سعة المكثفة (عمل تجريبي)

سعة المكثفة هي واحدة من أهم الخصائص التي تحدد أداء المكثفات الكهربائية، وتلعب دورًا أساسيًا في تخزين الشحنات، وتنظيم التيار الكهربائي في الدوائر. اكتشف في هذا المقال أهميتها، وحدة قياسها (الفاراد)، وكيفية حسابها بدقة لتناسب احتياجات مشاريعك الإلكترونية

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال

مؤشرات الكفاءة:

ـ يتعرف على المكثفة.

ـ ينجز التجارب لإبراز دور المكثفة.

مقدمة:

اليك العناصر الكهربائية التالية التي تمثل مكثفات مختلفة:

المكثفة عبارة عن ثنائي قطب يتكون من ناقلين كهربائيين، يدعى كل منهما لبوس وتفصل بينهما مادة عازلة للكهرباء (هواء، شمع، نيلون ، ......) إن أول مكثفة اصطناعية في التاريخ صنعها العالم الهولندي لايد في عام 1745م وسميت باسمه زجاجة لايد.

للمكثفات استعمالات كثيرة فهي موجودة في كثير من الأجهزة (مولدات توتر ثابت، وماض آلة تصوير القديمة...)

فما هو دورها في الدارات الكهربائية ؟

التجارب الأولية

الوسائل المستعملة:

ـ بطارية E = 4,4 V

ـ ثلاثة مصابيح لايد (LED).

ـ مكثفة سعتها C = 1000 μF

ـ أسلاك توصيل، 4 قاطعات، بادلة.

ـ مقياس غلفاني (Galvanomètre)

التجربة 1:

نركب الدارة المبينة في الشكل التالي: باستعمال مصابيح LED

ـ اغلق القاطعة K ، ماذا تلاحظ ؟

الملاحظة:

ـ نلاحظ المصباح L₁ لا يشتعل.

ـ نلاحظ المصباح L₂ يشتعل.

ـ نلاحظ المصباحL₃ يشتعل ثم ينطفئ.

التفسير:

ـ التيار لا يمر في L₁ لأن القاطعة K₁ مفتوحة.

ـ التيار يمر في L₂ لأن القاطعةK₂ مغلقة.

ـ التيار يمر في L₃ في اللحظة التي نغلق فيها القاطعة الرئيسية K ، لأن شدة التيار في الفرع تنتقل من الصفر إلى أعظم قيمة، ثم تعود تدريجيا إلى الصفر وينطفئ عندئذ المصباح L₃.

نتيجة: عند نهاية الشحن تصبح المكثفة عبارة عن قاطعة مفتوحة.
ملاحظة: يعيد التجربة ليثبت أن المكثفة لم تتلف، والمصباح الموصول بها كذلك.

التجربة 2:

حقق الدارة الكهربائية التالية:

حسب وضع البادلة:

ـ بين على الشكل اتجاه التيار الكهربائي في الدارات الفرعية ؟

ـ كيف تفسر ما تشاهده ؟

ـ عند وضع البادلة في الوضع (1) نلاحظ أن مصباح لايد يشتعل ثم ينطفئ تدريجيا، في نفس الوقت ينحرف مؤشر الغلفانومتر في جهة ثم يعود الى الصفر.

ـ عند وضع البادلة في الوضع (2) نلاحظ أن مصباح لايد يشتعل ثم ينطفئ تدريجيا، في نفس الوقت ينحرف مؤشر الغلفانومتر في الجهة الأخرى ثم يعود إلى الصفر.

ـ عند وضع البادلة في الوضع (1) تشحن المكثفة تدريجيا عبر مصباح لايد (الذي يمثل مقاومة الدارة)، الذي يشتعل ثم ينطفئ تدريجيا، في نفس الوقت ينحرف الغلفانومتر في جهة ثم يعود إلى الصفر، دليل على تناقص التيار تدريجيا الى أن ينعدم بالتالي تصبح المكثفة قاطعة مفتوحة.

ـ عند وضع البادلة في الوضع (2) نلاحظ انحراف الغلفانومتر في الجهة الأخرى، ثم يعود إلى الصفر، يدل على مرور التيار في الاتجاه المعاكس، حيث تتفرغ المكثفة تدريجيا في المصباح الى أن ينعدم، دليل على تفريغ المكثفة.

خلاصة: التفسير المجهري للشحن:

1ـ أثناء الشحن تتحرك الإلكترونات الحرة من اللبوس A إلى اللبوسB ، ويظهر ذلك على شكل تيار كهربائي، ولأن الإلكترونات يمنعها العازل، فتتراكم الشحن على اللبوسين

2ـ أكمل الشكل مع تعيين اتجاه التيار، وحركة الإلكترونات والتوتر في الدارة.

التجربة 3: استنتاج سعة مكثفة

الوسائل المستعملة:

ـ مولد لتيار ثابت I = 100μA، مكثفة، قاطعة K، فولط متر، أسلاك توصيل، ميقاتية.

1 ـ حقق الدارة التالية:

2 ـ بعد غلق القاطعة أكمل الشكل بتمثيل شدة التيار، والتوتر في الدارة ؟

3 ـ أكتب عبارة شحنة المكثفة بدلالة شدة التيار I ، واللحظة الزمنية t ؟

لدينا:

$$I=\frac{Q}{\mathrm{t}}$$

ومنه:

$$Q=I\cdot t$$

4 ـ قس التوتر بين طرفي المكثفة، والزمن الموافق، ثم أكمل الجدول التالي:

10	8	6	4	2	0	UAB(V)
21,4	17,1	12,6	8,6	4,3	0	t(s)
21,4	17,1	12,6	8,6	4,3	0	QA(C).10-4

5 ـ مثل المنحنى Q_A = f(U_AB)، ماذا تستنتج؟

البيان: Q_A = f(U_AB) عبارة عن خط نصف مستقيم يمر بالمبدأ، معادلته من الشكل: Q_A = a.U_AB

حيث a معامل توجيه هذا المستقيم.

6 ـ أحسب معامل توجيه المنحنى، ماذا يمثل فيزيائيا ؟

حساب معامل التوجيه a

لدينا:

$$a=\frac{(21.4\times 10^{-4})-0}{10-0}$$

ومنه:

$$a=2.14\times 10^{-4}\text{C/V}$$

وهو يمثل ثابت يميز كل مكثفة، يدعى سعة المكثفة رمزها: C ، ووحدتها الفاراد

ومنه: C = 2,14×10^-4F وعليه تصبح العلاقة السابقة من الشكل: Q = C.U_AB

ملاحظة:

ـ في حالة عدم توفر مولد تيار، يستعمل مولد توتر، مع مقاومة من رتبة الميغا أوم ومكثفة سعتها C = 1000μF

ـ يستعمل من الأحسن متعددي قياسات (2Multimétres) الأول كمقياس أمبير، والثاني كمقياس فولط.

ـ يفكك الأستاذ مكثفة بسيطة مع التلاميذ، ويبين أجزائها. كما يمكن تصنيعها ببساطة بورق الألمنيوم وورق، كما يمكن الإطلاع على المكثفات الحديثة الموجودة في الحواسيب مثلا باستعمال المكبرة.

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF