آزمایشگاه خازن و دی‌الکتریک

Q: چرا قرار دادن یک تخته دیالکتریک ظرفیت خازنی خازن را افزایش میدهد؟

میدان الکتریکی خارجی مولکولها را در داخل دیالکتریک عایق قطبی میکند و انتهای مثبت آنها را به سمت صفحه منفی و انتهای منفی را به سمت صفحه مثبت همراستا میکند. این یک میدان الکتریکی مخالف کوچک در داخل تخته ایجاد میکند و به باتری اجازه میدهد تا kappa برابر بار بیشتر را با همان ولتاژ روی صفحات فشار دهد.

Q: چرا انرژی ذخیرهشده U با مربع ولتاژ (V²) رشد میکند؟

از آنجا که بار ذخیرهشده Q = C V خود با ولتاژ V متناسب است، هر واحد اضافی بار باید در برابر اختلاف پتانسیل به طور فزایندهای بالاتر روی صفحه هل داده شود، که U = 1/2 Q V = 1/2 C V² را به دست میدهد.

Q: آیا جریان از طریق شکاف بین صفحات خازن جریان مییابد؟

هیچ جریان هدایتی از هوا یا شکاف دیالکتریک عایق عبور نمیکند. در عوض، جریان شارژ از طریق سیمهای باتری خارجی جریان مییابد تا زمانی که ولتاژ دو سر صفحات برابر با ولتاژ باتری شود.

دربارهٔ این شبیه‌سازی

آزمایشگاه خازن و دی‌الکتریک یک شبیه‌سازی الکترواستاتیک سه‌بعدی است که در آن دانش‌آموزان هندسه و ماده دی‌الکتریک یک خازن موازی‌صفحه را دستکاری می‌کنند. دو صفحه فلزی به یک باتری DC قابل تنظیم سیم‌کشی شده‌اند در حالی که بارهای سطحی قرمز (+) و آبی (−) روی سطوح داخلی جمع می‌شوند و فلش‌های برداری فیروزه‌ای میدان الکتریکی یکنواخت E = V / d را نمایش می‌دهند. دانش‌آموزان می‌توانند صفحه بالایی را به سمت بالا یا پایین بکشند تا فاصله d تغییر کند، مساحت صفحه A را تغییر دهند، و یک تخته دی‌الکتریک کهربایی را به صورت افقی به درون شکاف بکشید. در داخل تخته، دمبل‌های دوقطبی مولکولی به طور محسوسی می‌چرخند تا با میدان همراستا شوند، که نشان می‌دهد چرا یک دی‌الکتریک ظرفیت خازنی را بر اساس C = kappa epsilon_0 A / d افزایش می‌دهد.

دانش‌آموزان چه چیزهایی را می‌توانند کاوش کنند

صفحه بالایی را به سمت پایین بکشید تا فاصله صفحه d نصف شود و تأیید کنید که ظرفیت خازنی C، بار ذخیره‌شده Q، و میدان الکتریکی E همگی دو برابر می‌شوند.
تخته دی‌الکتریک کهربایی را از 0% تا 100% درج بکشید و تماشا کنید که بارهای + و - اضافی از باتری روی صفحات جریان می‌یابند زیرا ظرفیت خازنی در kappa ضرب می‌شود.
با نمای دوربین شکاف و دوقطبی‌ها بزرگ‌نمایی کنید و ولتاژ باتری V را تغییر دهید تا تماشا کنید دوقطبی‌های مولکولی قرمز/آبی داخل دی‌الکتریک در همراستایی می‌چرخند.
مساحت صفحه A را از 100 cm² به 400 cm² افزایش دهید و بررسی کنید که ظرفیت خازنی C و انرژی ذخیره‌شده U چهار برابر می‌شوند.
انرژی ذخیره‌شده U = 1/2 C V² را در 6 V و 12 V مقایسه کنید تا تأیید کنید که دو برابر کردن ولتاژ، انرژی الکترواستاتیک ذخیره‌شده را چهار برابر می‌کند.

اهداف یادگیری

1ظرفیت خازنی موازی‌صفحه را از هندسه صفحه و گذردهی با استفاده از C = kappa epsilon_0 A / d محاسبه کنید.
2توضیح دهید در سطح مولکولی چگونه قطبی شدن دوقطبی در داخل یک دی‌الکتریک میدان داخلی خالص را ضعیف می‌کند و ظرفیت خازنی را افزایش می‌دهد.
3پیش‌بینی کنید که تغییر ولتاژ V، مساحت صفحه A، یا فاصله d چگونه بر بار ذخیره‌شده Q = C V و انرژی ذخیره‌شده U = 1/2 C V² تأثیر می‌گذارد.
4شدت میدان الکتریکی یکنواخت بین صفحات را با ولتاژ و فاصله شکاف از طریق E = V / d مرتبط کنید.

پرسش‌هایی که معلم‌ها می‌پرسند

چرا قرار دادن یک تخته دی‌الکتریک ظرفیت خازنی خازن را افزایش می‌دهد؟

میدان الکتریکی خارجی مولکول‌ها را در داخل دی‌الکتریک عایق قطبی می‌کند و انتهای مثبت آن‌ها را به سمت صفحه منفی و انتهای منفی را به سمت صفحه مثبت همراستا می‌کند. این یک میدان الکتریکی مخالف کوچک در داخل تخته ایجاد می‌کند و به باتری اجازه می‌دهد تا kappa برابر بار بیشتر را با همان ولتاژ روی صفحات فشار دهد.

فاصله صفحه d چگونه بر ظرفیت خازنی و میدان الکتریکی تأثیر می‌گذارد؟

ظرفیت خازنی C = kappa epsilon_0 A / d و میدان الکتریکی E = V / d هر دو با فاصله d نسبت معکوس دارند. نزدیک‌تر کردن صفحات به یکدیگر جاذبه بین بارهای مخالف روی دو صفحه را تقویت می‌کند و C، Q، U و E را افزایش می‌دهد.

چرا انرژی ذخیره‌شده U با مربع ولتاژ (V²) رشد می‌کند؟

از آنجا که بار ذخیره‌شده Q = C V خود با ولتاژ V متناسب است، هر واحد اضافی بار باید در برابر اختلاف پتانسیل به طور فزاینده‌ای بالاتر روی صفحه هل داده شود، که U = 1/2 Q V = 1/2 C V² را به دست می‌دهد.

آیا جریان از طریق شکاف بین صفحات خازن جریان می‌یابد؟

هیچ جریان هدایتی از هوا یا شکاف دی‌الکتریک عایق عبور نمی‌کند. در عوض، جریان شارژ از طریق سیم‌های باتری خارجی جریان می‌یابد تا زمانی که ولتاژ دو سر صفحات برابر با ولتاژ باتری شود.

این شبیه‌سازی را جاسازی کنید

آن را در LMS، وبلاگ یا وب‌سایت کلاس خود قرار دهید — رایگان.

<iframe src="https://kiwibee.io/fa/simulations/parallel-plate-capacitor-3d-3d-simulation/embed" title="آزمایشگاه خازن و دی‌الکتریک | KiwiBee" loading="lazy" allowfullscreen style="width:100%;height:min(70vh,620px);min-height:420px;border:0;border-radius:16px"></iframe>

کاوش را ادامه دهید

Explore an adult male reference body in 3D. Reveal 14 anatomical systems, search thousands of named structures, isolate organs, and pull 2,209 modeled pieces apart to see how the body is organized.

—

Explore the head and neck in 3D: 643 source meshes across 14 layers, 47 facial and masticatory muscles, and 77 drawn nerves, vessels and glands the source scan omits. Open any tooth onto its own pulp canal, and follow the seven stages of tooth development.

—