المكثف مخزنًا للطاقة
المناهج: AP2, A-level, Tle, Sek I/II
الهدف¶
التحقق من أن المكثف المشحون يخزن الطاقة ويستطيع تشغيل مصباح.
التجهيز¶
مصدر 6 V ومفتاح (مغلق) ومقاومة 10 Ω ومكثف 0.47 F على التوالي (مكثف بهذه المواسعة مكثف فائق: مجموعة من الخلايا ذات مقاومة داخلية منخفضة، جهدها المقنن 6 V فأكثر)؛ وعلى التوازي مع المكثف مصباح 6 V / 0.5 W وفولتميتر. عند فتح المنضدة يكون المكثف مفرَّغًا ويبدأ بالشحن.
خطوات العمل¶
- انتظر نحو 20 s حتى تتوقف قراءة الفولتميتر عن الارتفاع، وسجّلها.
- افتح المفتاح وراقب المصباح والفولتميتر.
- احسب الطاقة المخزنة \(W = C \cdot U^2 / 2\) من الجهد في الخطوة 1.
النتيجة المتوقعة
بعد فتح المنضدة يزداد سطوع المصباح مع شحن المكثف؛ وبعد 15–20 s يستقر الجهد بين طرفيه عند نحو 5.2 V، إذ يهبط جزء من الجهد على المقاومة 10 Ω. بعد فتح المفتاح لا ينطفئ المصباح فورًا بل يخفت تدريجيًا خلال نحو نصف دقيقة: فالمكثف هو الذي يغذيه، والجهد بين طرفيه يهبط. الطاقة المخزنة نحو 0.47 · 5.2² / 2 ≈ 6.3 J.
الأسئلة¶
- من أين تأتي الطاقة عندما يكون المفتاح مفتوحًا؟
- كيف يتغير زمن التوهج إذا استخدمت مكثفًا مواسعته ضعف هذه المواسعة؟
الإجابات
- من المجال الكهربائي للمكثف المشحون. حين كان المفتاح مغلقًا خزّن المصدر فيه نحو 6.3 J؛ وبعد فتح المفتاح يُفرِّغ المكثف شحنته عبر المصباح، ويهبط جهده مع تحوّل تلك الطاقة إلى حرارة وضوء في الفتيل.
- يتضاعف زمن التوهج فيصبح نحو دقيقة. عند الجهد نفسه، 5.2 V، يخزن المكثف ضعف الطاقة، نحو 12.7 J، ويسحب المصباح التيار نفسه عند كل جهد، فيهبط الجهد بنصف السرعة؛ ويستغرق الشحن في الخطوة 1 أيضًا ضعف الزمن.