As experiências com capacitores são um centro científico e técnico juvenil. Breve Teoria

Recentemente, descobrimos, e agora vamos ficar ocupados capacitores.

Capacitor   é um dispositivo para acumular carga e energia campo elétrico   . Estruturalmente é um "sanduíche" feito de dois condutores e um dielétrico, que pode ser um vácuo, gás, líquido, orgânico ou inorgânico sólido. Os primeiros condensadores domésticos (frascos de vidro com tiro, colados com papel alumínio) foram feitos em 1752 por M. Lomonosov e G. Rikhman.

O que pode ser interessante em um capacitor? Começando a trabalhar neste artigo, pensei que poderia coletar e resumir tudo sobre esse detalhe primitivo. Mas, ao nos familiarizarmos com o capacitor, fiquei surpreso ao perceber que era impossível dizer aqui a centésima parte de todos os mistérios e milagres escondidos nele ...

O condensador já tem mais de 250 anos de idade, mas nem sequer pensa que está desatualizado. Além disso, 1 kg de "condensadores simples comuns" armazena menos energia do que um quilograma de pilhas ou células de combustível, mas é capaz de entregá-lo mais rápido, enquanto desenvolve mais energia. - Com uma descarga rápida do capacitor, é possível obter um pulso de alta potência, por exemplo, em unidades de flash, lasers pulsados ​​com bombeamento óptico e colisionadores. Existem capacitores em quase qualquer instrumento, então, se você não possui novos capacitores, pode drená-los a partir daí para experiências.

Carga do capacitor   é o valor absoluto da carga de uma das suas placas. É medido em coulombs e é proporcional ao número de elétrons desnecessários (-) ou ausentes (+). Para cobrar uma carga em 1 pingente, você precisa de 6241509647120420000 elétron. Em uma bolha de hidrogênio, o tamanho de uma combinação é aproximadamente o mesmo.

Em um condutor carregado, as cargas tendem a escorrer umas das outras o mais longe possível e, portanto, não estão na espessura do condensador, mas na camada superficial do metal, como uma película de gasolina na superfície da água. Se dois condutores formam um capacitor, essas cargas em excesso são coletadas uma contra a outra. Porque quase todo o campo elétrico do condensador é concentrado entre suas placas.

Em cada prato, as taxas são distribuídas de modo a estar fora do caminho dos vizinhos. E eles são bastante espaçosos: em um condensador de ar com uma distância entre placas de 1 mm, carregado para 120 V, a distância média entre elétrons é de mais de 400 nanômetros, que é milhares vezes maior do que a distância entre átomos (0,1-0,3 nm) e Isso significa que milhões de átomos de superfície têm apenas um elétron extra (ou que falta).

Se o reduzir a distância   entre as placas, as forças de atração aumentarão, e com a mesma tensão, as cargas nas placas poderão "se dar bem" mais densamente. A capacidade aumentará capacitor. Assim como o professor desavisado da Universidade de Leiden van Mushenbrock. Ele substituiu a garrafa de paredes grossas do primeiro condensador do mundo (criado pelo sacerdote alemão von Kleist em 1745) com um jarro de vidro fino. Ele carregou e tocou, e depois de dois dias depois recuperou a consciência de que ele não concordaria em repetir a experiência, mesmo que o reino francês tivesse prometido.

Se colocarmos um dielétrico entre os pratos, eles o polarizam, isto é, eles atraem diferentes cargas de que consiste. Isso terá o mesmo efeito que se as placas estivessem próximas. Um dielétrico com alta permissividade relativa pode ser considerado como um bom transportador de campo elétrico. Mas nenhum transportador é ideal, então, não importa o quão maravilhoso um dielétrico seja adicionado ao já existente, a capacitância do condensador só diminuirá. Aumente a capacidade só é possível se você adicionar um dielétrico (ou mesmo melhor - um condutor) em vez de   já disponível, mas possui um ε menor.

Não há taxas gratuitas em dielétricos. Todos eles são fixados na rede cristalina, ou em moléculas - polares (representando dipolos) ou não. Se não houver campo externo, o dielétrico não é polarizado, os dipolos e as cargas livres são dispersos aleatoriamente e o dielétrico do campo intrínseco não. No campo elétrico está polarizado: os dipolos são orientados ao longo do campo. Uma vez que existem muitos dipolos moleculares, quando são orientados, os prós e contras dos dipolos vizinhos no dielétrico compensam-se mutuamente. Apenas cargas superficiais permanecem descompensadas - em uma superfície - uma, por outro - da outra. As cobranças gratuitas no campo externo também derivam e se separam.

Neste caso, diferentes processos de polarização ocorrem a taxas diferentes. É uma coisa - o deslocamento de conchas eletrônicas, que ocorrem quase que instantaneamente, outra coisa - a rotação de moléculas, especialmente grande, a terceira - a migração de cargas gratuitas. Os dois últimos processos, obviamente, dependem da temperatura, e nos líquidos vão muito mais rapidamente do que nos sólidos. Se o dielétrico for aquecido, os dipolos rodam e a migração de carga acelera. Se o campo estiver desligado, a despolarização do dielétrico também não ocorre instantaneamente. Permanece por um tempo polarizado, até o movimento térmico não espalhar as moléculas no estado caótico inicial. Portanto, para capacitores onde a polaridade é comutada com alta freqüência, apenas os dielétricos não polares são adequados: fluoroplástico, polipropileno.

Se você desmontar um capacitor carregado e depois montar (pinças de plástico), a energia não irá em qualquer lugar, e o LED poderá piscar. Ele ainda pisca se você conectá-lo ao capacitor em condições desmontadas. É compreensível - quando a desmontagem da carga das placas não desapareceu, e a tensão aumentou mesmo, à medida que a capacitância diminuiu e agora o revestimento está a brotar diretamente das cargas. Aguarde, como essa tensão está crescendo, porque então a energia crescerá? Por isso, informamos o sistema de energia mecânica, superando a atração Coulomb das placas. Na verdade, esta e a característica de eletrificação do atrito - engatam os elétrons à uma distância da ordem do tamanho dos átomos e os arrastam para uma distância macroscópica, aumentando assim a tensão de vários volts (e esta é a tensão nas ligações químicas) para dezenas e centenas de milhares de volts. Agora, é compreensível porque uma jaqueta sintética não está chocada quando está desgastada, mas somente quando você tira isso? Espere, por que não até bilhões? Um decimeter é um bilhão de vezes maior do que um angstrom, no qual arrancamos elétrons? Como o trabalho ao mover a carga em um campo elétrico é igual à Eq integral sobre d e este E ele mesmo enfraquece com a distância quadraticamente. E, se em todo o decimetre entre o casaco eo nariz, havia o mesmo campo que dentro das moléculas, então clicaria no nariz e bilhões de volts.

Vamos verificar esse fenômeno - um aumento na tensão quando o capacitor é esticado - experimentalmente. Eu escrevi um programa simples sobreVisual Básico para receber dados do nosso controlador PMK018 e apresente-os para a tela. Em geral, tomamos duas placas de textólito de 200х150 mm, cobertas com papel alumínio de um lado e soldamos a fiação que conduz ao módulo de medição. Em seguida, colocamos um deles um isolador - um pedaço de papel - e cubra com um segundo prato. As placas não se encaixam firmemente, então nós as pressionamos no corpo da caneta-tinteiro (se você pressionar com a mão, você pode criar interferências).

O circuito de medição é simples: um potenciômetroR1 define a tensão (no caso em que é 3 volts) aplicado ao capacitor e o botãoS1 serve para alimentá-lo ao condensador, ou não para fornecer.

Então, clique e solte o botão - veremos o gráfico mostrado à esquerda. O capacitor é rapidamente descarregado através da entrada do osciloscópio. Agora vamos tentar aliviar a pressão sobre as placas durante a descarga - veremos a tensão de pico no gráfico (à direita). Este é apenas o efeito desejado. Ao mesmo tempo, a distância entre as placas do capacitor aumenta, a capacitância cai e, portanto, o capacitor começa a descarregar ainda mais rápido.

Parece que estamos à beira de uma grande invenção ... Afinal, se ao expandir as placas sobre elas, a tensão cresce, e a carga permanece a mesma, então você pode tomar dois capacitores, estender as placas sobre elas e no ponto de expansão máxima transfira a carga para um capacitor estacionário. Em seguida, retorne as placas ao local e repita o mesmo, afastando o outro capacitor. Teoricamente, a tensão em ambos os capacitores crescerá com cada ciclo um certo número de vezes. Excelente idéia para um gerador elétrico! Será possível criar novos projetos para moinhos de vento, turbinas e tudo isso! Então, está bem ... por conveniência, você pode colocar tudo isso em dois discos girando em direções opostas .... oh, o que é isso ... ugh, esta é uma máquina de eletro-neblina da escola! :(

Como gerador, não se enraizou, pois é inconveniente lidar com essas tensões. Mas na nanociência, tudo pode mudar. Os fenômenos magnéticos nas nanoestruturas são muitas vezes mais fracos que os elétricos, e os campos elétricos ali, como já vimos, são enormes, então uma máquina de eletroforese molecular pode se tornar muito popular.

Condensador como detentor de energia

Certifique-se de que o capacitor mais insignificante armazena energia com muita facilidade. Para isso precisamos de um transparente lED   luz vermelha e uma fonte de corrente constante (uma bateria de 9 volts fará, mas se a tensão nominal do capacitor permitir, é melhor tomar mais). A experiência é carregar o capacitor e, em seguida, conecte o LED a ele (não se esqueça da polaridade) e veja enquanto pisca. Em um quarto escuro, um flash é visível, mesmo de capacitores em dezenas de picofarads. São cerca de cem milhões de elétrons que emitem cem milhões de fótons. No entanto, este não é o limite, porque o olho humano pode notar uma luz muito mais fraca. Eu simplesmente não encontrei capacitores ainda menos espaçosos. Se a conta foi para milhares de microfarads, tenha pena do LED e, em vez disso, feche o capacitor para um objeto metálico para ver a faísca - uma evidência óbvia da presença de energia no capacitor.

A energia de um condensador carregado se comporta como uma energia mecânica potencial - a energia de uma mola comprimida levantada até a altura da carga ou o tanque de água (e a energia do indutor, por outro lado, é semelhante à energia cinética). A capacidade de um capacitor para armazenar energia tem sido usada há muito tempo para garantir o funcionamento contínuo de dispositivos com gotas de curto prazo na tensão de alimentação - de horas para bondes.

O capacitor também é usado para acumular energia "quase eterna" gerada por vibração, som, detecção de ondas de rádio ou radiação de rede elétrica. Pouco a pouco, a energia acumulada de fontes tão fracas por um longo período de tempo, permite algum tempo para trabalhar com sensores sem fio e outros dispositivos eletrônicos. Este princípio baseia-se na eterna bateria de "dedo" para dispositivos com um modesto consumo de energia (como controles remotos de TV). No seu caso, há um capacitor com capacidade de 500 milímetros e um gerador que o alimenta em oscilações com uma freqüência de 4-8 hertz com uma potência de 10 a 180 miliwatts. Os geradores estão sendo desenvolvidos com base em nanofios piezoelétricos, capazes de enviar ao condensador a energia de vibrações tão fracas como batimentos cardíacos, solas no chão e vibrações de equipamentos técnicos.

Outra fonte de energia livre é a inibição. Geralmente, quando o veículo está travando, a energia entra no calor e, afinal, pode ser salva e depois usada para overclocking. Este problema é especialmente agudo para os transportes públicos, o que diminui e acelera em cada parada, o que leva a um consumo significativo de combustível e à poluição da atmosfera por exaustão. Na região de Saratov em 2010, a Elton criou o Ecobus - um minibús experimental com motores de roda motora e supercapacitores incomuns - dispositivos de armazenamento de energia de frenagem que reduzem o consumo de energia em 40%. Os materiais desenvolvidos no projeto "Energia-Buran", em particular, papel de carbono, são usados ​​lá. Em geral, graças à escola científica estabelecida na URSS, a Rússia é um dos líderes mundiais no campo do desenvolvimento e produção de capacitores eletroquímicos. Por exemplo, os produtos de Elton foram exportados para o exterior desde 1998 e, recentemente, a fabricação desses produtos sob a licença de uma empresa russa começou nos Estados Unidos.

A capacidade de um capacitor moderno (2 farads, foto à esquerda) é milhares de vezes maior do que a capacidade de todo o globo. Eles são capazes de armazenar carga elétrica em 40 pingente!

Eles são usados, em regra, em sistemas de áudio para carros para reduzir o pico de carga na fiação do carro (em momentos de graves potentes) e devido à enorme capacidade do capacitor para suprimir todos os ruídos de alta freqüência na rede de bordo.

Mas este "tronco do avô" soviético para os elétrons (foto à direita) não é tão complicado, mas pode suportar uma tensão de 40.000 volts (preste atenção aos copos de porcelana que protegem todos esses volts da avaria para a caixa do capacitor). Isso é muito conveniente para uma "bomba eletromagnética", na qual o capacitor descarrega em um tubo de cobre, que ao mesmo tempo é comprimido externamente pela explosão. Acontece um pulso eletromagnético muito poderoso que desabilita o equipamento de rádio. Por sinal, no caso de uma explosão nuclear, ao contrário do habitual, um pulso eletromagnético também é emitido, o que novamente enfatiza a semelhança do núcleo de urânio com o capacitor. Por sinal, esse capacitor pode ser carregado diretamente com eletricidade estática do pente, apenas é claro que levará muito tempo para carregar a tensão total. Mas será possível repetir a triste experiência de Van Mushenbrock em uma versão muito agravada.

Se você apenas esfregar no cabelo uma caneta-tinte (pente, balão, cueca sintética, etc.), então o LED dele não arderá. Isso ocorre porque os elétrons em excesso (afastados do cabelo) estão presos cada um em seu próprio ponto na superfície do plástico. Portanto, mesmo que obtenhamos a saída do LED para algum elétron, outros não poderão apressar-se depois dele e criar uma corrente para o LED que é notável a olho nu. Outra coisa, se você transferir as cobranças da caneta para o condensador. Para fazer isso, pegue o capacitor em uma saída e limpe a caneta-tinteiro por sua vez, em seguida, sobre o cabelo e, em seguida, sobre a saída livre do capacitor. Por que esfregar? Para maximizar a colheita de elétrons de toda a superfície da alça! Repita este ciclo várias vezes e conecte o LED ao capacitor. Ele pisca, e apenas se a polaridade é observada. Então, o capacitor tornou-se uma ponte entre os mundos da eletricidade "estática" e "ordinária" :)

Eu tirei um capacitor de alta tensão para esta experiência, temendo uma quebra da baixa tensão, mas descobriu que era uma precaução desnecessária. Quando a carga é limitada, a tensão através do capacitor pode ser muito menor do que a tensão da fonte de alimentação. Um capacitor pode converter uma grande tensão em uma pequena. Por exemplo, eletricidade estática de alta tensão - no habitual. Na verdade, há alguma diferença: carregar o capacitor com um microcoulomb a partir de uma fonte de 1 V ou 1000 V? Se este capacitor for tão grande que uma voltagem de 1 μC sobre ele não aumenta a tensão acima da tensão de uma fonte de alimentação de tensão única (isto é, sua capacidade é superior a 1 μF), então não há diferença. Apenas se você não limitar os pingentes forçados, então, a partir da fonte de alta tensão, eles vão querer executar mais. Sim, e a energia térmica atribuída aos terminais do capacitor será maior (e a quantidade de calor é a mesma, simplesmente será liberada mais rapidamente, é por isso que a potência é maior).

Em geral, aparentemente, para esta experiência, qualquer capacitor com uma capacidade não superior a 100 nF é adequado. É possível e muito mais, mas levará muito tempo para carregá-lo para obter o suficiente para a tensão LED. Mas se as correntes de fuga no capacitor forem pequenas, o LED permanecerá ligado por mais tempo. Pode-se pensar em criar neste princípio um dispositivo para recarregar um telefone celular de esfregar contra o cabelo durante uma conversa :)

Um capacitor de alta tensão excelente é uma chave de fenda. Ao mesmo tempo, seu punho serve como dielétrico, e a haste de metal e a mão humana são revestidas. Sabemos que uma caneta-tinte esfregada com cabelo atrai pedaços de papel. Se você esfregar uma chave de fenda em seu cabelo, não funcionará - o metal não tem a capacidade de tirar elétrons de proteínas - não atraiu papel, não. Mas se, como no experimento anterior, esfregue-o com uma caneta carregada - uma chave de fendas, devido à sua baixa capacidade, é carregada rapidamente para uma alta tensão e o papel começa a atrair para ela.

O LED está aceso a partir da chave de fenda. Na foto, é impossível pegar um breve flash de seu flash. Mas - lembre-se das propriedades do expoente - a extinção de um flash dura muito tempo (pelos padrões do obturador da câmera). E agora testemunhamos um fenômeno linguístico-óptico-matemático único: o expositor exibiu a mesma matriz da câmera!

No entanto, por que essas dificuldades - há o mesmo vídeo. Isso mostra que o LED pisca brilhantemente:

Quando os capacitores são carregados em altas tensões, o efeito de borda, que consiste no seguinte, começa a desempenhar seu papel. Se um dielétrico é colocado no ar entre as placas e uma tensão aumentando gradualmente é aplicada a elas, então, a um certo valor da tensão na borda do eletrodo surge uma descarga silenciosa, que é detectada pelo ruído característico e brilho no escuro. A magnitude do estresse crítico depende da espessura do eletrodo, da nitidez da borda, do tipo e espessura do dielétrico, etc. Quanto mais espesso o dielétrico, maior o cr. Por exemplo, a constante dielétrica de um dielétrico é maior, quanto menor for. Para reduzir o efeito de borda, as bordas do eletrodo são incorporadas em um dielétrico com alta resistência elétrica, engrossar o isolador com uma junta nas bordas, arredondar os bordos das placas, criar uma área com tensão de queda gradualmente na borda das placas, fazendo com que as bordas das placas de um material com alta resistência reduzam a tensão por cada condensador, dividindo-o em vários sucessivos.

É por isso que os pais fundadores da eletrostática adoraram que, no final dos eletrodos, havia bolas. Isso, acontece, não é um chip de designer, mas uma maneira de minimizar o fluxo da carga no ar. Não há outro lugar para onde ir. Se a curvatura de alguma área na superfície da bola for reduzida, a curvatura das seções vizinhas aumentará inevitavelmente. E, aparentemente, em nossos casos eletrostáticos, a curvatura média e máxima da superfície é importante, o que é mínimo, é claro, para uma bola.

Hmm .. mas se a capacidade do corpo é a capacidade de acumular uma carga, então provavelmente é muito diferente para cobranças positivas e negativas .... Imagine um capacitor esférico no vácuo ... Do coração, nós o carregaremos negativamente, sem lamentar as estações de energia e gigawatt-hora (isso é o que é uma experiência mental!) ... mas em algum momento haverá tantos excessos de elétrons nesta bola que simplesmente começam a voar ao redor todo o vácuo, simplesmente não estar em um espaço tão pequeno e eletronegativo. Mas, com uma carga positiva, isso não acontecerá - os elétrons, independentemente de quantos deles permanecerem, nenhum lugar da rede de cristal do capacitor não vai voar para longe.

O que acaba, a capacidade positiva é certamente muito mais negativa? Não! Como os elétrons não haviam sido para o nosso mimo, mas para conectar os átomos, e sem qualquer fração notável deles, a repulsa Coulomb dos íons positivos da rede de cristal esmaga instantaneamente o capacitor mais blindado na poeira :)

Na verdade, sem um revestimento secundário, a capacitância das "metades solitárias" do capacitor é muito pequena: a capacidade elétrica de um fio solitário de 2 mm de diâmetro e 1 m de comprimento é de aproximadamente 10 pF e todo o globo 700 muφ.

É possível construir um padrão absoluto de capacidade, calculando sua capacidade por fórmulas físicas com base em medidas precisas das dimensões das placas. Então, os capacitores mais precisos do nosso país são feitos, que estão em dois lugares. Padrão estadualOBTENHA 107-77    está em FGUP SNIIM   e consiste em 4 capacitores cilíndricos coaxiais não suportados cuja capacitância é calculada com alta precisão através da velocidade da luz e unidades de comprimento e freqüência, bem como um comparador de capacitores de alta freqüência que permite comparar a capacitância dos capacitores trazidos ao teste com um padrão (10 pF) com erro inferior a 0 , 01% no intervalo de frequência de 1-100 MHz (foto à esquerda).

Na engenharia de energia, o primeiro no mundo a utilizar um capacitor Pavel Nikolayevich Yablochkov em 1877. Ele simplificou e, ao mesmo tempo, melhorou os capacitores de Lomonosov, substituindo o tiro e a folha por líquido e conectando os bancos em paralelo. Possui não apenas a invenção de lâmpadas de arco inovadoras que conquistaram a Europa, mas também uma série de patentes relacionadas aos capacitores. Vamos tentar montar o condensador de Yablochkov, usando água salgada como um líquido condutor, e como um frasco - um frasco de vidro de vegetais. A capacidade foi de 0,442 nF. Substitua o frasco por uma bolsa de plástico que tenha uma área grande e muitas vezes menos espessura - a capacidade aumentará para 85,7 nF. (Primeiro, encha o saco com água e verifique se existem correntes de fuga!) O capacitor funciona - mesmo permite que você pisque o LED! Também executa com êxito suas funções em circuitos eletrônicos

As placas de metal devem ser capazes de encaixar confortavelmente contra o dielétrico, evitando a introdução de um adesivo entre o revestimento e o dielétrico, o que causará perdas adicionais na corrente alternada. Portanto, agora, principalmente metal, quimicamente ou mecanicamente depositado em um dielétrico (vidro) ou densamente pressionado (mica) é usado como revestimento.

A capacitância elétrica de um condutor é uma quantidade física que é numericamente igual à razão da carga reportada ao condutor ao seu potencial :,

onde C é a capacidade elétrica do condutor, q é a quantidade de eletricidade (carga) e j é o potencial. A capacidade elétrica é a característica do próprio condutor e depende da sua forma e dimensões. Geometricamente, tais condutores possuem capacitâncias diretamente proporcionais às suas dimensões lineares. A capacitância é diretamente proporcional à constante dielétrica do meio que envolve o condutor. Nem o material do condutor nem a presença de cavidades dentro do condutor dependem da capacitância. Isto é devido ao fato de que as tarifas são distribuídas apenas na superfície externa do condutor.

Para a unidade de capacidade elétrica no SI, é tirado um farad - a capacitância de um condutor com potencial de I volts quando a carga é dada a ele no primeiro pendente, isto é,

Se houver outros corpos perto do condutor, sua capacidade elétrica será maior do que a mesma, mas o condutor solitário.

Um sistema de dois condutores com uma tal forma e um tal arranjo em relação um ao outro que o campo elétrico criado por eles, quando se comunicam com cargas opostas do mesmo módulo, está quase completamente concentrado entre eles, é chamado de capacitor. A capacitância do capacitor é determinada pela razão:

onde q é a carga de uma das placas do capacitor, a diferença de potencial ou tensão entre as placas do capacitor.

a) considere um capacitor plano:

Denotar a diferença de potencial entre as placas do capacitor

Então, a partir da definição da capacidade elétrica segue :.

A força de campo entre as placas de um capacitor plano é criada por duas placas e é igual a:

Calcule a diferença de potencial entre as placas de um capacitor plano:

Finalmente, obtemos a fórmula para a capacitância de um capacitor plano: .

b) considere um capacitor cilíndrico (o campo entre as placas de um capacitor desse tipo possui simetria cilíndrica)

O revestimento externo dentro do capacitor de campo não cria.

A força de campo dentro do capacitor é criada pela carga na placa interna e é igual a:

; ;

Então a diferença de potencial nas placas do capacitor cilíndrico é:

Consequentemente, a capacitância elétrica de um capacitor cilíndrico: .

c) considere um capacitor esférico (o campo entre as placas de um capacitor desse tipo possui simetria esférica).

A força de campo dentro do capacitor é criada pela carga na placa esférica interna e é igual a :.

Então a diferença de potencial nas placas de um capacitor esférico:

Conseqüentemente, a capacitância elétrica de um capacitor esférico é: .

O galvanômetro balístico é um dispositivo para medir pequenas quantidades de eletricidade (carga) de fluxo rápido. Seu dispositivo coincide com o dispositivo de um dispositivo convencional do sistema magnetoelétrico, no entanto, o quadro móvel possui um grande momento de inércia e, quando um curto fluxo de corrente flui através do quadro, um torque está atuando sobre ele, proporcional à corrente através do quadro: M ~ I (neste caso, o tempo de fluxo atual deve ser muito inferior ao período das oscilações do próprio quadro). De acordo com a equação básica da dinâmica do movimento de rotação :, mas como o momento do impulso do quadro será proporcional à integral da corrente no tempo, ou seja, a quantidade de carga que flui através do quadro: q q onde: I é o momento de inércia do quadro, w é a sua velocidade angular.

O primeiro maior desvio da agulha do galvanômetro é proporcional à velocidade angular máxima do quadro no início do movimento, isto decorre da lei de conservação da energia mecânica:   , onde: k - coeficiente constante, j max - o ângulo do desvio máximo do quadro.

Conseqüentemente, o maior desvio da flecha do galvanômetro é n ~ j max ~ w max ~ q ou, onde: A é a constante balística do galvanômetro.

Para determinar a constante balística, uma carga conhecida é passada através do galvanômetro, por exemplo, um capacitor de capacidade conhecida carregada para a diferença de potencial U é descarregado através do galvanômetro e o desvio da agulha do galvanômetro (o número de divisões n na escala) é determinado. A constante balística é igual neste caso: .

Ajuste

  Voltagem do Voltímetro

C md C 1 C 2 3

Figura 1. Aparência do suporte de laboratório.

ATENÇÃO! O suporte é alimentado por uma fonte DC de 12 volts. O circuito montado deve ser verificado por um professor ou técnico de laboratório, após o qual uma fonte de tensão pode ser ligada. Se o trabalho utilizar um galvanômetro com indicação de luz, ele será conectado à rede de 220 V e sua entrada aos terminais 2 no suporte (veja a Figura I).

Procedimento para realizar o trabalho e processar os resultados da medição:

1. Depois de se familiarizar com o suporte do laboratório, o circuito é montado de acordo com o desenho, conectando um capacitor de capacidade conhecida, que está presente no suporte (terminais C), com a ajuda da conexão de fios aos terminais.

2 . Ao ajustar o interruptor para a posição esquerda (o capacitor está carregando), a tensão é aplicada ao capacitor por meio de um potenciômetro. A tensão é medida por um voltímetro.

3 . Ao ajustar o interruptor para a posição certa (o capacitor é descarregado para o galvanômetro), observe o desvio da agulha do galvanômetro e mede o primeiro desvio maior. Os resultados são registrados na Tabela 1.

4 . O experimento é repetido 10 vezes, alterando a tensão através do capacitor na faixa de 1-10 volts.

5 . Com base nas medições feitas, um gráfico de calibração é plotado, traçando o desvio da flecha do galvanômetro n ao longo do eixo das abcisas e a magnitude da carga q ao longo da ordenada.

6 . Conecte um capacitor da capacitância desconhecida C 1 aos terminais 3 e execute as ações especificadas nas cláusulas 1-3 para três tensões diferentes. Os resultados são registrados na Tabela 2.

7 . As mesmas ações são repetidas com outro capacitor de capacitância desconhecida C 2.

8 . As medições são feitas para a conexão serial e paralela dos condensadores C 1 e C 2. Todas as medidas das cláusulas 6, 7 e 8 são repetidas em 3 vezes (para três valores diferentes da tensão U, como dar deformidades grandes suficientes da agulha do galvanômetro, mas dentro da curva de calibração).

9 . De acordo com as indicações de um galvanômetro obtido em experimentos com capacitores de capacitâncias desconhecidas, sua carga q i é determinada a partir do gráfico de calibração. O valor da capacidade desconhecida é encontrado pela fórmula e é inserido na Tabela 2.

10 . Para cada caso, a capacitância média é encontrada:   e o erro do quadrado médio da sua medida:

Perguntas de teste:

1. Saia a fórmula para a capacitância de conexão paralela e em série de capacitores.

2. Como deve ser conectado o período de oscilações naturais do quadro do galvanômetro e o tempo da carga, de modo que a indicação do galvanômetro seja proporcional ao valor da carga de vazamento?

3. O condensador de ar está carregado e desconectado da fonte. Como e por que a diferença de potencial mudará quando um dielétrico for introduzido entre as placas?

4. O condensador de ar está conectado a uma fonte de tensão constante. A carga no capacitor mudará após a introdução do dielétrico entre as placas? Por quê?

5. O capacitor com o dielétrico é carregado e desconectado da fonte de tensão. O trabalho será realizado por forças externas se o dielétrico for removido? Por quê?

Literatura:

1. I.V. Saveliev. Curso de Física, Moscou: Nauka., 1973-2006.

2.T.I.Trofimova. Curso de Física, M .: Escola Superior., 1985-2006.

3.N.A.Skorohvatov. O curso de conferência sobre eletromagnetismo, M .: MIIGAiK., 2006.

Trabalho de laboratório № 204

VERIFICANDO AS REGRAS DE KIRCHHOFA

Dispositivos e acessórios: instalação de laboratório com circuito elétrico ramificado montado e um suporte com dois instrumentos de medição (miliamperímetro e voltímetro).

Propósito do trabalho: 1) Introdução a um dos principais métodos para calcular correntes e tensões em circuitos elétricos ramificados. 2) Verificação das regras de Kirchhoff por determinação experimental de correntes, EMF e tensões na instalação, cujo circuito elétrico é mostrado na Fig. 1a.

Consideremos o que depende a capacitância do capacitor.

Conectamos as placas do capacitor ao eletrômetro e carregamos a placa A (Fig. 69, a). Percebendo a diferença de potencial entre as placas do capacitor pelo eletrômetro, colocamos uma folha isoladora ebonita entre eles. Observamos que a diferença de potencial entre as placas diminuiu, o que significa que a capacitância do capacitor aumentou. Colocando dielétricos entre placas com diferentes permittividade e (vidro, mica), descobrimos que a capacitância do capacitor aumenta à medida que a constante dielétrica aumenta.

O efeito de um dielétrico na capacitância de um capacitor ocorre pela seguinte razão. Uma vez no campo, o dielétrico está polarizado (Figura 69, b), enquanto a carga de polarização positiva está localizada na carga negativa da placa A, o que equivale a diminuir o último. Isso causa uma diminuição do potencial desta placa e, consequentemente, um aumento na sua capacidade elétrica. O mesmo acontece com a placa B.

Começamos a aproximar a placa B à placa A, diminuindo assim a espessura l do dielétrico (ar) entre eles (veja a Fig. 67). Vemos que o eletrometro mostra uma diminuição no potencial da placa A. Por conseguinte, a capacitância do capacitor aumenta com o espessura decrescente do dielétrico entre suas placas.

Começamos a mover a placa B em relação à placa A para que a distância entre elas não mude (Fig. 69c), mas a área de trabalho S, ou seja, a parte da área de uma placa contra a qual a outra está localizada (Fig. 69d) . Neste caso, o eletrometro mostra uma diminuição da diferença de potencial entre as placas, o que significa que com um aumento na área de trabalho das placas, a capacitância do capacitor aumenta.   Isso ocorre porque com uma superfície maior das placas, uma carga elétrica maior é colocada sobre eles para uma dada diferença de potencial.

Vamos encontrar a dependência matemática da capacitância elétrica de um condensador plano nas quantidades que o afetam. Para isso, na fórmula   substituimos q e φ 2 - φ 1   expressões que incluem quantidades que afetam a capacitância do capacitor. A partir da fórmula de densidade de carga superficial, a carga no capacitor q = σS, e da fórmula para a relação entre a tensão (diferença de potencial) e a força φ 2 - φ 1 = El.

Aqui, então

Substituindo q e φ 2 - φ 1   na fórmula da capacidade elétrica

obtemos a fórmula para a capacitância de um condensador plano

A capacidade elétrica de um capacitor plano é diretamente proporcional à área de suas placas, a constante dielétrica do dielétrico e inversamente proporcional à distância entre as placas.   A partir da fórmula de um condensador plano, expressamos o nome da constante elétrica:

Para produzir um capacitor de maior capacidade elétrica, são necessárias duas placas grandes, o que é inconveniente na prática. Para evitar isso, pegue a quantidade certa de pequenas placas de metal e conecte-as em dois grupos que se entrem e são separados por um dielétrico (mica), como mostrado na Fig. 68, a. Com esta conexão, as superfícies externas das placas extremas são "sem trabalho" - elas não acumulam cargas elétricas. Juntos eles formam a superfície de um prato, então, se todas as placas são n, então somente n-1   pratos. A fórmula para a capacitância de um capacitor desse tipo

Cada capacitor é avaliado para uma certa tensão. Se entre as placas é maior do que o normal, então o campo elétrico do capacitor torna-se tão alto que começa a separar separadamente as partículas carregadas de forma diferente dos dipolos dielétricos. As partículas carregadas destacadas neutralizam as cargas nas placas do capacitor. Esse fenômeno é chamado avaria   capacitor. Externamente, ele se manifesta sob a forma de faíscas elétricas, deslizando entre as placas. Após a quebra, o capacitor torna-se inutilizável (exceto o ar).

O capacitor de capacidade elétrica variável consiste em dois sistemas de placas de alumínio na forma de meio-discos (Figura 70, a), isolados uns dos outros por uma camada de ar. Um sistema de placas é estacionário, o outro pode girar em um eixo. Quando o punho é girado, as placas móveis entram entre as estacionárias, das quais a sua superfície de trabalho S e, portanto, a capacitância do capacitor, muda. Vamos verificar isso pela experiência.

As placas móveis do capacitor estão conectadas ao corpo do eletrômetro. Ao carregar as placas estacionárias com uma vareta eletrificada, comece a girar as placas em movimento para mudar a superfície de trabalho do capacitor. A partir das leituras do eletrômetro, estabelecemos que, se as placas estiverem dispostas como mostrado na Fig. 70b, a capacitância do capacitor é a mais alta; se assim for, como. na Fig. 70, c, - intermediário; mas se, como na Fig. 70, r, é o menor. Os condensadores de capacidade variável são fabricados com uma capacidade elétrica de 30 a 650 pF.

Tarefa 21.   Um condensador plano multi-placa possui 500 placas de papel alumínio. A área de cada eletrodo 31,4 cm 2, entre eles a distância 0,05 mm   e dielétrico com permitividade de 5. Determine a capacitância e carga do capacitor, bem como a força do seu campo elétrico, se, após o carregamento, a tensão entre as placas foi 250 em.

Da fórmula para a capacitância do capacitor

sua carga q = CU; q = 1.39 * 10 -6 ф * 250 в ≈ 3.5 * 10 -4 к.

A força de campo do capacitor E = U / l.

Partindo: C = 1,39 μF; q ≈ 3,5 * 10 -4 k; E = 5 * 10 6 w / m.

Condensador de carga magneticamente-   elétrons polarizados

Mas resulta que, sob certas condições, um condensador plano pode ser carregado não só com uma constante, mas também com uma tensão alternada. Além disso, podemos cobrar sua indução. Isso na prática foi mostrado pelos criadores de geradores de energia gratuitosColer, Paul Baumann,   D. Smith   e outros . Todos estes métodos de carregamento de um condensador plano são baseados no simples fato de que os elétrons retém sua orientação magnética sob certas condições, isto é, eles se tornam polarizados magnéticamente. Engenheiro militar alemãoColer foi o primeiro a notar esta propriedade dos elétrons e usou-o para construir seu gerador de energia livre. Além disso, esta descoberta foi retiradaPaul Baumann   e colocá-lo na base de seu gerador de energia livre, Testatika. Mais tarde, essa idéia incorporada em seus geradores e no inventor americano   Don Smith.

Até agora, se não me engano, ninguém deu uma explicação lógica de por que uma carga de um capacitor plano colocado em um campo eletromagnético alternativo ocorre. Resolver esse problema ajuda a entender o funcionamento de todos os geradores de energia gratuitos que usam um capacitor plano para remover energia livre.

Todo mundo conhece as correntes de Fooke ou "correntes de indução de vórtice surgidas emcondutores   quando o fio piercing mudacampo magnético . .. As correntes Foucault surgem sob a ação de uma variávelcampo eletromagnético   e por natureza física não são diferentes das correntes de indução que surgem em fios lineares. Eles são um vórtice, isto é, eles estão fechados em um anel."(Internet)

Dispositivo Paul Bauman (Paul Baumann)

Em suas demos deste dispositivo (Figura 2), Paul Bauman disse que se você entender por que uma alta tensão aparece em um capacitor plano consistindo em uma placa de cobre e alumínio e colocado em um campo magnético de um íman permanente como indicado na Fig. 2, então você entenderá como opera seu gerador de energia livre O teste.

A energia de alta freqüência dessas cargas é removida indutivamente por meio de solenóides e uma forquilha de aço e transmitida para capacitores de alta tensão (como em um gerador estáticoWimshurst) .