Kondensator jako magazyn energii

Podstawy programowe: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Sprawdzić, że naładowany kondensator gromadzi energię i może zasilać żarówkę.

Układ

Źródło 6 V, wyłącznik (zamknięty), opornik 10 Ω i kondensator 0,47 F połączone szeregowo (kondensator o takiej pojemności to superkondensator: zestaw ogniw o małym oporze wewnętrznym, o napięciu znamionowym 6 V lub wyższym); równolegle do kondensatora — żarówka 6 V / 0,5 W i woltomierz. Po otwarciu doświadczenia kondensator jest rozładowany i zaczyna się ładować.

Przebieg doświadczenia

1. Odczekać około 20 s, aż wskazanie woltomierza przestanie rosnąć, i zapisać je.
2. Rozewrzeć wyłącznik i obserwować żarówkę oraz woltomierz.
3. Obliczyć zgromadzoną energię \(W = C \cdot U^2 / 2\) na podstawie napięcia z kroku 1.

Oczekiwany wynik

Po otwarciu doświadczenia żarówka świeci coraz jaśniej w miarę ładowania kondensatora; po 15–20 s napięcie na nim ustala się na około 5,2 V — część napięcia odkłada się na oporniku 10 Ω. Po rozwarciu wyłącznika żarówka nie gaśnie od razu, lecz stopniowo przygasa w ciągu mniej więcej pół minuty: zasila ją kondensator, a napięcie na nim spada. Zgromadzona energia wynosi około 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 J.

Pytania

1. Skąd pochodzi energia, gdy wyłącznik jest rozwarty?
2. Jak zmieni się czas świecenia, jeśli użyć kondensatora o dwa razy większej pojemności?

Odpowiedzi

1. Z pola elektrycznego naładowanego kondensatora. Gdy wyłącznik był zamknięty, źródło zgromadziło w nim około 6,3 J; po rozwarciu wyłącznika kondensator rozładowuje się przez żarówkę, a jego napięcie spada, w miarę jak ta energia zamienia się w ciepło i światło we włóknie.
2. Czas świecenia się podwaja, do około minuty. Przy tym samym napięciu 5,2 V kondensator gromadzi dwa razy więcej energii, około 12,7 J, a żarówka przy każdym napięciu pobiera ten sam prąd, więc napięcie spada dwa razy wolniej; ładowanie w kroku 1 też trwa dwa razy dłużej.