مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

شحن المكثفات

المكثف الكهربائي جهاز مكوّن من موصلين، أو لوحين فلزيين يفصل بينهما مادة عازلة، ويصمم ليكون له سعة كهربائية محددة. وتعتمد السعة الكهربائية للمكثف على خصائصه الفيزيائية، نفاذية الوسط الكهربائية، والأبعاد الهندسية للموصلين والعازل.

وفي الرسم التخطيطي للدائرة الكهربائية يبدو المكثف أنه ينشئ دائرة مفتوحة، حتى عندما يكون المفتاح الكهربائي مغلقًا. إلا أنه عند إغلاق المفتاح الكهربائي تنتقل الشحنات الكهربائية من البطارية، مصدر جهد مستمر، إلى المكثف؛ فيشحن لوحا المكثف بشحنتين متساويتين في المقدار ومختلفتين في النوع، ويتولد فرق جهد كهربائي بينهما.

وكلما زادت كمية الشحنة المتراكمة على المكثف ازداد فرق الجهد الكهربائي بين لوحيه. وفي هذه التجربة ستختبر شحن عدة مكثفات مختلفة.

سؤال التجربة

ما الزمن اللازم لشحن مكثفات مختلفة السعة الكهربائية؟

الأهداف

• تجمع البيانات وتنظمها حول المعدل الزمني اللازم لشحن مكثفات مختلفة.
• تقارن بين المعدلات الزمنية اللازمة لشحن مكثفات مختلفة.
• تنشئ رسومًا بيانية وتستخدمها لفرق الجهد مقابل زمن شحن عدة مكثفات.

احتياطات السلامة

تظهر في الصفحة رموز السلامة الخاصة بالحذر عند التعامل مع الدوائر الكهربائية، واستخدام أدوات الوقاية أثناء تنفيذ التجربة.

المواد والأدوات

| المواد والأدوات |
| ------------------------------- |
| بطارية 9 V |
| فولتمتر |
| مشابك أو مرابط خاصة ببطارية 9 V |
| مقاومة كهربائية 47 kΩ |
| أسلاك توصيل |
| ساعة إيقاف |
| مفتاح كهربائي |
| مكثف 1000 μF |
| مكثف 500 μF |
| مكثف 240 μF |

الخطوات

1

قبل بدء تنفيذ التجربة دع المفتاح الكهربائي مفتوحًا، ولا تصل البطارية.

تحذير: كن حذرًا وتجنب تكون دائرة قصر كهربائية، وخصوصًا عند تلامس السلكين الموصلين بقطبي البطارية معًا.

ركب الدائرة كما هو موضح في الصورة، وذلك بتوصيل أحد طرفي المقاومة بطرف المفتاح الكهربائي، حيث تستخدم المقاومة لتقليل شحن المكثف إلى معدل يكون فيه قابلًا للقياس، ثم صل الطرف الآخر للمقاومة مع القطب السالب للبطارية 9 V.

ثم تفحص المكثف 1000 μF؛ لتحدد أي طرفيه قد علّم بإشارة سالبة، أو سهم مع إشارة سالبة عليه، حيث يشير ذلك إلى الطرف الذي سيوصل مع القطب السالب للبطارية، ثم صل هذا القطب بالطرف الآخر للمفتاح الكهربائي.

وصل الطرف الموجب للمكثف مع الطرف الموجب للبطارية.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_شحن_المكثفات_الدائرة_والأدوات.png

2

صل الطرف الموجب للفولتمتر مع الطرف الموجب للمكثف، والطرف السالب للفولتمتر مع الطرف السالب للمكثف، ثم قارن بين الدائرة التي ركبتها والدائرة الموضحة في الصورة لتتأكد من صحة توصيلاتك.

ولا تصل البطارية إلا بعد أن يتحقق المعلم من صحة التوصيلات.

3

جهز جدول بيانات على أن تخصص أعمدة للزمن وأخرى لفرق الجهد لكل من المكثفات الثلاثة المختلفة.

4

يراقب أحد الطلاب الزمن الذي تقيسه ساعة الإيقاف، بينما يسجل طالب آخر فرق الجهد عند الوقت المناسب.

أغلق المفتاح الكهربائي، ثم قس فرق الجهد خلال فترات زمنية مقدارها 5 s.

افتح المفتاح الكهربائي بعد جمع البيانات.

5

عند الانتهاء من المحاولة، خذ سلكًا معزولًا وصله بطرفي المكثف.

سيعمل هذا على تفريغ المكثف.

6

ضع المكثف 500 μF بدلًا من المكثف 1000 μF، وكرر الخطوتين 4 و5، ودون البيانات في الجدول في العمود الخاص بالمكثف 500 μF.

7

ضع المكثف 240 μF بدلًا من المكثف 500 μF، وكرر الخطوات 4 و5، ودون البيانات في الجدول في العمود الخاص بالمكثف 240 μF.

جدول البيانات

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_بيانات_شحن_المكثفات.png

| الزمن (s) | فرق الجهد (V) عبر 1000 μF | فرق الجهد (V) عبر 500 μF | فرق الجهد (V) عبر 240 μF |
| --------: | ------------------------- | ------------------------ | ------------------------ |
| 0 | | | |
| 5 | | | |
| 10 | | | |
| 15 | | | |
| 20 | | | |
| 25 | | | |
| 30 | | | |
| 35 | | | |
| 40 | | | |
| 45 | | | |
| 50 | | | |
| 55 | | | |
| 60 | | | |
| 65 | | | |
| 70 | | | |
| 75 | | | |
| 80 | | | |
| 85 | | | |
| 90 | | | |
| 95 | | | |
| 100 | | | |
| 105 | | | |

التحليل

1. لاحظ واستنتج

هل شحن كل مكثف بحيث أصبح فرق الجهد بين طرفيه 9 V؟ اقترح تفسيرًا للسلوك الملاحظ.

2. أنشئ الرسوم البيانية واستخدمها

أعد رسمًا بيانيًا على أن يكون الزمن على المحور الأفقي x، وفرق الجهد على المحور الرأسي y.

ارسم خطًا بيانيًا منفصلًا خاصًا بكل مكثف.

الاستنتاج والتطبيق

1. فسر البيانات

هل يصل جهد المكثف لحظيًا إلى جهد مساوٍ لفرق الجهد بين طرفي البطارية 9 V؟ وضح سبب السلوك الملاحظ.

2. استنتج

هل يحتاج المكثف الأكبر سعة إلى زمن أكبر حتى يشحن تمامًا؟ ولماذا؟

التوسع في البحث

1

يعتمد الزمن اللازم لشحن مكثف، أي حتى يصل فرق الجهد بين طرفيه إلى فرق الجهد بين طرفي البطارية، على سعته ومقاومته لتدفق الشحنات خلال الدائرة.

في هذه التجربة ضبطت مقاومة تدفق الشحنات عن طريق توصيل مقاومة مقدارها 47 kΩ في الدائرة.

في الدوائر الكهربائية التي تتضمن مكثفًا ومقاومة مثل الدائرة الواردة في هذه التجربة، فإن الزمن، مقيسًا بالثانية، اللازم لشحن المكثف بنسبة 63.3% من الجهد المطبق يساوي حاصل ضرب السعة في المقاومة، ويسمى هذا ثابت الزمن.

لذا فإن:

T = RC

حيث:

| الرمز | المعنى |
| ----- | -------------------------- |
| T | ثابت الزمن مقيسًا بالثواني |
| R | المقاومة مقيسة بالأوم |
| C | السعة مقيسة بالفاراد |

احسب ثابت الزمن لكل مكثف عند توصيله بالمقاومة 47 kΩ.

2

قارن بين ثابت الزمن الذي حصلت عليه والقيم التي حصلت عليها من الرسم البياني.

الفيزياء في الحياة

وضح

آلات التصوير، الكاميرات، الصغيرة المزودة بوامض، فلاش، مخصص للاستعمال مرة واحدة فقط، ووحدات الفلاش الإلكترونية العادية تحتاج إلى مرور زمن معين حتى يصبح الفلاش جاهزًا للاستعمال، حيث يعمل المكثف فيها على تخزين الطاقة لعمل الفلاش.

وضح ما يحدث خلال الزمن الذي يجب أن تنتظره لأخذ الصور الثانية بهذا النوع من الكاميرات.

كيف تعمل مانعة الصواعق؟

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
كيف_تعمل_مانعة_الصواعق.png

How it Works

lightning Rods?

مانعة الصواعق؟

قد يكون البرق مدمرًا بصورة كبيرة؛ إذ ينتج عنه تيارات كهربائية كبيرة جدًا في مواد رديئة التوصيل؛ مما يؤدي إلى توليد كمية كبيرة من الحرارة.

لذا تستخدم مانعة الصواعق لحماية الأبنية عن طريق تبديد بعض الشحنات قبل حدوث ضربة الصاعقة؛ حيث توفر قضبان مانعة الصواعق مسارًا آمنًا للتيار الكهربائي؛ وذلك لأنها موصلات جيدة.

وقد اخترع مانعة الصواعق العالم بنيامين فرانكلين في خمسينات القرن الثامن عشر.

1

تتجمع الشحنات السالبة في العاصفة الرعدية، وتتراكم في المناطق السفلية من السحب، ويتنافر المجال الكهربائي للشحنات السالبة على السحابة مع الإلكترونات التي على الأرض، مما يؤدي إلى أن تكون منطقة أو طرف على الأرض مشحونة بشحنة موجبة عن طريق الحث.

2

يسرع المجال الكهربائي الكبير الإلكترونات والأيونات، مما يسبب سلسلة من التفاعلات في الهواء، مكونًا البلازما.

ويعد الهواء المتأين مادة موصلة، حيث يتفرع خارجًا من الغيوم مكونًا ما يسمى عتبات قيادة التفريغ، الشعاع القائد:

step leaders

3

تنطلق الشحنات الموجبة في صورة شرارة خارجة من قضيب مانعة الصواعق لتقابل الشعاع القائد، فيكتمل المسار الموصل، ويعمل التيار على معادلة الشحنات المنفصلة.

وحتى إذا لم تضرب الشرارة قضيب مانعة الصواعق مباشرة فسيبقى التيار الهائل قادرًا على الوصول إلى قضيب مانعة الصواعق، وهو المسار الأقل ممانعة، مقاومة، إلى الأرض.

4

ينتقل التيار الكهربائي بأمان خلال الموصل إلى سطح الأرض.

التفكير الناقد

1. كوّن فرضية

ما المسار الذي يسلكه التيار الكهربائي ليصل إلى الأرض إذا لم يكن المنزل مزودًا بمانعة صواعق أثناء ضربة الصاعقة؟

2. قوّم

هل يجب أن تكون المقاومة بين نهاية مانعة الصواعق المتصل بالأرض والأرض كبيرة أم صغيرة؟

3. استنتج

ما المخاطر الناتجة عن التركيب غير الصحيح لنظام مانعة الصواعق؟