أوراق عمل وحدة المكثفات فيزياء الصف 12 متقدم

أوراق عمل وحدة المكثفات فيزياء الصف 12 متقدم

المكثفات

السعة الكهربائية 

– المكثف: يتكون من موصلين منفصلين ( لوحين من مادة موصلة بينهما مادة عازلة. (مايلار) 

– المكثفات أنواع : الكروي والاسطواني والمستوي 

– المكثف المستوي: يتكون من لوحين موصلين متوازيين مساحة كل منها ۸ ( المساحة المشتركة بينهما)

والمسافة الرأسية بين اللوحين هي d ويشحن المكثف بحيث كل لوح يحمل نفس مقدار الشحنة ولكن تخالفها بالاشارة.

– ينشأ بين اللوحين مجال كهربائي منتظم (شديد الانحدار) لذلك يكون المحال بين اللوحين اكبر بكثير عن خارجهما. 

– يمكن تمثيل الجهد الكهربائي الناتج عن المكثف المستوي بخطوط کنتورية للجهد شكل a – في الشكل 6 اضيفت خطوط المحال الكهربائي إلى الخطوط الكنتورية للجهد 

– في الشكل C يمثل المجال النقاط على المستوى X y والاسهم تدل على المجال المنتظم بين اللوحين. 

السعة الكهربائية للمكثف C

يتناسب فرق الجهد بين اللوحين طرديا مع كمية الشحنة . على اللوحين 

ثابت التناسب يسمى السعة الكهربائية وهي ثابتة للمكثف الواحد ولا تعتمد على شحنة المكثف او جهده تعطى السعة الكهربائي بالعلاقة = C وحدة قياس السعة الكهربائية ( الفاراد F ) والفاراد مقدار كبير للسعة 4.2

الدوائر الكهربائية للمكثفات 

• مكونات الدائرة الكهربائية البسيطة تتكون الدائرة الكهربائية البسيطة من :

i اسلاك توصيل بسيطة – او اي مسارات اخرى موصلة تصل بين عناصر الدائرة ومصدر الطاقة

ii. مصدر طاقة : اي مصدر للطاقة بطاريات ( تیار مستمر DC ) او مصدر طاقة AC ( تیار متناوب)

iii. عناصر الدائرة مثل مكثف مقاومة ….) 

• رموز عناصر الدائرة المستخدمة في هذه الوحدة

شحن المكثف

توصيل المكثف بمصدر طاقة ذو فرق جهد ثابت للشحن توصيل المفتاح بالنقطة a ) من الشكل المجاور 

ii. تتدفق الشحنات الى المكثف الى ان يتساوى فرق الجهد للمكثف مع فرق الجهد للمصدر. 

iii. اذا فصل المكثف عن المصدر فإنه يحتفظ بشحنته وبفرق الجهد . 

تفريغ المكثف 

i. لتفريغ المكثف يفصل عن المصدر ويتم توصيله بعنصر من الدائرة. لتفريغ المكثف توصيل المفتاح بالنقطة b من الشكل المجاور

ii. تتدفق الشحنات من لوح لآخر عبر العنصر الى ان يتبدد شحنة المكثف 

iii. ينخفض فرق الجهد بين اللوحين إلى الصفر (( تم تفريغ المكثف من شحنته) 

4.3 المكثف متوازي اللوحين والأنواع الأخرى من المكثفات 

أولا : المكثف المستوي: متوازي اللوحين.

– يتكون من لوحين فلزيين متوازيين موضوعين بالفراغ 

– توضع شحنة سالبة على احدهما وموجبة على الآخر متساويتیں بالمقدار و مختلفتين بالاشارة.

– اللوحين قريبين جدا من بعضهما بحيث تكون d صغيرة جدا و A كبيرة 

– يتم التغاضي عن المحال الكهربائي الصغير خارج حيز اللوحين. 

– المجال الكهربائي بين اللوحين E منتظم ثابت. ويكون دائما متعامد على اللوحين. 

– السعة الكهربائية للمكثف المستوي من حساب التكامل فإن: =c وبالتالي فإن 

– من العلاقة السابقة نلاحظ أن سعة المكثف تعتمد على أبعاده الهندسية والمادة العازلة بين لوحيه. قرية 1 مكثف متوازي الصفائح سعته ( 6.4x1012F ) والمسافة الفاصلة بين صفيحتيه ( 11* 4.0×10 ) . احسب : 

a- المساحة المشتركه لصفيحتي المكلف.

b- شحنة أحد لوحيه عند وصله ببطارية (12V ).

– بعد اتمام شحن المكثف، وتم فصله عن البطارية وتم تقريب اللوحين الى بعضهما ماذا يحدث لكل من: 

– شحنة المكثف

– سعة المكلف

– جهد المكثف

ثانيا: المكثفات المتصلة على التوالي 

• تنتج البطارية شحنة كهربائية تكون متساوية على كل مكلف، وذلك بسبب حدوث الحث الذي يحدث من اللوح الأول للمكلف الى اللوح الأخر وهكذا و فرق الجهد الكلي الذي توفره البطارية محموع الهبوط بالجهد بالمكثفات وبالتالي فإن

الشحنة الكلية التي تنتجها البطارية تساوي شحنة كل مكثف

السعة المكافئة لمجموعة سعات المكثفات
C تساوي

• في حالة المكثفات متماثلة في السعة الكهربائية فإن حيث n عدد المكثفات المتصلة على التوالي. 

من خصائص التوصيل على التوالي

مقلوب السعة المكافحة تساوي المجموع الجبري لمقلوب سعات المكثفات 

السعة المكانية تكون أصغر من أصغر سعة لمكلف من المكثفات المتصلة على التوالي 

بزيادة عدد المكثفات فإن السعة المكانية تقل. 

مجموع الهبوط بالجهد لكل المكثفات يساوي فرق الجهد الذي توفره البطارية 

تمرين 19 

أوجد ما يلي: 

a- السعة المكانية للمكلفين

b- الشحنة الكهربائية لكل مكثف

C- الهبوط قي بالجهد عند كل مكثف ( فرق الجهد بين طرفي كل مكثف )

تمرين  10 

مجموعة مكثفات متماثلة عددها 6 مكثفات سعة كل منهما Fر12 متصلة على التوالي مع مصدر لتيار مستمر قدره 24V ، ما مقدار شحنة كل مكثف ؟

شدة العزل الكهربائي للمادة : عبارة عن قياس لقدرتها على تحمل فرق الجهد المطبق عليها.

اذا تجاوز شدة المجال الكهربائي المطبق في العازل الكهربائي شدة العزل الكهربائي للمادة فسوف الكهربائي وبدأ بتوصيل الشحنات بين اللوحين على شكل شرارة وهذا يؤدي الى تلف المكثف. 

ثابت العزل الكهربائي للفراغ -1 وثابت العزل للهواء قريب من الواحد

4.7 منظر مجهري للعوازل الكهربائية 

نقسم العوازل الكهربائية الى نوعين 

1- عوازل كهربائية قطبية: مادة مكونة من جزيئات لها عزم ثنائي القطب مثل ( الماء ) وتكون عادة موزعة في اتجاهات مختلفة. وعندما تخضع للمحال فإنها الى محاذاة المحال

2- عوازل كهربائية غير قطبية: مادة مكونة من ذرات او جزيئات ليس لها عزم ثنائي القطب يمكن حث هذه الذرات ليكون لها عزم ثنائي القطب تحت تأثير مجال خارجی فنودي الاتجاهات المتضادة للقوى الكهربائية – المبذولة على الشحنات لانتاج عزم ثنائي القطب مستحث و ينشا المجال عن ثنائي القطب معاكس لاتجاه المجال الخارجي
يعمل على انقاص شدة المجال المطبق

المكثفات الالكتروليتية يتكون من لوحين موصلين بينهما مادة عازلة ويمكن استبدال أحد اللوحين يسائل موصل للأيونات 

المكثفات الفائقة : مكثفات ذات سعات فائقة وذلك باستخدام لوح مساحة سطحه كبيرة تستخدم مادة الفحم المنشط لان مساحة سطحه كبيرة بسبب ترکيبه الرغوي تعطى طبقتان من الفحم المنشط شحنات قطبية معاكسة تفصل بينهما مادة عازلة .

أوجد ما يلي: 

a- كثافة الطاقة الكهربائية المختزنة بالمكثف.

b- ما مقدار شدة المجال الكهربائي بين لوحيه.

c- إذا وضع بين لوحيه مادة عازلة ثابت عازلیتها (10) ما العامل الذي تتغير فيه كل من 

سعة المكلف:

كثافة الطاقة المختزنة

شدة المجال الكهربائي 

22. من الشكل المجاور والبيانات التي عليه أجب عما يلي:

a- السعة المكافئة لمجموعة المكثفات؟

b- شحنة وجهد المكثف Fر 6.00

c- إذا ازيل المكثف ذو السعة Fر 6.00 من الدائرة ، ما التغير الذي يطرأ على السعة المكانة والشحنة لكل مكثف؟

23. مكثف مستوي هوائي مشحون ومنفصل عن البطارية. ماذا يحدث لكل مما يلي عند وضع مادة عازلة بين لوحيه بدلا عن الهواء

السعة الكهربائية للمكثف: 

شحنة المكثف 

جهد المكثف 

شدة المجال 

الطاقة المختزنة فيه 

24. مكثف مستوي هوائي مشحون وما زال متصل بالبطارية ماذا يحدث لكل مما يلي عند وضع مادة عازلة بين لوحيه بدلا عن الهواء

السعة الكهربائية للمكثف : 

شدة المكثف : سند 

جهد المكثف :

شدة المجال 

الطاقة المختزنة فيه

25. مكثف مستوي هوائي مشحون ومنفصل عن البطارية ماذا يحدث لكل مما يلي عند زيادة المسافة بين لوحه مع المحافظة على المساحة المشتركة

السعة الكهربائية للمكثف 

شحنة المكثف:

جهد المكثف 

شدة المجال