Конденсатор як накопичувач енергії

Програми: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

Відкрити повну версію ↗

Мета

Перевірити, що заряджений конденсатор накопичує енергію і може живити лампочку.

Установка

Джерело 6 В, вимикач (замкнений), резистор 10 Ом і конденсатор 0,47 Ф, з’єднані послідовно (конденсатор такої ємності — це суперконденсатор: збірка з елементів із малим внутрішнім опором, розрахована на 6 В і більше); паралельно до конденсатора — лампочка 6 В / 0,5 Вт і вольтметр. Коли установку відкрито, конденсатор розряджений і починає заряджатися.

Хід роботи

1. Зачекайте близько 20 с, поки показання вольтметра не перестануть зростати, і запишіть їх.
2. Розімкніть вимикач і спостерігайте за лампочкою та вольтметром.
3. Обчисліть накопичену енергію \(W = C \cdot U^2 / 2\) за напругою з пункту 1.

Очікуваний результат

Після відкриття досліду лампочка світить дедалі яскравіше, поки конденсатор заряджається; через 15–20 с напруга на ньому встановлюється на рівні близько 5,2 В — частина напруги спадає на резисторі 10 Ом. Після розмикання вимикача лампочка гасне не відразу, а поступово тьмяніє протягом приблизно півхвилини: її живить конденсатор, і напруга на ньому зменшується. Накопичена енергія становить близько 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 Дж.

Запитання

1. Звідки береться енергія, коли вимикач розімкнений?
2. Як зміниться час світіння, якщо взяти конденсатор удвічі більшої ємності?

Відповіді

1. З електричного поля зарядженого конденсатора. Поки вимикач був замкнений, джерело накопичило в ньому близько 6,3 Дж; після розмикання вимикача конденсатор розряджається через лампочку, і його напруга зменшується в міру того, як ця енергія перетворюється на теплоту і світло в нитці розжарення.
2. Час світіння подвоїться — приблизно до хвилини. За тієї самої напруги 5,2 В конденсатор накопичує вдвічі більше енергії, близько 12,7 Дж, а лампочка за кожної напруги споживає такий самий струм, тому напруга зменшується вдвічі повільніше; заряджання в пункті 1 теж триває вдвічі довше.