capacitanță

GM328 Transistor Tester Diode LCR ESR Meter PWM Square Wave Generator (Iunie 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

capacitanță

DC Circuite electrice


Intrebarea 1

Scrieți o ecuație care descrie relația matematică precisă între sarcina electrică (Q), capacitatea (C) și tensiunea (V).

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Tot ce voi dezvălui aici este că încărcarea este direct proporțională atât cu tensiunea, cât și cu capacitatea. Această ecuație este ușor de găsit pe cont propriu, prin cercetarea prin diferite manuale electronice!

Următoarele întrebări: calculați cantitatea de încărcare stocată într-un condensator de 330 μF încărcat cu o tensiune de 12 volți.

Note:

Aceasta este una dintre acele ecuații discutate de obicei undeva în primele câteva luni ale educației electronice de bază și uitată de cele mai multe ori. Acesta poate fi foarte util, cu toate acestea, atunci când se ocupă cu pompe de încărcare și alte circuite comutate-condensator.

intrebarea 2

Cum rata debitului (curentului) de sarcină în și din condensator se referă la cantitatea de tensiune pe bornele sale "/ / www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00193x01.png „>

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Mai degrabă decât să vă dau un răspuns aici, vă voi lăsa să vă dați seama de asta. Gândiți-vă foarte atent la analogia apă-în-a-navă atunci când răspundeți la această întrebare! Umpleți un pahar cu apă, dacă este necesar, pentru a obține o înțelegere intuitivă a acestor cantități.

Note:

Existența unei astfel de analogii potrivite pentru acțiunea condensatorului face ca o explicație să fie inutilă, chiar dacă conceptul are nevoie să se înțeleagă la început. Este important ca studenții să distingă în mod clar cantitățile de curent, de tensiune și de încărcare într-un circuit de condensator, în măsura în care diferențiază în mod clar cantitățile de înălțime, debit și volum lichid într-un sistem hidraulic.

Întrebarea 3


∫f (x) dx Alertă de calcul!


Unul dintre principiile fundamentale ale calculului este un proces numit integrare . Acest principiu este important de înțeles, deoarece se manifestă în comportamentul capacității. Din fericire, există mai multe sisteme fizice familiare care manifestă, de asemenea, procesul de integrare, făcându-l mai ușor de înțeles.

Dacă introducem un flux constant de apă într-un rezervor cilindric cu apă, nivelul apei din rezervorul respectiv va crește cu o rată constantă în timp:

În termeni de calcul, am spune că rezervorul integrează fluxul de apă în înălțimea apei. Adică, o cantitate (debit) dictează viteza de schimbare în timp a unei alte cantități (înălțime).

Ca și rezervorul de apă, capacitatea electrică prezintă, de asemenea, fenomenul de integrare în timp. Ce cantitate electrică (tensiune sau curent) dictează viteza de schimbare în timp a cărei altă cantitate (tensiune sau curent) într-o capacitate "# 3"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Într-o capacitate, tensiunea este timpul integrat al curentului. Adică, curentul aplicat "prin" condensator dictează viteza de schimbare a tensiunii pe condensator în timp.

Întrebare la întrebare: vă puteți gândi la o modalitate prin care să putem exploata similitudinea integrării capacitive de tensiune / curent pentru a simula comportamentul umplerii rezervorului de apă sau orice alt proces fizic descris de aceeași relație matematică?

Note:

Conceptul de integrare nu trebuie să fie extrem de complex. Fenomenele electrice, cum ar fi capacitatea și inductanța, pot servi drept contexte excelente în care elevii pot explora și înțelege principiile abstracte ale calculului. Timpul pe care îl alegeți să-l dedicați unei discuții la această întrebare va depinde de modul în care sunt adepți matematici elevii.

Sperăm că întrebarea provocată va agita imaginația studenților dvs., deoarece ei își dau seama de utilitatea componentelor electrice ca analogi pentru alte tipuri de sisteme fizice.

Întrebarea 4

Să presupunem că două fire, separate printr-un spațiu de aer, sunt conectate la borne opuse pe o sursă de tensiune (cum ar fi o baterie). Un câmp electric se va dezvolta în spațiul dintre cele două fire: o rețea invizibilă de interacțiune, similară într-un fel cu un câmp magnetic. În această diagramă, trageți "liniile de flux" invizibile pentru acest câmp electric, arătându-le domeniul fizic:

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarea întrebare: explicați modul în care liniile de flux electric diferă în geometrie de liniile fluxului magnetic.

Note:

Elevii pot observa că liniile electrice de flux nu urmăresc aceleași căi pe care le-ar avea liniile magnetice de flux. Dacă liniile magnetice de flux sunt întotdeauna circulare, liniile electrice de flux se termină întotdeauna între puncte.

Notați studenților dvs. relevanța acestui fapt în ecranare: spre deosebire de scuturile magnetice care trebuie să devieze căile inevitabile ale liniilor fluxului magnetic, scuturile electrice pot capta liniile de flux electric.

Întrebarea 5

Câmpurile electrice pot fi descrise ca "panouri invizibile" de interacțiune între spațiul dintre obiectele încărcate electric. Majoritatea oamenilor ar trebui să fie familiarizați cu câmpurile magnetice de a juca cu magneți ca copii: forțele de atracție sau repulsie care acționează în spațiul deschis între două sau mai multe obiecte magnetice. Dar câmpurile electrice nu sunt aceleași cu câmpurile magnetice. Cele două tipuri diferite de câmpuri exercită forțe asupra unor obiecte complet diferite.

Dați un exemplu în care un câmp electric manifestă o forță fizică tangibilă, ca și câmpurile magnetice cu care suntem cu toții familiarizați. În ce condiții sunt câmpurile electrice suficient de puternice pentru a detecta ființele umane fără instrumentele "# 5"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

"Atașarea statică", în cazul în care articolele de îmbrăcăminte sunt atrase unul după celălalt după ce au fost uscate într-o mașină, este un exemplu de câmp electric suficient de puternic pentru a produce atracție fizică tangibilă și fizică pe o distanță. Un alt efect asemănător este acela al părului popoarelor care se află pe capăt înainte de o lovitură de trăsnet.

În ambele cazuri, ce condiție cauzează dezvoltarea unui astfel de câmp electric puternic?

Note:

Forța electrică a câmpului este utilizată și în unele instrumente de măsurare a tensiunii de precizie (mișcări electromecanice "electrostatice"), precum și în electroscopul obișnuit. Dacă întâmpinați fie o mișcare electrostatică, fie un electroscop disponibil în clasă, utilizați-l pentru a demonstra efectele fizice ale câmpurilor electrice.

Întrebarea 6

Capacitatea este o proprietate foarte importantă în multe tipuri de circuite electrice. Definiți ce este "capacitatea" și ce o cauzează.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

"Capacitate" este capacitatea a doi conductori separați de a stoca energia sub forma unui câmp electric, care rezultă dintr-o tensiune aplicată. De asemenea, puteți găsi o definiție a "capacității" declarată în termeni de opoziție față de schimbarea tensiunii aplicate în timp.

Capacitatea este cauzată de crearea unui câmp electric între doi conductori.

Note:

Întrebați elevii ce unitate de capacitate de măsurare este exprimată în. De asemenea, întrebați-i dacă cred că capacitatea oricărei perechi de conductori se schimbă cu tensiunea aplicată sau energia stocată sau dacă capacitatea este o cantitate independentă de anumite condiții electrice.

Întrebarea 7

Cantitatea de capacitate dintre doi conductoare poate fi calculată prin următoarea ecuație:

C = εA


d

Unde,

C = Capacitate în Farads

ε = Permiterea dielectrică (absolută)

A = Suprafața conductorului, în metri pătrați

d = distanța de separare, în metri

Cât de departe unul de celălalt ar trebui să fie două plăci metalice, de câte 2 metri pătrați în fiecare zonă, pentru a crea o capacitate de 1 μF? Să presupunem că plăcile sunt separate de aer.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Dacă ați calculat o distanță de ordinul a 2 milioane de metri (2 × 10 6 metri), ați făcut o greșeală comună! Răspunsul adecvat este de 17, 71 micro-metri (17, 71 × 10 -6 metri) sau 0, 01771 milimetri.

Note:

Această problemă este în primul rând un exercițiu de manipulare algebrică. Apoi, este doar o chestiune de rezolvare pentru d având valori corecte. Găsirea e ar putea fi dificilă, totuși, și aceasta este prin design: vreau elevii să învețe semnificația permitivității absolute !

Întrebarea 8

Capacitatea există între oricare două conductoare separate printr-un mediu izolator. Având în vedere acest fapt, este logic ca o lungime a cablului electric cu două conductori să aibă o capacitate distribuită natural pe toată lungimea sa:

Ar trebui să existe o modalitate de a demonstra existența unei astfel de capacități "înfricoșătoare" într-o lungime substanțială a cablului cu două conductoare. Stabiliți un experiment pentru a face acest lucru.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Este natura capacității de stocare a sarcinilor electrice, care se manifestă sub formă de tensiune statică. Testarea prezenței unei încărcări stocate între cei doi conductori ai unui cablu ar fi o modalitate de a dovedi existența capacității în interiorul cablului. Voi lăsa detaliile testelor pentru o încărcare electrică stocată pentru tine!

Note:

Scopul acestei întrebări este de ai face pe elevi să gândească critic și creativ despre capacitate. Există mai multe modalități de a testa capacitatea într-un cablu, deci nu limitați elevii la o singură metodă!

Întrebarea 9

Să presupunem că ați dorit să construiți o componentă care nu are alt scop decât să asigure capacitatea într-un circuit electric (un condensator ). Cum puteți proiecta un astfel de dispozitiv pentru a efectua această funcție și cum puteți maximiza capacitatea sa "# 9"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Vă voi lăsa să determinați cum este construit un condensator, de la propria dvs. cercetare.

Pentru a crește capacitatea:

Creșteți zona plăcii
Reduceți spațiul dintre plăci
Creșteți permitivitatea dielectricului

Note:

Acești factori care afectează capacitatea sunt foarte ipotetici atunci când se ocupă cu condensatori cu valoare fixă. La urma urmei, puțini oameni vor trebui vreodată să proiecteze sau să construiască un condensator. Cu toate acestea, acesti factori sunt foarte practice si importante pentru a intelege atunci cand se ocupa cu capacitatile fara stapan intre conductori, unde layout-ul conductorului si plasarea sunt bine sub controlul celor care construiesc un sistem electric!

Acești factori sunt, de asemenea, importanți pentru a înțelege pentru a înțelege funcția condensatoarelor variabile. Asigurați-vă că aduceți subiectul condensatoarelor variabile în discuția cu elevii.

Întrebarea 10

Ce este un Leyden Jar, și cum se construiește similar cu construcția tuturor condensatoarelor ?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Un "Leyden Jar" este un dispozitiv folosit de experimentatorii timpurii ai electricității statice pentru a stoca încărcăturile electrice. Este fabricat dintr-un borcan de sticlă, căptușit în interior și în exterior cu folie metalică. Sticla izolează cele două straturi de folie metalică unul de altul și permite stocarea încărcăturii electrice, manifestată ca o tensiune între cele două straturi de folie.

Toate condensatoarele au o caracteristică comună de design a borcanelor Leyden: separarea a două plăci conductoare de un mediu izolant.

Note:

Încurajați-i pe studenți să găsească o fotografie a unui Jar Leyden sau chiar să-și construiască propriile lor. Nu putem să nu observăm echivalența funcțională între un condensator și un borcan: stocarea încărcăturii față de substanța de stocare!

Un borcan nu este singurul obiect care poate fi transformat într-un condensator. Folia de aluminiu și foile de hârtie pot fi, de asemenea, folosite pentru a face un condensator rudimentar. Solicitați elevilor să experimenteze cu construirea propriilor condensatori, mai ales dacă au acces la un contor de capacități care poate fi folosit pentru a compara capacitatea diferitelor modele.

Întrebarea 11

Câmpurile electrice, ca toate câmpurile, au două măsuri fundamentale: forța câmpului și fluxul de câmp. Într-un condensator, care dintre aceste cantități de câmp este direct legată de tensiunea dintre plăci și care este direct legată de cantitatea de încărcare (în cilobi) stocată?

Pe baza acestei relații, care cantitate de câmp electric se schimbă atunci când o placă de sticlă este introdusă între aceste două plăci metalice, conectată la o sursă de tensiune constantă?

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Forța câmpului este o funcție directă a tensiunii aplicate, iar fluxul de câmp este o funcție directă a încărcării stocate.

Dacă o placă de sticlă este introdusă între două plăci metalice conectate la o sursă de tensiune constantă, forța de câmp electric între plăci va rămâne neschimbată, în timp ce fluxul de câmp electric va crește (și, împreună cu acesta, cantitatea de încărcare stocată pe plăci ).

Următoarele întrebări: explicați modul în care variabila permitivității electrice este relevantă pentru situația descrisă.

Note:

Conceptul de teren este destul de abstract. În special, câmpurile electrice sunt abstracte deoarece nu pot fi percepute în mod tangibil, cel puțin în afara nivelurilor de tensiune periculoase. Câmpurile magnetice, pe care toată lumea ar trebui să le cunoască din jocul cu magneți, pot servi drept o ilustrare a domeniilor în general, dar este foarte important ca studenții de electricitate și electronică să înțeleagă că câmpurile electrice și magnetice sunt două entități diferite, (prin legile lui Maxwell).

Întrebarea 12

Stocarea încărcăturii electrice într-un condensator este adesea asemănătoare cu stocarea apei într-un vas:

Completați această analogie, referindu-se la cantitățile electrice de sarcină (Q), de tensiune (E sau V) și de capacitate (C) la cantitățile de înălțime a apei, volumul apei și dimensiunile vasului.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Încărcare electrică ≡ Volumul apei

Voltaj ≡ Înălțimea coloanei de apă în navă

Capacitate ≡ Zona vasului, măsurată pe o secțiune transversală cu un plan orizontal

Note:

Mulți studenți găsesc această analogie utilă a acțiunii condensatorului. Dar ajută și mai mult dacă elevii lucrează împreună pentru a construi analogia și a înțelege cu adevărat.

Efectuați câteva "experimente gândite" cu nave de mărime diferită, referindu-se la rezultatele încărcării în condensatoare de dimensiuni diferite.

Întrebarea 13

Să presupunem că o masă este conectată la un troliu cu ajutorul unui cablu și o persoană transformă tamburul pentru a ridica masa de pe sol:

Un fizician ar putea privi probabil acest scenariu ca un exemplu de schimb de energie: persoana care transformă tamburul consumă energie, care la rândul său este stocată în masă în formă potențială.

Să presupunem că persoana se oprește să rotească tamburul și, în schimb, angajează un mecanism de frână pe tambur, astfel încât să inverseze rotația și permite lentului să se întoarcă la nivelul solului. Încă o dată, un fizician va vedea acest scenariu ca un schimb de energie: masa acum eliberează energie, în timp ce mecanismul de frânare convertește care eliberează energia în căldură:

În fiecare dintre scenariile de mai sus, trageți săgeți reprezentând direcțiile a două forțe: forța pe care masa o exercită asupra tamburului și forța pe care toba o exercită asupra masei. Comparați aceste direcții de forță cu direcția mișcării în fiecare scenariu și explicați modul în care aceste direcții se referă la masa și tamburul acționând alternativ ca sursă de energie și sarcină energetică.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Următoarele întrebări: deși nu este evident, această întrebare se referă îndeaproape la schimbul de energie între componentele circuitelor electrice! Explicați această analogie.

Note:

Elevii afișează de obicei conceptul de flux energetic confuz în ceea ce privește componentele electrice. Încerc să clarific acest concept folosind analogii mecanice, în care forța și mișcarea acționează ca valori analoge la tensiune și curent (sau viza-versa).

Întrebarea 14

Desenați direcția curentului în acest circuit și identificați, de asemenea, polaritatea tensiunii pe baterie și pe întreaga rezistență. Apoi, comparați polaritatea bateriei cu direcția curentului prin ea și polaritatea rezistorului cu direcția curentului prin ea.

Ce observi despre relația dintre polaritatea tensiunii și direcția curentă pentru aceste două tipuri diferite de componente "# 14"> Răspuns dezvălui Ascunde răspunsul

Aici arat raspunsul in doua forme diferite: curentul aratat ca flux electronic (stanga) si curent aratat ca flux conventional (dreapta).

Indiferent de notația pe care o alegeți să o urmați în analiza circuitelor, înțelegerea ar trebui să fie aceeași: motivul pentru care polaritățile de tensiune pe rezistența și bateria diferă, în ciuda aceleiași direcții de curent prin ambele este fluxul de putere. Acumulatorul acționează ca o sursă, în timp ce rezistența acționează ca o sarcină .

Note:

Acest tip de distincție este foarte important în studiul fizicii, de asemenea, în cazul în care trebuie să se determine dacă un sistem mecanic este de lucru sau dacă se lucrează la ea . O înțelegere clară a relației dintre polaritatea tensiunii și direcția actuală a surselor și încărcărilor este foarte importantă pentru elevii să aibă înainte de a studia dispozitive reactive, cum ar fi inductori și condensatori!

Întrebarea 15

Să presupunem că un condensator este conectat direct la o sursă de tensiune reglabilă, iar tensiunea sursei respective crește constant în timp. Știm că o creștere a tensiunii pe un condensator va produce un câmp electric de creștere a rezistenței. Această creștere a câmpului electric reprezintă o acumulare de energie în condensator sau o eliberare a energiei din condensator? "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/00190x01.png">

Acum, să presupunem că sursa de tensiune reglabilă scade constant în timp. Știm că acest lucru va duce la un câmp electric de scădere a puterii în condensator. Această scădere a câmpului electric reprezintă o acumulare de energie în condensator sau o eliberare de energie din condensator? În acest scenariu, condensatorul acționează ca încărcătură sau ca sursă de energie electrică?

Pentru fiecare dintre aceste scenarii, etichetați direcția curentului în circuit.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Pe măsură ce tensiunea aplicată crește, condensatorul acționează ca o sarcină, acumulând energie suplimentară din sursa de tensiune. Acționând ca o sarcină, curentul "prin" condensator va fi în aceeași direcție ca și printr-un rezistor.

Pe măsură ce tensiunea aplicată scade, condensatorul acționează ca sursă, eliberând energia acumulată în restul circuitului, ca și cum ar fi o sursă de tensiune superioară de tensiune superioară. Acționând ca sursă, curentul care trece prin condensator va fi în aceeași direcție ca și prin intermediul unei baterii, alimentând o sarcină.

Note:

Legarea direcției curentului într-un condensator la o schimbare a tensiunii aplicate în timp este un concept complex pentru mulți studenți. Deoarece implică rate de schimbare în timp, este o oportunitate excelentă de a introduce concepte de calcul ((d / dt)).

O importanță vitală pentru înțelegerea conceptuală a studenților cu privire la un condensator expus tensiunilor crescătoare sau descrescătoare este distincția dintre o sursă de energie electrică și o sarcină . Elevii trebuie să se gândească la "baterie" și la "rezistență", respectiv la determinarea relației dintre direcția curentului și căderea de tensiune. Aspectul complicat al condensatoarelor (și inductorilor!) Este că ele pot schimba caracterul într-o clipă, de la a fi o sursă de energie la a fi o încărcătură, și de la o viză la alta. Relația nu este fixă, așa cum este pentru rezistoare, care sunt întotdeauna încărcături de energie.

Întrebarea 16


∫f (x) dx Alertă de calcul!


Legea lui Ohm ne spune că cantitatea de curent printr-o rezistență fixă ​​poate fi calculată ca atare:

I = E


R

De asemenea, am putea exprima această relație mai degrabă în termeni de conductivitate decât de rezistență, știind că G = 1 / R :

I = EG

Cu toate acestea, relația dintre curent și tensiune pentru o capacitate fixă ​​este destul de diferită. Formula "Legii Ohm" pentru un condensator este ca atare:

i = C de


dt

Ce semnificație există în utilizarea variabilelor minuscule pentru curentul (i) și tensiunea (e) "# 16"> Răspuns dezvăluiți Ascunde răspunsul

Variabilele cu valoare mică reprezintă valori instantanee, spre deosebire de valorile medii. Expresia (de / dt), care poate fi de asemenea scrisă ca (dv / dt), reprezintă rata instantanee de schimbare a tensiunii în timp .

Următoarea întrebare: manipulați această ecuație pentru a rezolva celelalte două variabile ((de / dt) =

.

; C =

.

).

Note:

Am constatat că subiectele de capacitate și inductanță sunt contexte excelente în care să se introducă studenților principii fundamentale de calcul. Timpul petrecut în discutarea acestei întrebări și întrebări asemănătoare vor varia în funcție de abilitățile matematice ale elevilor.

Chiar dacă studenții dvs. nu sunt pregătiți să exploreze calculul, este încă o idee bună să discutați despre modul în care relația dintre curent și tensiune pentru o capacitate implică timp . Aceasta este o deviere radicală față de natura independentă a rezistențelor și a Legii lui Ohm!

Întrebarea 17

Completați această declarație prin înlocuirea variabilelor electrice corecte (tensiune, curent, rezistență, capacitate):

Capacitorii se opun schimbărilor în ( fill-in-the-blank ), reacționând la astfel de modificări prin producerea unui ( fill-in-the-blank ).
Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Condensatoarele se opun schimbărilor de tensiune, reacționând la astfel de modificări prin producerea unui curent .

Note:

Accentuați-vă pe elevii dvs. că capacitatea este o proprietate în esență reactivă, opunând schimbarea tensiunii în timp. Nu este o tensiune constantă la care reacționează condensatoarele, schimbând doar tensiunea.

Întrebarea 18

Capacitatea electrică are o analogie mecanică strânsă: elasticitatea . Explicați termenul "elasticitate" pentru un arc mecanic și cum cantitățile de viteză și forță aplicate unui arc sunt analogice cu curentul și tensiunea aplicate la o capacitate.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

Pe măsură ce un arc este comprimat la o viteză constantă, cantitatea de forță de reacție pe care o generează crește cu o rată liniară:

v = 1


k

dF


dt

Unde,

v = viteza de compresie a arcului

k = constanta "rigiditatii" arcului

F = Forța de reacție generată de compresia arcului

t = Timp

Într-un mod similar, o capacitate pură care se confruntă cu un curent constant va prezenta o rată constantă de schimbare a tensiunii în timp:

i = C de


dt

Note:

Notați elevilor dvs. că rigiditatea arcului (k) și capacitatea (C) sunt invers proporționale unul cu altul în această analogie.

Explicați-vă studenților cum sunt asemănările dintre inerție și capacitate atât de apropiate, încât condensatoarele pot fi utilizate pentru modelarea electrică a izvoarelor mecanice!

Întrebarea 19


∫f (x) dx Alertă de calcul!


Capacitorii stochează energie sub forma unui câmp electric. Putem calcula energia stocată într-o capacitate prin integrarea în timp a produsului tensiunii condensatorului și a curentului de condensator (P = IV), deoarece știm că puterea este rata la care se lucrează (W) și cantitatea de lucru efectuată la un condensator care o ia de la tensiune zero la o cantitate diferită de tensiune non-zero constituie energia stocată (U):

P = dW


dt

dW = P dt

U = W = PDT

Găsiți o modalitate de a înlocui capacitatea (C) și tensiunea (V) în integrand astfel încât să puteți integra pentru a găsi o ecuație care descrie cantitatea de energie stocată într-un condensator pentru orice valoare de capacitate și tensiune dată.

Revelați răspuns Ascundeți răspunsul

U = 1


2

CV 2

Note:

Integrarea necesară pentru obținerea răspunsului se găsește frecvent în manualele de fizică bazate pe calcul și este o integrare ușoară (regulă de putere).

  • ← Foaia de lucru anterioară

  • Fișa foilor de lucru

  • Foaia de lucru următoare →