напона ("електростатичка" промјера бројила), као и уобичајнији електроскоп . Ако имате случајно покретање електростатичког мерача или електроскоп на располагању у вашој учионици, користите га за демонстрирање физичких ефеката електричних поља.

Питање 6

Капацитет је веома важна особина у многим врстама електричних кола. Дефинишите шта је "капацитивност" и шта то узрокује.

Открити одговор Сакриј одговор

"Капацитет" је капацитет два одвојена проводника за складиштење енергије у облику електричног поља, што је резултат примијењеног напона. Такође можете наћи дефиницију "капацитета" која се односи на опозицију на промјену примијењеног напона током времена.

Капацитет је узрокован успостављањем електричног поља између два проводника.

Напомене:

Питајте учеснике на којој се јединици мјерне капацитивности изражава. Питајте их ако мисле да се капацитивност било ког одређеног пара проводника мијења са примјењеним напоном или складиштеном енергијом, или ако је капацитивност количина независна од одређених електричних услова.

Питање 7

Количина капацитета између два проводника може се израчунати према следећој једначини:

Ц = εА


д

Где,

Ц = Капацитет у Фарадс-у

ε = Пермититивност диелектрика (апсолутно)

А = област проводника, у квадратним метрима

д = раздаљина раздвајања, у метрима

Колико би далеко од једне стране биле две металне плоче, по 2 квадратна метра у свакој области, морају бити у циљу стварања капацитета од 1 μФ? Претпоставимо да су плоче одвојене ваздухом.

Открити одговор Сакриј одговор

Ако сте израчунали растојање у распону од 2 милиона метара (2 × 10 6 метара), направили сте честу грешку! Одговарајући одговор је 17.71 микрометара (17.71 × 10 -6 метара) или 0.01771 милиметара.

Напомене:

Овај проблем је пре свега алгебарска манипулација. Затим, то је само питање решавања за д са одговарајућим вредностима. Међутим, проналажење ε може бити тешко, и то је по дизајну: желим ученике да науче значај апсолутне диелектричности!

Питање 8

Капацитет постоји између било којег проводника одвојеног изолацијским медијумом. С обзиром на ову чињеницу, има смисла да ће дужина електричног кабла са два проводника имати природно капацитивност дуж дужине:

Требало би да постоји начин да се докаже постојање такве "лутке" капацитета у значајној дужини кабла са два проводника. Направите експеримент да то урадите.

Открити одговор Сакриј одговор

Природа капацитета за складиштење електричних наелектрисања, која се манифестује у облику статичког напона. Тестирање присуства спремљеног набоја између два проводника кабла би био један од начина да се докаже постојање капацитета унутар кабла. Оставићу детаље тестирања за складиштено електрично напајање за вас!

Напомене:

Сврха овог питања је да ученици размишљају критички и креативно о капацитету. Постоји више начина за тестирање капацитета у каблу, тако да студенти не ограничавају само на један метод!

Питање 9

Претпоставимо да желите да направите компоненту без икаквог другог разлога него да обезбедите капацитивност у електричном склопу ( кондензатор ). Како бисте могли да дизајнирате такав уређај како бисте извршили ову функцију, и како можете максимално повећати капацитете "# 9"> Открити одговор Сакри одговор

Допустићу вам да одредите како је кондензатор конструисан, из сопственог истраживања.

За повећање капацитета:

Повећајте површину плоче
Смањите размаке између плоча
Повећајте диелектрицу

Напомене:

Ови фактори који утичу на капацитивност су врло хипотетични када се ради о фиксним кондензаторима. На крају крајева, мало људи ће икада морати да дизајнира или изгради кондензатор. Међутим, ови фактори су веома практични и важни за разумевање када се ради о продорној капацитивности између проводника, гдје је постављање и постављање проводника у контролу оних који граде електрични систем!

Ови фактори су такође важни за разумевање за разумевање функције променљивих кондензатора. У разговору са ученицима обавезно унесите предмет променљивих кондензатора.

Питање 10

Шта је Леиден Јар, и како је његова изградња слична изградњи свих кондензатора ?

Открити одговор Сакриј одговор

"Леиден Јар" је уређај који користе рани експериментатори статичког електрицитета за чување електричних наелектрисања. Направљен је од стакленог јарца, постављеног изнутра и споља металном фолијом. Стакло изолује два слоја металне фолије једне од других и дозвољава складиштење електричног набоја, који се манифестује као напон између два фолија слоја.

Сви кондензатори имају заједничку карактеристику дизајна Леиден јаржа: одвајање две проводне плоче изолационим медијем.

Напомене:

Подстичите своје ученике да пронађу слику Леиден Јар или чак да изграде своје. Не може се рећи да функционална еквивалентност између кондензатора и тегле не постоји: складиштење пуњења у односу на супстанцу за чување!

Посуда није једини предмет који се може претворити у кондензатор. Алуминијумска фолија и папирни листови се такође могу користити за израду рудиментарног кондензатора. Да ли ваши ученици експериментишу са изградњом властитих кондензатора, посебно ако имају приступ мерачу капацитета који се може користити за упоређивање капацитета различитих дизајна.

Питање 11

Електрична поља, као и сва поља, имају двије основне мере: сила на терену и пољски ток . У кондензатору, која од ових поља је директно повезана са напоном између плоча, а која је директно повезана са количином наелектрисања (у куломовима) која је спремљена?

На основу ове везе, која количина електричног поља се мења када се стаклена фолија убаци између ова два метална плоча, повезана са извором константног напона?

Открити одговор Сакриј одговор

Фиелд форце је директна функција примијењеног напона, а пољски флукс је директна функција складиштеног набоја.

Ако се стаклена фолија убаци између две металне плоче повезане на константни извор напона, сила електричног поља између плоча остане непромењена, док ће се електрични ток поља повећати (а уз то и количина пуњења која се чува на плочама ).

Следеће питање: објасните како је варијабла електричне прозводности релевантна за описану ситуацију.

Напомене:

Концепт поља је сасвим апстрактан. Електрична поља су нарочито апстрактна јер се не могу тачно разумјети, бар не изван опасних нивоа напона. Магнетна поља која сви требају бити упознати са играњем са магнетима могу послужити као илустрација поља уопште, али је веома важно да студенти електротехнике и електронике схвате да су електро и магнетна поља два различита ентитета, иако су блиско повезана (према Максвеловим законима).

Питање 12

Чување електричног наелектрисања у кондензатору често се пореди са складиштењем воде у посуди:

Испуните ову аналогију, која се односи на електричне количине пуњења (К), напона (Е или В) и капацитета (Ц) на количине висине воде, запремине воде и димензија посуде.

Открити одговор Сакриј одговор

Електрични набој ≡ Запремина воде

Напон ≡ Висина колоне воде у суду

Капацитет ≡ Површина пловила, мерена на пресеку са хоризонталном равнином

Напомене:

Многи ученици сматрају ово корисном аналогијом кондензаторске акције. Али то помаже још више ако ученици раде заједно да граде аналогију и да то стварно разумеју.

Извршите неке "размишљене експерименте" са посудама различите величине, везујући исходе за пуњење складиштења у кондензаторима различите величине.

Питање 13

Претпоставимо да је маса повезана са витлом помоћу кабла, а особа окреће бубањ за винцх како би подигао масу са земље:

Физичар би вероватно погледао овај сценарио као примјер размјене енергије: особа која претвара бубањ троши енергију, која се, пак, складишти у маси у потенцијалном облику.

Претпоставимо да сада особа престане да окреће бубањ и уместо тога укључује механизам за кочење на бубњем тако да обрнути ротацију и полако дозвољава маси да се врати на ниво земље. Још једном физичар ће овај сценарио гледати као на размену енергије: маса сада ослобађа енергију, док механизам кочнице претвара ту ослобођену енергију у топлоту:

У сваком од горе наведених сценарија, нацртајте стрелице које приказују правце две силе: сила коју маса врши на бубњу, и сила коју бубањ врши на маси. Упоредите ове смерове сила са правцем кретања у сваком сценарију и објасните како се ове смјернице односе на масу и бубањ наизменично дјелујући као извор енергије и енергија.

Открити одговор Сакриј одговор

Питање за праћење: иако можда није очигледно, ово питање се блиско односи на размену енергије између компоненти у електричним колу! Објасни ову аналогију.

Напомене:

Студенти обично проналазе концепт протока енергије збуњујући у односу на електричне компоненте. Покушавам да овај концепт буде јаснији коришћењем механичких аналогија, у којима сила и кретање делују као аналогне величине напону и струји (или виза).

Питање 14

Напишите смер струје у овом кругу, а такође идентификујте поларитет напона преко батерије и преко отпорника. Затим упоредите поларитет батерије са смером струје кроз њега и поларитетом отпорника са правцем струје кроз њега.

Шта приметите о односу између поларитета напона и тренутног правца за ова два различита типа компоненти "# 14"> Открити одговор Сакри одговор

Овдје ћу показати одговор у два различита облика: струја приказана као проток електрона (лијево) и струја приказана као конвенционални проток (удесно).

Без обзира на коју ознаку изаберете да пратите у својој анализи кругова, разумевање би требало да буде иста: разлоги напона поларитета преко отпорника и батерије разликују се упркос истом правцу струје кроз оба је ток снаге. Батерија делује као извор, а отпорник делује као оптерећење .

Напомене:

Ова врста разликовања је веома важна у проучавању физике, гдје се мора одредити да ли механички систем ради или да се ради на њему . Јасно разумевање односа између поларитета напона и тренутног правца за изворе и оптерећења је веома важно за студенте који имају пре него што проуче реактивне уређаје као што су индуктор и кондензатори!

Питање 15

Претпоставимо да је кондензатор директно повезан са изворима подесивог напона, а напон тог извора се временом повећава . Знамо да ће растући напон преко кондензатора произвести електрично поље повећања снаге. Да ли ово повећање електричног поља чини акумулацију енергије у кондензатору или ослобађање енергије из кондензатора "// ввв.беаутицрев.цом.ау//суб.аллабоутцирцуитс.цом/имагес/куиз/00190к01.пнг">

Сада, претпоставимо да се подесиви извор напона стално смањује током времена. Знамо да ће то довести до електричног поља смањења снаге у кондензатору. Да ли ово смањење електричног поља чини акумулацију енергије у кондензатору или ослобађање енергије од кондензатора? У овом сценарију, да ли кондензатор делује као оптерећење или као извор електричне енергије?

За сваки од ових сценарија означите смер струје у кругу.

Открити одговор Сакриј одговор

Како се напонски напон повећава, кондензатор делује као оптерећење, акумулирајући додатну енергију из извора напона. Делујући као оптерећење, струја која пролази кроз "кондензатор" ће бити у истом правцу као и кроз отпорник.

Како се напонски напон смањује, кондензатор делује као извор, ослобађајући акумулирану енергију до остатка кола, као да је сам напонски извор већег напона. Делујући као извор, тренутни кондензатор ће се кретати у истом правцу као и батерија, напајањем оптерећења.

Напомене:

Релирање смера струје у кондензатору до промјене примјењеног напона током времена је комплексан концепт за многе студенте. Будући да укључује стопе промјене током времена, то је одлична прилика за увођење концепата рачунара ((д / дт)).

Витално важно за концептуално схватање ученика кондензатора који је изложен повећању или смањењу напона је разлика између извора електричне енергије у односу на оптерећење . Студенти требају размишљати о "батерији" и "отпорнику", односно приликом одређивања везе између правца струје и напона. Компликовани аспект кондензатора (и индуктора!) Је тај што могу заменити карактер у тренутку, од тога да буду извор енергије за оптерећење и виза. Веза није фиксирана као што је то за отпорнике, који су увек енергетски оптерећени .

Питање 16


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Охмов закон нам говори да се струја кроз фиксни отпор може израчунати као таква:

И = Е


Р

Такође можемо изразити овај однос у смислу проводљивости, а не отпорности, знајући да је Г = 1 / Р :

И = ЕГ

Међутим, однос између струје и напона за фиксну капацитивност је сасвим другачији. Формула "Охм'с Лав" за кондензатор је таква:

и = Ц де


дт

Који значај има у употреби варијабли мале величине за струју (и) и напон (е) "# 16"> Открити одговор Сакри одговор

Мале варијабле представљају тренутне вредности, за разлику од просјечних вриједности. Израз (де / дт), који такође може бити написан као (дв / дт), представља тренутну брзину промјене напона током времена .

Следеће питање: манипулисати овом једначином да реши друге две варијабле ((де / дт) =

.

; Ц =

.

).

Напомене:

Открио сам да су теме капацитивности и индуктивности одлични контексти у којима се студентима упознају основни принципи рачунања. Време које трошите да дискутујете о овом питању и оваквим питањима ће се разликовати у зависности од математичких способности ученика.

Чак и ако ваши ученици нису спремни да истражују рачун, и даље је добра идеја да разговарамо о томе како однос између струје и напона за капацитивност укључује вријеме . Ово је радикално одступање од временске независне природе отпорника и Охмовог закона!

Питање 17

Завршите ову изјаву заменом исправних електричних варијабли (напон, струја, отпорност, капацитивност):

Кондензатори се супротстављају промјенама у ( попуњавању-затварању ), реагујући на такве промјене стварањем ( попуњавање-празно ).
Открити одговор Сакриј одговор

Кондензатори се противе променама напона, реагују на такве промене стварањем струје .

Напомене:

Нагласите својим ученицима да је капацитивност у суштини реактивна својина, супротстављајући промену напона током времена. Није стабилан напон на који кондензатори реагују, само променом напона.

Питање 18

Електрични капацитети имају блиску механичку аналогију: еластичност . Објасните шта појам "еластичност" значи за механичку опругу, и како су количине брзине и силе која се примењују на опругу, односно аналогне струје и напону примењене на капацитивност.

Открити одговор Сакриј одговор

Како је опруга компримована константном брзином, количина силе реакције која се генерише повећава линеарно:

в = 1


к

дФ


дт

Где,

в = брзина компресије опруге

к = пролећна "крутост" константа

Ф = сила реакције која се генерише компресијом опруге

т = време

На сличан начин, чиста капацитета која доживљава константну струју показује константну брзину промјене напона током времена:

и = Ц де


дт

Напомене:

Напомена својим ученицима да су пролећна крутост (к) и капацитивност (Ц) обрнуто пропорционална једна другој у овој аналогији.

Објасните својим ученицима како су сличности између инерције и капацитета толико близу, да се кондензатори могу користити за електрично моделирање механичких извора!

Питање 19


∫ф (к) дк Упозорење о прорачуну!


Кондензатори чувају енергију у облику електричног поља. Можемо израчунати енергију која се чува у капацитету интегришући производ напона кондензатора и кондензаторске струје (П = ИВ) током времена, јер знамо да је снага стопа на којој се врши рад (В) и количина завршеног посла на кондензатор који је преузима од нултог напона до неког нула нулте количине напона чини складиштена енергија (У):

П = дВ


дт

дВ = П дт

У = В =╥ ╥ П дт

Нађите начин за замјену капацитивности (Ц) и напона (В) у интегранду, тако да можете интегрирати како бисте пронашли једначину која описује количину енергије која је сачувана у кондензатору за било коју дату вредност капацитета и напона.

Открити одговор Сакриј одговор

У = 1


2

ЦВ 2

Напомене:

Интеграцију која је потребна за добијање одговора се најчешће налази у уџбеницима физике заснованим на рачуну и представља лаку интеграцију (повер повер).

  • ← Претходни радни лист

  • Индек листова

  • Следећи радни лист →