شارژ خازن از منبع ثابت قانون کولن، خازن، قدرت جریان، قانون اهم، قانون ژول – لنز

مانند هر سیستمی از اجسام باردار، یک خازن انرژی دارد. محاسبه انرژی یک خازن تخت باردار با میدان یکنواخت در داخل آن کار دشواری نیست.

انرژی یک خازن شارژ شده

برای شارژ یک خازن باید کار برای جداسازی بارهای مثبت و منفی انجام شود. طبق قانون بقای انرژی، این کار برابر با انرژی خازن است. اگر خازن شارژ شده را از طریق مداری حاوی یک لامپ رشته ای که برای ولتاژ چند ولت طراحی شده است، تخلیه کنید، می توانید تأیید کنید که یک خازن شارژ شده دارای انرژی است (شکل 4). هنگامی که خازن تخلیه می شود، لامپ چشمک می زند. انرژی خازن به اشکال دیگر تبدیل می شود: گرما، نور.

اجازه دهید یک فرمول برای انرژی یک خازن تخت استخراج کنیم.

شدت میدان ایجاد شده توسط بار یکی از صفحات برابر است با E/2،جایی که Eقدرت میدان در خازن است. در یک میدان یکنواخت یک صفحه شارژ وجود دارد q،روی سطح صفحه دیگری توزیع شده است (شکل 5). طبق فرمول W p = qEd. برای انرژی پتانسیل یک بار در یک میدان یکنواخت، انرژی خازن برابر است با:

می توان ثابت کرد که این فرمول ها برای انرژی هر خازن معتبر است و نه فقط برای یک خازن.

انرژی میدان الکتریکی

بر اساس تئوری عمل کوتاه برد، تمام انرژی برهمکنش بین اجسام باردار در میدان الکتریکی این اجسام متمرکز است. این بدان معنی است که انرژی را می توان از طریق مشخصه اصلی میدان - شدت بیان کرد.

از آنجایی که شدت میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل نسبت مستقیم دارد

(U = Ed)، سپسطبق فرمول

انرژی خازن با شدت میدان الکتریکی درون آن نسبت مستقیم دارد: W p ~ E 2 .یک محاسبه دقیق مقدار زیر را برای انرژی میدان در واحد حجم به دست می‌دهد، یعنی. برای چگالی انرژی:

جایی که ε 0 ثابت الکتریکی است

کاربرد خازن ها

انرژی یک خازن معمولاً خیلی زیاد نیست - بیش از صدها ژول. علاوه بر این، به دلیل نشت شارژ اجتناب ناپذیر، دوام زیادی ندارد. بنابراین، خازن های شارژ شده نمی توانند به عنوان مثال، جایگزین باتری ها به عنوان منبع انرژی الکتریکی شوند.

اما این به هیچ وجه به این معنی نیست که خازن ها به عنوان دستگاه های ذخیره انرژی کاربرد عملی نداشته اند. آنها یک ویژگی مهم دارند: خازن ها می توانند انرژی را برای مدت زمان کم و بیش طولانی انباشته کنند و هنگامی که از طریق مداری با مقاومت کم تخلیه می شوند، تقریباً بلافاصله انرژی آزاد می کنند. این ویژگی به طور گسترده در عمل استفاده می شود.

فلاش لامپ مورد استفاده در عکاسی از جریان الکتریکی تخلیه خازن تغذیه می شود که توسط یک باتری مخصوص از قبل شارژ می شود. تحریک منابع نور کوانتومی - لیزرها با استفاده از یک لوله تخلیه گاز انجام می شود که فلاش آن هنگام تخلیه باتری خازن های با ظرفیت بالا اتفاق می افتد.

با این حال، خازن ها عمدتا در مهندسی رادیو استفاده می شوند. در کلاس یازدهم با این موضوع آشنا می شوید.

انرژی یک خازن با ظرفیت الکتریکی آن و مجذور ولتاژ بین صفحات متناسب است. تمام این انرژی در میدان الکتریکی متمرکز شده است. چگالی انرژی میدان با مجذور شدت میدان متناسب است.

برنج. 1 شکل 2

قوانین جریان DC.

بارهای الکتریکی ثابت در عمل به ندرت مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینکه بارهای الکتریکی در خدمت ما باشند، باید آنها را به حرکت درآوریم - برای ایجاد یک جریان الکتریکی. جریان الکتریکی آپارتمان ها را روشن می کند، ماشین ها را به حرکت در می آورد، امواج رادیویی ایجاد می کند و در تمام کامپیوترهای الکترونیکی به گردش در می آید.

ما با ساده ترین حالت حرکت ذرات باردار شروع می کنیم - جریان الکتریکی مستقیم را در نظر بگیرید.

برق. قدرت فعلی

اجازه دهید تعریف دقیقی از آنچه جریان الکتریکی نامیده می شود ارائه دهیم.

بیایید به یاد بیاوریم که جریان از نظر کمی با چه مقدار مشخص می شود.

بیایید دریابیم که الکترون ها با چه سرعتی در سیم های آپارتمان شما حرکت می کنند.

هنگامی که ذرات باردار در یک هادی حرکت می کنند، بار الکتریکی از مکانی به مکان دیگر منتقل می شود. با این حال، اگر ذرات باردار تحت حرکت حرارتی تصادفی قرار گیرند، مانند الکترون های آزاد در فلز،سپس انتقال شارژ رخ نمی دهد (شکل 1). یک بار الکتریکی از طریق مقطع یک رسانا تنها در صورتی حرکت می کند که همراه با حرکت تصادفی، الکترون ها در حرکت منظم شرکت کنند (شکل 2) ). در این صورت می گویند اکسپلورر نصب شده است برق

از درس فیزیک کلاس هشتم شما این را می دانید جریان الکتریکی حرکت منظم (جهت دار) ذرات باردار است.

جریان الکتریکی از حرکت منظم الکترون ها یا یون های آزاد ناشی می شود.

اگر یک جسم به طور کلی خنثی را حرکت دهید، با وجود حرکت منظم تعداد زیادی الکترون و هسته اتمی، جریان الکتریکی ایجاد نمی شود. کل بار منتقل شده از طریق هر بخش از هادی برابر با صفر خواهد بود، زیرا بارهای علائم مختلف دارای سرعت متوسط ​​یکسانی هستند.

جریان الکتریکی جهت خاصی دارد. جهت جریان به عنوان جهت حرکت ذرات با بار مثبت در نظر گرفته می شود. اگر جریان از حرکت ذرات با بار منفی تشکیل شود، جهت جریان مخالف جهت حرکت ذرات در نظر گرفته می شود.

اقدامات جاری ما مستقیماً حرکت ذرات را در یک رسانا نمی بینیم. وجود جریان الکتریکی را باید با اعمال یا پدیده های همراه آن قضاوت کرد.

اولا، هادی که جریان از طریق آن می گذرد گرم می شود.

ثانیاً جریان الکتریکی می تواند ترکیب شیمیایی هادی را تغییر دهد،به عنوان مثال، برای جداسازی اجزای شیمیایی آن (مس از محلول سولفات مس و غیره).

سوم، جریان بر جریان های مجاور و اجسام مغناطیسی نیرو وارد می کند.این عمل نامیده می شود مغناطیسیبنابراین، یک سوزن مغناطیسی نزدیک یک هادی حامل جریان می چرخد. اثر مغناطیسی جریان بر خلاف اثر شیمیایی و حرارتی است اساسی است، زیرا بدون استثنا در همه هادی ها ظاهر می شود.اثر شیمیایی جریان فقط در محلول ها و مذاب الکترولیت ها مشاهده می شود و حرارت در ابررساناها وجود ندارد.

قدرت فعلی

اگر جریان الکتریکی در مدار برقرار شود، به این معنی است که بار الکتریکی دائماً از طریق مقطع هادی منتقل می شود. بار منتقل شده در واحد زمان به عنوان مشخصه کمی اصلی جریان عمل می کند که قدرت جریان نامیده می شود.

بنابراین، قدرت جریان برابر با نسبت شارژ است q،از طریق مقطع هادی در یک بازه زمانی منتقل می شود تی،به این فاصله زمانی اگر قدرت جریان در طول زمان تغییر نکند، جریان ثابت نامیده می شود.

قدرت جریان، مانند شارژ،— کمیت اسکالر استاو ممکن است مانند مثبت،بنابراین و منفی.علامت جریان بستگی به این دارد که کدام جهت در امتداد رسانا مثبت در نظر گرفته شود. قدرت جریان /> 0، اگر جهت جریان با جهت مثبت انتخاب شده معمولی در امتداد هادی مطابقت داشته باشد. در غیر این صورت /< 0.

قدرت جریان به بار حمل شده توسط هر ذره، غلظت ذرات، سرعت حرکت جهت آنها و سطح مقطع هادی بستگی دارد. بیایید این را نشان دهیم.

اجازه دهید هادی (شکل 3) مقطعی با سطح S داشته باشد. اجازه دهید جهت را از چپ به راست به عنوان جهت مثبت در هادی در نظر بگیریم. بار هر ذره برابر است q 0 .در حجم هادی، با مقاطع 1 و 2 محدود شده است , موجود است nSlذرات، جایی که پ - غلظت ذرات کل شارژ آنها q = q Q nSl.اگر ذرات با سرعت متوسط ​​از چپ به راست حرکت کنند υ, سپس در زمان

تمام ذرات موجود در حجم مورد نظر از مقطع 2 عبور خواهند کرد . بنابراین، قدرت فعلی:

فرمول (2) که در آن ه- مدول بار الکترون

به عنوان مثال، قدرت جریان I = 1 A و سطح مقطع هادی S = 10 -6 m 2 را در نظر بگیرید. مدول شارژ الکترون e = 1.6 - 10 -19 C. تعداد الکترون‌ها در 1 متر مکعب مس برابر با تعداد اتم‌های این حجم است، زیرا یکی از الکترون‌های ظرفیت هر اتم مس جمع‌آوری شده و آزاد است. این عدد است پ= 8.5 10 28 m -3 بنابراین،

شکل شماره 1. شکل شماره 2 شکل شماره 3

شرایط مورد نیاز برای وجود جریان الکتریکی

برای ایجاد جریان الکتریکی چه چیزی لازم است؟ خودتان در مورد آن فکر کنید و تنها پس از آن این پاراگراف را بخوانید.

برای پیدایش و وجود جریان الکتریکی ثابت در یک ماده، اولاً وجود ذرات باردار آزاد ضروری است. اگر بارهای مثبت و منفی در اتم ها یا مولکول ها به یکدیگر پیوند داشته باشند، حرکت آنها منجر به ظهور جریان الکتریکی نمی شود.

وجود هزینه های رایگان هنوز برای وقوع جریان کافی نیست. برای ایجاد و حفظ حرکت منظم ذرات باردار، ثانیاً، نیرویی که در جهت خاصی بر آنها وارد می شود، ضروری است. اگر این نیرو دیگر عمل نکند، حرکت منظم ذرات باردار به دلیل مقاومت ایجاد شده در برابر حرکت آنها توسط یون های شبکه بلوری فلزات یا مولکول های خنثی الکترولیت ها متوقف می شود.

همانطور که می دانیم ذرات باردار توسط یک میدان الکتریکی با یک نیرو بر روی آنها اثر می گذارد . معمولاً این میدان الکتریکی در داخل هادی است که به عنوان عامل باعث و حفظ حرکت منظم ذرات باردار می شود. فقط در حالت ایستا، زمانی که بارها در حالت سکون هستند، میدان الکتریکی داخل هادی صفر است.

اگر در داخل هادی میدان الکتریکی وجود داشته باشد، طبق فرمول بین انتهای هادی اختلاف پتانسیل وجود دارد. هنگامی که اختلاف پتانسیل در طول زمان تغییر نمی کند، یک جریان الکتریکی ثابت در هادی برقرار می شود.در امتداد هادی، پتانسیل از حداکثر مقدار در یک انتهای هادی به حداقل در انتهای دیگر کاهش می یابد. این کاهش پتانسیل را می توان با آزمایش ساده تشخیص داد.

بیایید یک چوب چوبی نه چندان خشک را به عنوان هادی برداریم و به صورت افقی آویزان کنیم. (چنین چوبی اگرچه ضعیف است اما هنوز جریان را هدایت می کند.) بگذارید منبع ولتاژ یک ماشین الکترواستاتیک باشد.برای ثبت پتانسیل بخش های مختلف هادی نسبت به زمین می توانید از تکه های فویل فلزی متصل به چوب استفاده کنید. یک قطب دستگاه را به زمین و قطب دوم را به یک انتهای هادی (چوب) وصل می کنیم. زنجیره باز خواهد شد. وقتی دسته ماشین را می چرخانیم، متوجه می شویم که تمام نقاط برگ در یک زاویه منحرف می شوند (شکل 1). ).

این یعنی پتانسیل هر کسنقاط هادی نسبت به زمین یکسان است. اگر بارهای هادی در تعادل باشد، باید اینگونه باشد. اگر اکنون انتهای دیگر چوب زمین شده باشد، پس از چرخاندن دسته دستگاه، تصویر تغییر خواهد کرد. (از آنجایی که زمین یک رسانا است، اتصال به زمین باعث بسته شدن مدار می شود.) در انتهای زمین، برگ ها به هیچ وجه از هم جدا نمی شوند: پتانسیل این انتهای هادی تقریباً برابر با پتانسیل زمین است (پتانسیل) قطره در یک سیم فلزی کوچک است). حداکثر زاویه واگرایی برگها در انتهای هادی متصل به دستگاه خواهد بود (شکل 2). کاهش زاویه واگرایی برگها در حین دور شدن از ماشین نشان دهنده افت پتانسیل در طول هادی است.

برقرا می توان فقط در ماده ای به دست آورد که حاوی ذرات باردار رایگانبرای اینکه آنها شروع به حرکت کنند، باید در اکسپلورر ایجاد کنید میدان الکتریکی.

شکل شماره 1 شکل شماره 2

قانون OHM برای یک بخش مدار. مقاومت

قانون اهم در کلاس هشتم مطالعه شد. این قانون ساده است، اما آنقدر مهم است که نیاز به تکرار دارد.

ویژگی های ولت آمپر

در پاراگراف قبل مشخص شد که برای وجود جریان در یک هادی، باید اختلاف پتانسیل در انتهای آن ایجاد شود. قدرت جریان در هادی با این اختلاف پتانسیل تعیین می شود. هر چه اختلاف پتانسیل بیشتر باشد، قدرت میدان الکتریکی در هادی بیشتر و در نتیجه سرعت حرکت جهتی ذرات باردار بیشتر می شود. طبق فرمول، این به معنای افزایش قدرت جریان است.

برای هر هادی - جامد، مایع و گاز - وابستگی خاصی از قدرت جریان به اختلاف پتانسیل اعمال شده در انتهای هادی وجود دارد. این وابستگی به اصطلاح بیان می شود ولت - آمپر مشخصه هادی.با اندازه گیری قدرت جریان در هادی در مقادیر مختلف ولتاژ پیدا می شود. آگاهی از مشخصه جریان-ولتاژ نقش زیادی در مطالعه جریان الکتریکی دارد.

قانون اهم.

ساده ترین شکل، مشخصه ولت آمپر هادی های فلزی و محلول های الکترولیت است. برای اولین بار (برای فلزات) توسط دانشمند آلمانی گئورگ اهم تأسیس شد، بنابراین وابستگی قدرت جریان به ولتاژ نامیده می شود. قانون اهم.در قسمت مدار نشان داده شده در شکل 109، جریان از نقطه 1 به نقطه 2 هدایت می شود. . اختلاف پتانسیل (ولتاژ) در انتهای هادی برابر است با: U = φ 1 - φ 2. از آنجایی که جریان از چپ به راست هدایت می شود، شدت میدان الکتریکی در همان جهت هدایت می شود و φ 1 > φ 2

طبق قانون اهم، برای یک بخش از مدار، شدت جریان با ولتاژ اعمالی U نسبت مستقیم و با مقاومت هادی R نسبت معکوس دارد:

قانون اهم شکل بسیار ساده ای دارد، اما اثبات صحت آن به صورت تجربی بسیار دشوار است. واقعیت این است که اختلاف پتانسیل در یک بخش از یک هادی فلزی، حتی با قدرت جریان بالا، کم است، زیرا مقاومت هادی کم است.

الکترومتر مورد نظر برای اندازه گیری چنین ولتاژهای پایینی نامناسب است: حساسیت آن بسیار کم است. یک دستگاه غیر قابل مقایسه حساس تر مورد نیاز است. سپس با اندازه گیری جریان با آمپرمتر و ولتاژ با الکترومتر حساس می توانید مطمئن شوید که جریان با ولتاژ نسبت مستقیم دارد. استفاده از ابزارهای معمولی برای اندازه گیری ولتاژ - ولت متر - بر اساس استفاده از قانون اهم است.

اصل دستگاه، ولت متر، همان آمپر متر است. زاویه چرخش فلش دستگاه با قدرت جریان متناسب است. قدرت جریان عبوری از ولت متر توسط ولتاژ بین نقاط مداری که به آن متصل است تعیین می شود. بنابراین، با دانستن مقاومت ولت متر، می توانید ولتاژ را با قدرت جریان تعیین کنید. در عمل دستگاه طوری کالیبره می شود که بلافاصله ولتاژ را بر حسب ولت نشان می دهد.

مقاومت. مشخصه اصلی الکتریکی یک هادی مقاومت است.قدرت جریان در هادی در یک ولتاژ معین به این مقدار بستگی دارد. مقاومت یک هادی معیاری از مقاومت هادی در برابر ایجاد جریان الکتریکی در آن است. با استفاده از قانون اهم، می توانید مقاومت یک هادی را تعیین کنید:

برای انجام این کار، باید ولتاژ و جریان را اندازه گیری کنید.

مقاومت به جنس هادی و ابعاد هندسی آن بستگی دارد.مقاومت هادی به طول l با سطح مقطع ثابت S برابر است با:

که در آن p مقداری است که به نوع ماده و حالت آن (در درجه اول به دما) بستگی دارد. مقدار p نامیده می شود مقاومت ویژه هادیمقاومت از نظر عددی برابر با مقاومت یک هادی به شکل مکعب با لبه است 1 متر، اگر جریان در امتداد عادی به دو وجه مخالف مکعب هدایت شود.

واحد مقاومت هادی بر اساس قانون اهم ایجاد می شود و اهم نامیده می شود. سیم نیک مقاومت دارد 1 اهم، اگر اختلاف پتانسیل باشد 1 V قدرت فعلی در آن 1 A.

واحد مقاومت است 1 اهم؟ مقاومت فلزات کم است. دی الکتریک ها مقاومت بسیار بالایی دارند. جدول روی برگ مگس نمونه هایی از مقادیر مقاومت برای برخی از مواد را نشان می دهد.

معنی قانون اهم

قانون اهم قدرت جریان در مدار الکتریکی را در یک ولتاژ معین و مقاومت شناخته شده تعیین می کند. این به شما امکان می دهد اثرات حرارتی، شیمیایی و مغناطیسی جریان را محاسبه کنید، زیرا آنها به قدرت جریان بستگی دارند. از قانون اهم بر می آید که بستن شبکه روشنایی معمولی با هادی با مقاومت کم خطرناک است. جریان آنقدر قوی خواهد بود که می تواند عواقب جدی داشته باشد.

قانون اهم اساس تمام مهندسی برق جریان مستقیم است. فرمول باید به خوبی درک شود و به طور محکم به خاطر بسپارید.

مدارهای الکتریکی. اتصالات هادی سری و موازی

از یک منبع جریان، انرژی را می توان از طریق سیم ها به دستگاه هایی که انرژی مصرف می کنند منتقل کرد: یک لامپ الکتریکی، یک گیرنده رادیویی و غیره. برای این کار آنها را تشکیل می دهند. مدارهای الکتریکیبا پیچیدگی های متفاوت مدار الکتریکی شامل یک منبع انرژی، دستگاه هایی است که انرژی الکتریکی مصرف می کنند، سیم های متصل و کلیدها برای تکمیل مدار. غالبا ومدار الکتریکی شامل دستگاه هایی است که قدرت جریان را کنترل می کنند وولتاژ در قسمت های مختلف مدار - آمپرمتر و ولت متر.

ساده ترین و رایج ترین اتصالات هادی ها شامل اتصالات سریال و موازی است.

اتصال سری هادی ها

با اتصال سری، مدار الکتریکی انشعاب ندارد. همه هادی ها یکی پس از دیگری به مدار متصل می شوند. شکل 1 اتصال سری دو هادی 1 و 2 را نشان می دهد , داشتن مقاومت R 1 و R2.اینها می توانند دو لامپ، دو سیم پیچ یک موتور الکتریکی و غیره باشند.

قدرت جریان در هر دو هادی یکسان است، یعنی (1)

زیرا در رساناها بار الکتریکی در مورد جریان مستقیم جمع نمی شود و همان بار از هر مقطعی از هادی در مدت زمان معینی عبور می کند.

ولتاژ در انتهای بخش مدار مورد نظر مجموع ولتاژهای هادی اول و دوم است:

امیدواریم که خودتان بتوانید از پس اثبات این رابطه ساده برآیید.

اعمال قانون اهم برای کل بخش به عنوان یک کل و برای مقاطع دارای مقاومت R 1و R2،می توان ثابت کرد که مقاومت کل کل بخش مدار هنگام اتصال سری برابر است با:

این قانون را می توان برای هر تعداد هادی متصل به سری اعمال کرد.

ولتاژ روی هادی ها و مقاومت آنها در یک اتصال سری با رابطه زیر مرتبط است:

این برابری را ثابت کنید.

اتصال موازی هادی ها.

شکل 2 اتصال موازی دو هادی 1 و 2 را با مقاومت نشان می دهد R 1و R2.در این حالت جریان الکتریکی 1 به دو قسمت منشعب می شود. قدرت جریان در هادی اول و دوم را با I 1 و I 2 نشان می دهیم. از آنجایی که در نقطه آ- انشعاب هادی ها (به این نقطه می گویند گره) -بار الکتریکی انباشته نمی شود، سپس بار وارد شده به گره در واحد زمان برابر است با باری که در همان زمان از گره خارج می شود. بنابراین، I = I 1 + I 2

ولتاژ U در انتهای هادی هایی که به صورت موازی وصل شده اند یکسان است.

شبکه روشنایی ولتاژ 220 یا 127 ولت را حفظ می کند. دستگاه هایی که انرژی الکتریکی مصرف می کنند برای این ولتاژ طراحی شده اند. بنابراین، اتصال موازی رایج ترین راه برای اتصال مصرف کنندگان مختلف است. در این حالت خرابی یک دستگاه بر عملکرد بقیه تأثیر نمی گذارد در حالی که با اتصال سری، خرابی یک دستگاه مدار را باز می کند.

اعمال قانون اهم برای کل بخش به عنوان یک کل و برای مقاطع با مقاومت R 1 و R 2 , می توان ثابت کرد که متقابل امپدانس مقطع است اب،برابر با مجموع مقادیر متقابل مقاومت هادی های جداگانه:

قدرت جریان در هر یک از هادی ها و مقاومت هادی ها در یک اتصال موازی با این رابطه مرتبط است.

هادی های مختلف در یک مدار به صورت سری یا موازی به یکدیگر متصل می شوند. در حالت اول قدرت جریان در همه هادی ها یکسان است و در حالت دوم ولتاژ هادی ها یکسان است. اغلب، مصرف کنندگان مختلف فعلی به موازات شبکه روشنایی متصل می شوند.

اندازه گیری جریان و ولتاژ

همه باید بدانند که چگونه جریان را با آمپر متر و ولتاژ را با ولت متر اندازه گیری کنند.

اندازه گیری جریان

برای اندازه گیری قدرت جریان در یک هادی، یک آمپر متر به صورت سری به این هادی متصل می شود(عکس. 1). اما باید در نظر داشته باشید که آمپرمتر خود مقداری مقاومت دارد R a. بنابراین مقاومت مقطع مدار با روشن بودن آمپرمتر افزایش می یابد و در ولتاژ ثابت جریان مطابق قانون اهم کاهش می یابد. برای اینکه آمپرمتر تا حد امکان تأثیر کمتری بر جریان اندازه گیری خود داشته باشد، مقاومت آن بسیار کوچک است. این را باید به خاطر بسپارید و هرگز سعی نکنید با اتصال آمپرمتر به پریز، جریان در شبکه روشنایی را اندازه گیری کنید. اتفاق خواهد افتاد مدار کوتاه؛قدرت جریان با مقاومت کم دستگاه به مقدار زیادی می رسد که سیم پیچ آمپرمتر می سوزد.

اندازه گیری ولتاژ

به منظور اندازه گیری ولتاژ در یک بخش از مدار با مقاومت R،یک ولت متر به صورت موازی به آن متصل می شود. ولتاژ روی ولت متر با ولتاژ قسمت مدار مطابقت دارد (شکل 2).

اگر مقاومت ولت متر RB،سپس پس از اتصال آن به مدار، مقاومت مقطع دیگر وجود نخواهد داشت R،آ . به همین دلیل، ولتاژ اندازه گیری شده در بخش مدار کاهش می یابد. برای اینکه ولت متر اعوجاج محسوسی را در ولتاژ اندازه گیری شده ایجاد نکند، مقاومت آن باید در مقایسه با مقاومت بخشی از مدار که ولتاژ روی آن اندازه گیری می شود، بزرگ باشد. ولت متر را می توان بدون خطر سوختن به شبکه متصل کرد، اگر فقط برای ولتاژی بیش از ولتاژ شبکه طراحی شده باشد.

آمپرمتر به صورت سری به هادی متصل می شود که جریان در آن اندازه گیری می شود. ولت متر به موازات هادی که ولتاژ روی آن اندازه گیری می شود وصل می شود.

عملکرد و توان DC

جریان الکتریکی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد زیرا انرژی را حمل می کند. این انرژی می تواند به هر شکلی تبدیل شود.

با حرکت منظم ذرات باردار در یک هادی میدان الکتریکی کار می کند.معمولا نامیده می شود کار جاریاکنون اطلاعاتی در مورد کار و توان فعلی از درس فیزیک به یاد می آوریم هشتمکلاس

کار جاری

بیایید یک بخش دلخواه از زنجیره را در نظر بگیریم. این ممکن است یک رسانای همگن باشد، به عنوان مثال، رشته یک لامپ رشته ای، سیم پیچ یک موتور الکتریکی، و غیره. اجازه دهید یک بار q از سطح مقطع هادی در طول زمان t عبور کند. سپس میدان الکتریکی کار را انجام خواهد داد A=qU.

از آنجایی که قدرت فعلی , پس این کار برابر است با:

کار انجام شده توسط جریان در قسمتی از مدار برابر است با حاصل ضرب جریان، ولتاژ و زمانی که در طی آن کار انجام شده است.

طبق قانون پایستگی انرژی، این کار باید برابر با تغییر انرژی مقطع مدار مورد نظر باشد. بنابراین، انرژی آزاد شده در یک بخش معین از مدار در طول زمان دربرابر با کار جریان (به فرمول (1) مراجعه کنید).

اگر روی قسمتی از مدار کار مکانیکی انجام نشود و جریان اثرات شیمیایی ایجاد نکند، تنها گرم شدن هادی اتفاق می افتد. یک هادی گرم شده گرما را به اجسام اطراف می دهد.

گرمایش هادی به شرح زیر انجام می شود. میدان الکتریکی الکترون ها را شتاب می دهد. پس از برخورد با یون های شبکه کریستالی، انرژی خود را به یون ها منتقل می کنند. در نتیجه انرژی حرکت تصادفی یون ها در اطراف موقعیت های تعادلی افزایش می یابد. این به معنای افزایش انرژی درونی است. در همان زمان، دمای هادی افزایش می یابد و شروع به انتقال گرما به اجسام اطراف می کند. مدت کوتاهی پس از بسته شدن مدار، فرآیند برقرار می شود و تغییر دما در طول زمان متوقف می شود. به دلیل کار میدان الکتریکی، انرژی به طور مداوم به هادی عرضه می شود. اما انرژی داخلی آن بدون تغییر باقی می ماند، زیرا هادی مقداری گرما را برابر با کار جریان به اجسام اطراف منتقل می کند. بنابراین، فرمول (1) برای کار جریان، مقدار گرمای منتقل شده توسط هادی به اجسام دیگر را تعیین می کند.

اگر در فرمول (1) ولتاژ را بر حسب جریان یا جریان را بر حسب ولتاژ با استفاده از قانون اهم برای بخشی از مدار بیان کنیم، سه فرمول معادل به دست می آوریم:

(2)

فرمول A = I 2 R t برای اتصال هادی ها به صورت سری مناسب است، زیرا قدرت جریان در این مورد در همه هادی ها یکسان است. برای اتصال موازی، فرمول زیر مناسب است: , زیرا ولتاژ همه هادی ها یکسان است.

قانون ژول لنز

قانونی که میزان گرمایی را که یک هادی با جریان در محیط آزاد می کند را تعیین می کند، اولین بار توسط دانشمند انگلیسی D. Joule (1818-1889) و دانشمند روسی E. H. Lenz (1804-1865) به صورت تجربی ایجاد شد. قانون ژول لنز به صورت زیر تدوین شد: مقدار گرمای تولید شده توسط هادی حامل جریان برابر است با حاصل ضرب مجذور جریان، مقاومت هادی و مدت زمانی که طول می کشد تا جریان از هادی عبور کند:

(3)

ما این قانون را با استفاده از استدلال مبتنی بر قانون بقای انرژی به دست آوردیم. فرمول (3) به شما امکان می دهد مقدار گرمای تولید شده در هر بخش از مدار حاوی هر هادی را محاسبه کنید.

قدرت فعلی.

هر وسیله الکتریکی (لامپ، موتور الکتریکی) به گونه ای طراحی شده است که انرژی معینی را در واحد زمان مصرف کند. بنابراین، در کنار کار، مفهوم قدرت فعلی توان فعلی برابر است با نسبت کار جاری در طول زمانt تا این بازه زمانی

طبق این تعریف

(4)

اگر از قانون اهم برای بخشی از مدار استفاده کنیم، این عبارت برای توان می تواند به چندین شکل معادل بازنویسی شود:

اکثر دستگاه ها میزان مصرف برق خود را نشان می دهند.

عبور جریان الکتریکی از یک هادی با آزاد شدن انرژی در آن همراه است. این انرژی توسط کار جریان تعیین می شود: حاصل ضرب بار و ولتاژ انتقال یافته در انتهای هادی.

نیروی محرکه برقی.

هر منبع جریان با نیروی الکتروموتور یا EMF مشخص می شود. بنابراین، روی یک باتری چراغ قوه گرد می گوید: 1.5 V. این به چه معناست؟

دو توپ فلزی حامل بارهایی با علائم مخالف را با یک هادی وصل کنید. تحت تأثیر میدان الکتریکی این بارها، جریان الکتریکی در هادی ایجاد می شود (شکل 1). اما این جریان بسیار کوتاه مدت خواهد بود. بارها به سرعت خنثی می شوند، پتانسیل توپ ها یکسان می شود و میدان الکتریکی ناپدید می شود.

نیروهای خارجی

برای اینکه جریان ثابت باشد، لازم است ولتاژ ثابتی بین توپ ها حفظ شود. این نیاز به یک دستگاه دارد (منبع فعلی)،که بارها را از یک توپ به توپ دیگر در جهت مخالف جهت نیروهای وارد بر این بارها از میدان الکتریکی توپ ها می برد. در چنین وسیله ای علاوه بر نیروهای الکتریکی، بارها باید توسط نیروهایی با منشاء غیرالکترواستاتیکی نیز وارد شوند (شکل 2). میدان الکتریکی ذرات باردار (میدان کولن) به تنهایی قادر به حفظ جریان ثابت در مدار نیست.

هر نیرویی که بر ذرات باردار الکتریکی وارد می شود، به استثنای نیروهای با منشا الکترواستاتیکی (یعنی کولن)، نیروهای خارجی نامیده می شود.

اگر به قانون بقای انرژی روی آوریم، نتیجه گیری در مورد نیاز به نیروهای خارجی برای حفظ جریان ثابت در مدار آشکارتر خواهد شد. میدان الکترواستاتیک پتانسیل است. کار این میدان هنگام حرکت ذرات باردار در طول یک مدار الکتریکی بسته صفر است. عبور جریان از طریق هادی ها با آزاد شدن انرژی همراه است - هادی گرم می شود. در نتیجه، در هر مداری باید منبعی از انرژی وجود داشته باشد که آن را به مدار برساند. در آن علاوه بر نیروهای کولن، نیروهای غیر بالقوه شخص ثالث نیز باید وارد عمل شوند. کار این نیروها در امتداد یک حلقه بسته باید با صفر متفاوت باشد. در فرآیند انجام کار توسط این نیروها است که ذرات باردار در داخل منبع جریان انرژی می گیرند و سپس آن را به هادی های مدار الکتریکی می دهند.

نیروهای شخص ثالث ذرات باردار را در تمام منابع جریان به حرکت در می آورند: در ژنراتورها در نیروگاه ها، در سلول های گالوانیکی، باتری ها و غیره.

هنگامی که یک مدار بسته می شود، میدان الکتریکی در تمام هادی های مدار ایجاد می شود. در داخل منبع جریان، بارها تحت تأثیر نیروهای خارجی در برابر نیروهای کولن (الکترون ها از یک الکترود با بار مثبت به یک الکترود منفی) حرکت می کنند.و در سرتاسر بقیه مدار توسط یک میدان الکتریکی هدایت می شوند (شکل 2 را ببینید).

قیاس بین جریان الکتریکی و جریان سیال.

برای درک بهتر مکانیسم تولید جریان، اجازه دهید به شباهت بین جریان الکتریکی در یک هادی و جریان مایع از طریق لوله ها بپردازیم.

در هر بخش از لوله افقی، به دلیل اختلاف فشار در انتهای بخش، مایع جریان می یابد. مایع در جهت کاهش فشار حرکت می کند. اما نیروی فشار در مایع نوعی نیروی کشسانی است که مانند نیروهای کولن بالقوه است. بنابراین کار این نیروها در مسیر بسته صفر است و این نیروها به تنهایی قادر به گردش طولانی مدت مایع در لوله ها نیستند. جریان مایع با تلفات انرژی ناشی از عمل نیروهای اصطکاک همراه است. یک پمپ برای گردش آب مورد نیاز است.

پیستون این پمپ بر روی ذرات مایع عمل می کند و اختلاف فشار ثابتی در ورودی و خروجی پمپ ایجاد می کند (شکل 3). این اجازه می دهد تا مایع از طریق لوله جریان یابد. پمپ شبیه منبع جریان است و نقش نیروهای خارجی توسط نیروی وارد بر آب از پیستون متحرک ایفا می شود. در داخل پمپ، سیال از مناطق با فشار کمتر به مناطق با فشار بیشتر جریان می یابد. اختلاف فشار مشابه ولتاژ است.

ماهیت نیروهای خارجی

ماهیت نیروهای خارجی می تواند متفاوت باشد. در ژنراتورهای نیروگاهی، نیروی خارجی نیرویی است که از یک میدان مغناطیسی بر روی الکترون های یک هادی متحرک وارد می شود. در درس فیزیک کلاس هشتم به طور مختصر به این موضوع پرداخته شد.

در یک سلول گالوانیکی، به عنوان مثال یک سلول ولتا، نیروهای شیمیایی عمل می کنند. سلول ولتا از الکترودهای روی و مس تشکیل شده است که در محلول اسید سولفوریک قرار گرفته اند. نیروهای شیمیایی باعث حل شدن روی در اسید می شوند. یون‌های روی با بار مثبت به محلول می‌رسند و خود الکترود روی دارای بار منفی می‌شود. (مس در اسید سولفوریک خیلی کم حل می شود.) اختلاف پتانسیل بین الکترودهای روی و مس ظاهر می شود که جریان را در مدار الکتریکی بسته تعیین می کند.

نیروی محرکه برقی.

عملکرد نیروهای خارجی با یک کمیت فیزیکی مهم به نام نیروی الکتروموتور (به اختصار EMF) مشخص می شود.

نیروی محرکه الکتریکی در یک مدار بسته نسبت کار انجام شده توسط نیروهای خارجی هنگام حرکت بار در طول مدار به بار است:

نیروی حرکتی الکتریکی بر حسب ولت بیان می شود.

ما می توانیم در مورد نیروی الکتروموتور در هر بخشی از مدار صحبت کنیم. این کار ویژه نیروهای خارجی است (کار برای جابجایی بار واحد) نه در کل مدار، بلکه فقط در یک منطقه معین. نیروی محرکه الکتریکی یک سلول گالوانیکیهنگامی که یک بار مثبت منفرد در داخل یک عنصر از یک قطب به قطب دیگر حرکت می کند، نیروهای خارجی کار می کنند. کار نیروهای خارجی را نمی توان از طریق اختلاف پتانسیل بیان کرد، زیرا نیروهای خارجی بالقوه نیستند و کار آنها به شکل مسیر بستگی دارد. بنابراین، برای مثال، کار نیروهای خارجی هنگام جابجایی شارژ بین پایانه های یک منبع جریان خارج از خود منبع صفر است.

اکنون می دانید EMF چیست. اگر باتری می گوید 1.5 ولت، به این معنی است که نیروهای خارجی (شیمیایی در این مورد) هنگام جابجایی شارژ 1 درجه سانتی گراد از یک قطب باتری به قطب دیگر، 1.5 ژول کار انجام می دهند. جریان مستقیم نمی تواند در مدار بسته وجود داشته باشد اگر هیچ نیروی خارجی در آن وارد نشود، یعنی EMF وجود نداشته باشد

شکل شماره 1 شکل شماره 2 شکل شماره 3

قانون OHM برای یک مدار کامل

نیروی محرکه الکتریکی قدرت جریان را در یک مدار الکتریکی بسته با مقاومت مشخص تعیین می کند.

با استفاده از قانون بقای انرژی، وابستگی قدرت جریان به EMF و مقاومت را خواهیم یافت.

بیایید ساده ترین مدار کامل (بسته) را در نظر بگیریم که از یک منبع جریان (سلول گالوانیکی، باتری یا ژنراتور) و یک مقاومت با مقاومت تشکیل شده است. آر(عکس. 1). منبع جریان دارای emf ε و مقاومت r است. مقاومت منبع اغلب مقاومت داخلی نامیده می شود در مقابل مقاومت خارجی R مدار.در ژنراتور r مقاومت سیم‌پیچ‌ها و در سلول گالوانیکی مقاومت محلول الکترولیت و الکترودها است.

قانون اهم برای مدار بسته جریان در مدار، emf و مقاومت کل R + r مدار.اگر از قانون بقای انرژی و قانون ژول لنز استفاده کنیم، می توان این ارتباط را به صورت نظری برقرار کرد.

بگذار زمان ببرد تیبار الکتریکی از سطح مقطع هادی عبور می کند qسپس کار نیروهای خارجی هنگام حرکت یک بار?q را می توان به صورت زیر نوشت: A st = ε · q. با توجه به تعریف قدرت جریان q = It . از همین رو

(1)

هنگام انجام این کار بر روی مقاطع داخلی و خارجی مدار که مقاومت آن r و R،مقداری گرما آزاد می شود. طبق قانون ژول لنز برابر است با:

Q = I 2 Rt + I 2 rتی(2)

با توجه به قانون بقای انرژی، A = Q. با معادل سازی (1) و (2)، به دست می آوریم:

ε = IR + Ir(3)

حاصل ضرب جریان و مقاومت یک بخش مدار اغلب نامیده می شود افت ولتاژ در این منطقهبنابراین، EMF برابر است با مجموع افت ولتاژ در بخش های داخلی و خارجی مدار بسته.

معمولا قانون اهم برای مدار بسته به شکل نوشته می شود

(4)

ظرفیت الکتریکی

هنگامی که باری به یک هادی وارد می شود، یک پتانسیل φ در سطح آن ظاهر می شود، اما اگر همان بار به هادی دیگر منتقل شود، پتانسیل متفاوت خواهد بود. این بستگی به پارامترهای هندسی هادی دارد. اما در هر صورت، φ پتانسیل متناسب با بار است q.

واحد SI ظرفیت خازنی فاراد است. 1 F = 1 C/1 V.

اگر پتانسیل سطح کره

(5.4.3)

(5.4.4)

اغلب در عمل، واحدهای کوچکتری از ظرفیت استفاده می شود: 1 nF (نانوفراد) = 10-9 F و 1 pkF (picofarad) = 10-12 F.

نیاز به دستگاه هایی وجود دارد که بار را جمع می کنند و هادی های ایزوله ظرفیت پایینی دارند. به طور تجربی کشف شد که ظرفیت الکتریکی یک هادی افزایش می یابد اگر هادی دیگری به آن نزدیک شود - به دلیل پدیده های القای الکترواستاتیک.

خازن - این دو هادی نامیده می شوند آسترها، نزدیک به یکدیگر قرار دارند .

طراحی به گونه ای است که بدنه های خارجی اطراف خازن بر ظرفیت الکتریکی آن تأثیر نمی گذارد. اگر میدان الکترواستاتیک در داخل خازن، بین صفحات متمرکز شود، این کار انجام می شود.

خازن ها مسطح، استوانه ای و کروی هستند.

از آنجایی که میدان الکترواستاتیک در داخل خازن قرار دارد، خطوط جابجایی الکتریکی از صفحه مثبت شروع می شود، به صفحه منفی ختم می شود و هیچ جا ناپدید نمی شود. بنابراین، اتهامات وارد شده بر روی صفحات در علامت مخالف، اما در قدر برابر است.

ظرفیت خازن برابر است با نسبت بار به اختلاف پتانسیل بین صفحات خازن:

(5.4.5)

علاوه بر ظرفیت خازن، هر خازن مشخص می شود Uبرده (یا Uو غیره . ) - حداکثر ولتاژ مجاز که بالاتر از آن خرابی بین صفحات خازن رخ می دهد.

اتصال خازن ها

باتری های خازنی– ترکیبی از اتصالات موازی و سری خازن ها.

1) اتصال موازی خازن ها (شکل 5.9):

در این حالت ولتاژ مشترک است U:

هزینه کل:

ظرفیت حاصل:

با اتصال موازی مقاومت ها مقایسه کنید آر:

بنابراین، هنگام اتصال خازن ها به صورت موازی، ظرفیت کل

ظرفیت کل بیشتر از بزرگترین ظرفیت موجود در باتری است.

2) اتصال سری خازن ها (شکل 5.10):

شارژ مشترک است q

یا ، از اینجا

(5.4.6)

مقایسه با اتصال سریال آر:

بنابراین، هنگامی که خازن ها به صورت سری متصل می شوند، ظرفیت کل کمتر از کوچکترین ظرفیت موجود در باتری است:

محاسبه ظرفیت خازن های مختلف

1.ظرفیت خازن صفحه موازی

قدرت میدان داخل خازن (شکل 5.11):

ولتاژ بین صفحات:

فاصله بین صفحات کجاست

از آنجایی که شارژ است

.

(5.4.7)

همانطور که از فرمول مشخص است، ثابت دی الکتریک یک ماده به شدت بر ظرفیت خازن تأثیر می گذارد. این را می توان به صورت تجربی نیز مشاهده کرد: ما الکتروسکوپ را شارژ می کنیم، یک صفحه فلزی را به آن می آوریم - یک خازن می گیریم (به دلیل القای الکترواستاتیک، پتانسیل افزایش یافته است). اگر یک دی الکتریک با ε بیشتر از هوا بین صفحات اضافه کنید، ظرفیت خازن افزایش می یابد.

از (5.4.6) می توانیم واحدهای اندازه گیری ε 0 را بدست آوریم:

(5.4.8)

.

2. ظرفیت خازن استوانه ای

اختلاف پتانسیل بین صفحات یک خازن استوانه ای نشان داده شده در شکل 5.12 را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

تمام وسایل الکترونیکی از خازن استفاده می کنند. هنگام طراحی یا ساخت آنها، پارامترهای دستگاه ها با استفاده از فرمول های خاص محاسبه می شود.

محاسبه خازن ها

یکی از پارامترهای اصلی چنین دستگاه هایی ظرفیت است. با استفاده از فرمول زیر قابل محاسبه است:

• ج – ظرفیت
• q بار یکی از صفحات عنصر است،
• U اختلاف پتانسیل بین صفحات است.

در مهندسی برق به جای مفهوم "تفاوت پتانسیل بین صفحات" از "ولتاژ در خازن" استفاده می شود.

ظرفیت المنت به طراحی و اندازه دستگاه بستگی ندارد، بلکه فقط به ولتاژ روی آن و شارژ صفحات بستگی دارد. اما این پارامترها ممکن است بسته به فاصله بین آنها و مواد دی الکتریک متفاوت باشد. این در فرمول در نظر گرفته شده است:

С=Co*ε، جایی که:

• ج – ظرفیت واقعی
• Co – ایده آل، به شرطی که بین صفحات خلاء یا هوا وجود داشته باشد.
• ε ثابت دی الکتریک ماده بین آنهاست.

به عنوان مثال، اگر از میکا به عنوان دی الکتریک استفاده شود که "ε" آن 6 است، ظرفیت چنین دستگاهی 6 برابر بیشتر از یک دستگاه هوا است و هنگامی که مقدار دی الکتریک تغییر می کند، پارامترهای طراحی تغییر می کند. عملکرد یک سنسور موقعیت خازنی بر اساس این اصل است.

واحد ظرفیت SI 1 فاراد (F) است. این مقدار زیادی است، بنابراین میکروفارادها (1000000mkF=1F) و پیکوفارادها (1000000pF=1mkF) بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند.

محاسبه سازه مسطح

• ε - ثابت دی الکتریک ماده عایق،
• د - فاصله بین صفحات.

محاسبه سازه استوانه ای

یک خازن استوانه ای دو لوله کواکسیال با قطرهای مختلف است که در یکدیگر قرار می گیرند. بین آنها دی الکتریک وجود دارد. هنگامی که شعاع سیلندرها نزدیک به یکدیگر و بسیار بزرگتر از فاصله بین آنها باشد، شکل استوانه ای را می توان نادیده گرفت و محاسبه را می توان به فرمولی شبیه به فرمولی که برای محاسبه یک خازن تخت استفاده می شود کاهش داد.

پارامترهای چنین دستگاهی با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

C=(2π*l*R*ε)/d، که در آن:

• l - طول دستگاه،
• R - شعاع سیلندر،
• ε – ثابت دی الکتریک مقره،
• د – ضخامت آن .

محاسبه ساختار کروی

وسایلی هستند که آسترهای آنها دو گوی تو در تو است. فرمول ظرفیت چنین دستگاهی به صورت زیر است:

C=(4π*l*R1*R2*ε)/(R2-R1)، که در آن:

• R1 - شعاع کره داخلی،
• R2 - شعاع کره بیرونی،
• ε – ثابت دی الکتریک.

ظرفیت یک هادی

علاوه بر خازن ها، هادی های مجزا نیز قابلیت انباشتن بار را دارند. هادی منفرد به هادی گفته می شود که بی نهایت از هادی های دیگر فاصله دارد. پارامترهای عنصر شارژ شده با فرمول محاسبه می شود:

• Q – شارژ،
• φ – پتانسیل هادی.

میزان شارژ با توجه به اندازه و شکل دستگاه و همچنین محیط تعیین می شود. جنس دستگاه مهم نیست.

روش های اتصال عناصر

موارد با پارامترهای مورد نیاز همیشه در دسترس نیستند. شما باید آنها را به روش های مختلف وصل کنید.

اتصال موازی

این اتصال قطعاتی است که در آن صفحات اول هر خازن به یک ترمینال یا کنتاکت متصل می شوند. در این حالت صفحات دوم به ترمینال دیگری متصل می شوند.

با چنین اتصالی، ولتاژ در تماس تمام عناصر یکسان خواهد بود. بار هر یک از آنها مستقل از دیگران رخ می دهد، بنابراین ظرفیت کل برابر است با مجموع همه مقادیر. با استفاده از فرمول پیدا می شود:

که در آن C1-Cn پارامترهای قطعات درگیر در اتصال موازی است.

مهم!خازن ها دارای حداکثر ولتاژ مجاز هستند که بیش از آن منجر به خرابی عنصر می شود. هنگام اتصال موازی دستگاه هایی با ولتاژهای مجاز مختلف، این پارامتر مجموعه حاصل برابر با عنصر با کمترین مقدار است.

اتصال سریال

این اتصالی است که در آن تنها یک صفحه از عنصر اول به ترمینال متصل است. صفحه دوم به صفحه اول عنصر دوم، صفحه دوم دوم به صفحه اول سوم و غیره متصل می شود. فقط صفحه دوم آخرین عنصر به ترمینال دوم متصل است.

با چنین اتصالی، شارژ صفحات خازن در هر دستگاه با بقیه برابر خواهد بود، اما ولتاژ روی آنها متفاوت خواهد بود: برای شارژ دستگاه هایی با ظرفیت بیشتر با همان شارژ، اختلاف پتانسیل کمتری لازم است. بنابراین، کل زنجیره یک ساختار است که اختلاف پتانسیل آن برابر با مجموع ولتاژهای همه عناصر و بار خازن برابر با مجموع بارها است.

اتصال سری ولتاژ مجاز را افزایش می دهد و ظرفیت کل را کاهش می دهد که کمتر از کوچکترین عنصر است.

این پارامترها به صورت زیر محاسبه می شوند:

• ولتاژ مجاز:

Utot=U1+U2+U3+…Un، که در آن U1-Un ولتاژ روی خازن است.

• ظرفیت کل:

1/Comm=1/C1+1/C2+1/C3+…1/Cn، که در آن C1-Cn پارامترهای هر دستگاه است.

جالب هست.اگر فقط دو عنصر در زنجیره وجود دارد، می توانید از فرمول ساده شده استفاده کنید: Total = (C1*C2)/(C1+C2).

ترکیب مخلوط

این اتصالی است که در آن قطعات به صورت سری و قطعات به صورت موازی متصل هستند. پارامترهای کل مدار به ترتیب زیر محاسبه می شود:

1. گروه هایی از عناصر متصل به موازات تعیین می شوند.
2. مقادیر معادل برای هر گروه به طور جداگانه محاسبه می شود.
3. در کنار هر گروه از قطعات موازی متصل، مقادیر حاصل نوشته می شود.
4. مدار حاصل معادل یک مدار ترتیبی است و با استفاده از فرمول های مناسب محاسبه می شود.

هنگام طراحی مدارهای الکترونیکی، دانستن فرمول هایی که به وسیله آنها می توان خازن را هنگام ساخت خازن یا اتصال آنها پیدا کرد، ضروری است.

ویدئو

بیایید مداری متشکل از یک خازن بدون شارژ با ظرفیت C و یک مقاومت با مقاومت R را به منبع تغذیه با ولتاژ ثابت U وصل کنیم (شکل 16-4).

از آنجایی که در لحظه روشن شدن خازن هنوز شارژ نشده است، ولتاژ دو طرف آن، بنابراین در مدار در لحظه اولیه زمان، افت ولتاژ در مقاومت R برابر با U است و جریانی ایجاد می شود، قدرت که

برنج. 16-4. شارژ خازن

عبور جریان i با تجمع تدریجی بار Q روی خازن همراه است، یک ولتاژ روی آن ظاهر می شود و افت ولتاژ در مقاومت R کاهش می یابد:

همانطور که از قانون دوم Kirchhoff آمده است. بنابراین، قدرت فعلی

کاهش می یابد، سرعت تجمع بار Q نیز کاهش می یابد، زیرا جریان در مدار است

با گذشت زمان، خازن به شارژ شدن ادامه می دهد، اما شارژ Q و ولتاژ روی آن بیشتر و آهسته تر رشد می کند (شکل 16-5) و جریان در مدار به تدریج به نسبت اختلاف ولتاژ کاهش می یابد.

برنج. 16-5. نمودار تغییرات جریان و ولتاژ هنگام شارژ خازن.

پس از یک بازه زمانی به اندازه کافی بزرگ (از لحاظ نظری بی نهایت طولانی)، ولتاژ روی خازن به مقداری برابر با ولتاژ منبع برق می رسد و جریان برابر با صفر می شود - فرآیند شارژ خازن به پایان می رسد.

فرآیند شارژ یک خازن طولانی‌تر است، مقاومت مدار R بیشتر می‌شود که جریان را محدود می‌کند و ظرفیت خازن C بیشتر می‌شود، زیرا با یک ظرفیت بزرگ، بار بیشتری باید جمع شود. سرعت فرآیند با ثابت زمانی مدار مشخص می شود

هرچه بیشتر باشد، روند کندتر است.

ثابت زمانی مدار دارای بعد زمان است، زیرا

پس از یک فاصله زمانی از لحظه روشن شدن مدار برابر با ولتاژ خازن تقریباً به 63 درصد ولتاژ منبع تغذیه می رسد و پس از این فاصله می توان فرآیند شارژ خازن را تکمیل شده تلقی کرد.

ولتاژ در خازن هنگام شارژ

یعنی برابر است با اختلاف بین ولتاژ ثابت منبع تغذیه و ولتاژ آزاد که با گذشت زمان طبق قانون یک تابع نمایی از مقدار U به صفر کاهش می یابد (شکل 16-5).

جریان شارژ خازن

جریان از مقدار اولیه به تدریج با توجه به قانون تابع نمایی کاهش می یابد (شکل 16-5).

ب) تخلیه خازن

اکنون روند تخلیه خازن C را در نظر می گیریم که از منبع تغذیه به ولتاژ U از طریق مقاومتی با مقاومت R شارژ می شود (شکل 16-6، جایی که سوئیچ از موقعیت 1 به موقعیت 2 منتقل می شود).

برنج. 16-6. تخلیه یک خازن به یک مقاومت.

برنج. 16-7. نمودار تغییرات جریان و ولتاژ هنگام تخلیه خازن.

در لحظه اولیه، جریانی در مدار ایجاد می شود و خازن شروع به تخلیه می کند و ولتاژ دو طرف آن کاهش می یابد. با کاهش ولتاژ، جریان در مدار نیز کاهش می یابد (شکل 16-7). پس از یک بازه زمانی، ولتاژ خازن و جریان مدار تا حدود 1% مقادیر اولیه کاهش می یابد و فرآیند تخلیه خازن را می توان تکمیل شده در نظر گرفت.

ولتاژ خازن در هنگام تخلیه

یعنی طبق قانون تابع نمایی کاهش می یابد (شکل 16-7).

جریان تخلیه خازن

یعنی مانند ولتاژ طبق همان قانون کاهش می یابد (شکل 6-7).

تمام انرژی ذخیره شده هنگام شارژ یک خازن در میدان الکتریکی آن به عنوان گرما در مقاومت R در هنگام تخلیه آزاد می شود.

میدان الکتریکی یک خازن شارژ شده که از منبع برق جدا شده است، نمی تواند برای مدت طولانی بدون تغییر بماند، زیرا دی الکتریک خازن و عایق بین پایانه های آن مقداری رسانایی دارند.

تخلیه خازن به دلیل نقص دی الکتریک و عایق را خود تخلیه می گویند. ثابت زمانی در حین تخلیه خود خازن به شکل صفحات و فاصله بین آنها بستگی ندارد.

فرآیندهای شارژ و دشارژ خازن را فرآیندهای گذرا می نامند.

دستورالعمل ها

ویدیو در مورد موضوع

مقایسه کننده به عنوان جایگزینی برای خازن در یک بازی معمولی

در نسخه معمولی (بدون پلاگین و مد) Minecraft چیزی به نام خازن وجود ندارد. به طور دقیق تر، دستگاهی وجود دارد که عملکردهای خود را انجام می دهد، اما نام آن کاملاً متفاوت است - مقایسه کننده. برخی سردرگمی ها در این زمینه در طول توسعه چنین دستگاهی رخ داد. ابتدا در نوامبر 2012، نمایندگان Mojang (شرکت سازنده بازی) از ظهور قریب الوقوع یک خازن در گیم پلی خبر دادند. با این حال، یک ماه بعد آنها اعلام کردند که این دستگاه به این شکل وجود نخواهد داشت، اما در عوض یک مقایسه کننده در بازی وجود خواهد داشت.

دستگاه مشابهی برای بررسی پر بودن ظروف واقع در پشت آن وجود دارد. اینها می توانند صندوقچه ها (از جمله به شکل تله)، قفسه های پخت و پز، دیسپنسرها، اجکتورها، اجاق ها، قیف های بارگیری و غیره باشند.

علاوه بر این، اغلب برای مقایسه دو سیگنال رداستون با یکدیگر استفاده می شود - نتیجه ای مطابق با نحوه برنامه ریزی آن در یک مدار مشخص و با چه حالتی برای خود مکانیسم انتخاب شده است. به ویژه، مقایسه کننده می تواند به مشعل اجازه دهد که اگر سیگنال اول بزرگتر یا مساوی با سیگنال دیگر باشد، روشن شود.

همچنین، گاهی اوقات یک خازن مقایسه کننده در کنار پخش کننده نصب می شود که ورودی آن را به دومی متصل می کند. هنگامی که یک رکورد در یک دستگاه بازتولید صدا پخش می شود، دستگاه فوق الذکر سیگنالی برابر با شماره سریال دیسک تولید می کند.

اگر منبعی نسبتاً سخت به دست آورید - جهنمی - ساختن چنین مقایسه کننده ای دشوار نیست. باید در شیار مرکزی میز کار قرار گیرد، سه مشعل قرمز رنگ بالای آن و در طرفین آن نصب شود و در ردیف پایین به همین تعداد بلوک سنگی نصب شود.

خازن های موجود در حالت های مختلف Minecraft

در تعداد زیادی از مدها خازن هایی وجود دارد که اهداف بسیار متفاوتی دارند. به عنوان مثال، در Galacticraft، جایی که گیمرها این فرصت را دارند که به سیارات زیادی پرواز کنند تا با واقعیت های آنجا آشنا شوند، دستوری برای ساخت یک خازن اکسیژن ظاهر می شود. برای ایجاد مکانیسم هایی مانند منیفولد و مخزن ذخیره گاز و همچنین قاب هوا استفاده می شود. برای ساخت آن، چهار صفحه فولادی در گوشه های میز کار قرار داده شده است، در مرکز یک قوطی حلبی و زیر آن یک مجرای هوا قرار دارد. سه سلول باقی مانده توسط صفحات حلبی اشغال شده است.

در JurassiCraft یک خازن شار وجود دارد - نوعی تله پورت که به شما امکان می دهد به دنیای بازی شگفت انگیزی که پر از دایناسورها است بروید. برای ایجاد چنین وسیله ای باید شش شمش آهن در دو ردیف عمودی بیرونی و دو الماس در ردیف میانی و یک واحد از غبار سنگ قرمز بین آنها قرار دهید. برای اینکه دستگاه کار کند، باید آن را روی خوک یا چرخ دستی قرار دهید و سپس روی آن کلیک راست کرده و به سرعت به آنجا بپرید. این امر مستلزم حفظ سرعت بالای دستگاه است.

با حالت Industrial Craft2، بازیکن این فرصت را دارد که حداقل دو نوع خازن حرارتی ایجاد کند - قرمز و لاجورد. آنها صرفاً برای خنک کردن راکتور هسته ای و ذخیره انرژی آن خدمت می کنند و برای ساختارهای چرخه ای از این نوع مفید هستند. آنها خود را به ترتیب با گرد و غبار قرمز یا لاجورد خنک می کنند.

کندانسور حرارتی قرمز از هفت واحد گرد و غبار سنگ قرمز ساخته شده است - آنها باید به شکل حرف P نصب شوند و یک سینک حرارتی و مبدل حرارتی در زیر آنها قرار داده شود. ساخت دستگاه لاجورد کمی پیچیده تر است. برای ایجاد آن، چهار واحد گرد و غبار سنگ قرمز در گوشه های دستگاه قرار می گیرد، یک بلوک لاجورد در مرکز قرار می گیرد، دو خازن حرارتی قرمز رنگ در طرفین آن، یک سینک حرارتی راکتور در بالا و مبدل حرارتی آن قرار می گیرد. در انتها.

در ThaumCraft که تاکید بر جادوی واقعی است، از خازن ها نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، یکی از آنها - کریستالی - برای تجمع و انتشار جادو وجود دارد. علاوه بر این، آنچه جالب است این است که ایجاد آن و بسیاری از چیزهای دیگر تنها پس از مطالعه یک عنصر خاص از گیم پلی مجاز است - تحقیقاتی که در یک میز خاص و با ابزار خاصی انجام می شود.

چنین خازن از هشت قطعه کسل کننده ساخته شده است که در مرکز آن یک بلوک چوبی عرفانی روی یک میز کار قرار می گیرد. متأسفانه چنین دستگاهی - و همچنین اجزای آن - فقط تا ThaumCraft 3 وجود داشت و در نسخه چهارم مود لغو شد.

منابع:

• درباره مقایسه کننده در Minecraft
• کندانسور اکسیژن در Galacticraft
• Mod JurassiCraft
• راکتور هسته ای در صنایع دستی 2
• خازن کریستالی در ThaumCraft