יסודות תורת החשמל · פרק 10 — קבל לוחות, טעינה ופריקהמבוא להנדסת אלקטרוניקה · סמל מקצוע 11.00⌂📚🏠
פרק 10

קבל לוחות, טעינה ופריקה

כיתה י׳ · 3 שעות לימוד

בפרק הראשון הכרנו את המטען החשמלי ואת השדה החשמלי. בפרק הזה נבנה משני לוחות מוליכים רכיב חשמלי חדש, הקבל, שתפקידו לאגור מטען חשמלי. נלמד מהו קיבול הקבל ומה קובע אותו, מה קורה כאשר מחברים את הקבל לסוללה, כיצד נראה השדה החשמלי בין הלוחות שלו, וכיצד הקבל נטען ונפרק דרך נגד.

בסוף הפרק הזה נדע:
  • הקבל בנוי משני לוחות מוליכים שביניהם חומר מבודד, והקיבול שלו הוא היחס בין המטען למתח: C = QV.
  • נתאר טעינה של קבל לוחות על-ידי סוללה, ונחשב את המטען האגור Q = C·V.
  • בין הלוחות של קבל טעון יש שדה חשמלי אחיד שעוצמתו E = Vd.
  • נחשב את הקיבול של קבל לוחות לפי C = ε0·εr·Ad, ונסביר את תלותו בשטח, במרחק ובחומר המבודד.
  • נתאר במילים ובסרטוט את הטעינה ואת הפריקה של קבל דרך נגד.
  • נחשב את קבוע הזמן τ = R·C ונסביר את משמעותו: 63% אחרי τ אחד, וטעינה כמעט מלאה אחרי 5τ.

קבל לוחות ושדה חשמלי (Parallel-Plate Capacitor)

א. קבל לוחות וקיבולו:

קבל: רכיב חשמלי שאוגר מטען חשמלי. הוא בנוי משני לוחות מוליכים הניצבים זה מול זה, וחומר מבודד מפריד ביניהם, למשל אוויר, נייר, פלסטיק או קרמיקה.
εrdAלוחלוחחומר מבודד
מבנה קבל לוחות: שטח כל לוח A, המרחק בין הלוחות d
C
סמל הקבל בתרשימים חשמליים

החומר המבודד אינו מאפשר למטענים לעבור מלוח ללוח. לכן כאשר מחברים את הקבל למקור מתח, מצטבר על אחד הלוחות מטען חיובי +Q ועל הלוח האחר מטען שלילי −Q השווה לו בגודלו. אומרים שהקבל טעון במטען Q.

קיבול: היכולת של הקבל לאגור מטען. הקיבול שווה לכמות המטען שהקבל אוגר על כל וולט אחד של מתח בין הלוחות שלו.
הגדרת הקיבול
C = QV
סימןמשמעותיחידת מידה
Cקיבול הקבל[F]
Qהמטען האגור על כל אחד מן הלוחות[C]
Vהמתח בין הלוחות[V]
הערה: יחידת המידה של הקיבול היא הפאראד, וסימנה [F] : 1 F = 1 C1 V. הפאראד הוא יחידה גדולה מאוד, ולכן משתמשים במיקרו-פאראד 1 µF = 10−6 F, בננו-פאראד 1 nF = 10−9 F, ובפיקו-פאראד 1 pF = 10−12 F.
שימו לב: האות הנטויה C היא סמל הקיבול, ואילו [C] בסוגריים הוא הקולון, יחידת המידה של המטען. לא נתבלבל ביניהם.

ב. טעינת קבל לוחות על-ידי סוללה:

נחבר קבל שאינו טעון לסוללה דרך מפסק. מה קורה כאשר סוגרים את המפסק?

  1. ההדק השלילי של הסוללה דוחף אלקטרונים אל הלוח המחובר אליו, והלוח הזה נטען במטען שלילי −Q.
  2. ההדק החיובי מושך אותו מספר של אלקטרונים מן הלוח האחר, והוא נטען במטען חיובי +Q.
  3. בזמן הזה עובר בתילים זרם טעינה, אף על פי שהמטענים אינם עוברים דרך החומר המבודד.
  4. ככל שמצטבר מטען גדול יותר, המתח VC בין הלוחות עולה. כאשר VC = E הזרם נפסק: הקבל טעון.
+−ES+−+−+−+−IVCC
הזרם עובר בתילים עד ש-VC משתווה למתח הסוללה
המטען האגור בקבל
Q = C·V
סימןמשמעותיחידת מידה
Qהמטען האגור[C]
Cקיבול הקבל[F]
Vהמתח על הקבל. בסוף הטעינה הוא שווה למתח הסוללה[V]
דוגמה 10.1
קבל שקיבולו 100 µF מחובר לסוללה שמתחה 20 V.
א. נחשב את המטען האגור אחרי שהטעינה הסתיימה.
ב. מה קורה למטען אם נחליף את הסוללה בסוללה שמתחה 40 V?
פתרון:

א. בסוף הטעינה המתח על הקבל שווה למתח הסוללה, V = 20 V:

Q = C·V
Q = 100·10−6 · 20 = 2·10−3 C = 2 mC

ב. המטען נמצא ביחס ישר למתח. מתח כפול נותן מטען כפול:

Q = 100·10−6 · 40 = 4 mC
Q = 2 mC
אזהרה: קבל טעון שומר על המטען ועל המתח שלו גם אחרי שניתקו אותו מן המקור, ולפעמים לזמן רב. לפני שנוגעים בקבל גדול או עובדים על מעגל שיש בו קבלים, פורקים את הקבל דרך נגד מתאים ומוודאים במד-מתח שהמתח עליו אפס.
שאלה 10.1: קבל שקיבולו 47 µF מחובר לסוללה שמתחה 9 V.
א. מהו המטען האגור אחרי שהטעינה הסתיימה?
ב. מהו המתח על הקבל אחרי שמנתקים אותו מן הסוללה?

ג. השדה החשמלי הנוצר בין לוחות קבל טעון:

על אחד הלוחות יש מטען חיובי ועל האחר מטען שלילי, ולכן נוצר ביניהם שדה חשמלי. קווי השדה יוצאים מן הלוח החיובי ונכנסים אל הלוח השלילי.

  • קווי השדה ישרים, מקבילים, והמרחקים ביניהם שווים: השדה בין הלוחות הוא שדה אחיד, כלומר עוצמתו וכיוונו שווים בכל נקודה.
  • ככל שהמתח בין הלוחות גדול יותר, השדה חזק יותר, וככל שהמרחק ביניהם גדול יותר, השדה חלש יותר.
+−+−+−+−+−dEV
השדה האחיד בין הלוחות
עוצמת השדה בין הלוחות
E = Vd
סימןמשמעותיחידת מידה
Eעוצמת השדה החשמלי בין הלוחות[V/m]
Vהמתח בין הלוחות[V]
dהמרחק בין הלוחות[m]
שימו לב: בנוסחה הזאת האות E היא עוצמת השדה החשמלי, ויחידת המידה שלה [V/m]. לא נתבלבל בינה ובין הכא"מ של המקור, שגם אותו מסמנים באות E ויחידת המידה שלו [V].
דוגמה 10.2
קבל לוחות שהמרחק בין לוחותיו 0.5 mm מחובר לסוללה שמתחה 12 V. נחשב את עוצמת השדה החשמלי בין הלוחות אחרי שהטעינה הסתיימה.
פתרון:

נמיר את המרחק למטרים: d = 0.5 mm = 0.5·10−3 m. המתח בין הלוחות שווה למתח הסוללה:

E = Vd
E = 120.5·10−3 = 24000 V/m = 24 kV/m
E = 24 kV/m
הערה: לכל חומר מבודד יש עוצמת שדה מרבית שהוא עומד בה. אם המתח עולה יותר מדי, החומר המבודד נפרץ ועובר דרכו זרם, והקבל נהרס. לכן על כל קבל רשום, לצד הקיבול שלו, מתח העבודה המרבי, ואין לעבור אותו.
שאלה 10.2: המתח בין הלוחות של קבל הוא 50 V והמרחק ביניהם 0.2 mm.
א. מהי עוצמת השדה בין הלוחות?
ב. כיצד משתנה עוצמת השדה אם מכפילים את המתח פי שניים?

ד. חישוב הקיבול של קבל לוחות:

הקיבול אינו תלוי במתח ולא במטען, אלא במבנה הקבל בלבד: אם מכפילים את המתח, המטען גדל פי שניים, והיחס ביניהם נשאר קבוע. בקבל לוחות שלושה גורמים קובעים את הקיבול:

קיבול קבל לוחות
C = ε0·εr·Ad
סימןמשמעותיחידת מידה
Cקיבול הקבל[F]
ε0המקדם הדיאלקטרי של הריק, 8.85·10−12 F/m[F/m]
εrהמקדם הדיאלקטרי היחסי של החומר המבודד (מספר בלי יחידה)—
Aשטח לוח אחד (השטח החופף)[m²]
dהמרחק בין הלוחות[m]
החומר המבודדבערביתהמקדם הדיאלקטרי היחסי εr (ערך מקורב)
ריק, אווירالفراغ والهواء1
שמן שנאיםزيت المحوّلات2.2
פוליאסטרالبوليستر3.3
ניירالورق3.7
נציץ (מיקה)الميكا6
זכוכיתالزجاج7
דוגמה 10.3
קבל לוחות ששטח כל לוח בו 100 cm², והמרחק בין הלוחות 0.5 mm.
א. נחשב את קיבול הקבל כאשר בין הלוחות יש אוויר.
ב. נחשב את הקיבול כאשר ממלאים את הרווח שבין הלוחות בנציץ, εr = 6.
פתרון:

נמיר את הנתונים ליחידות היסוד. במטר רבוע יש 104 cm², ולכן:

A = 100 cm² = 100·10−4 m² = 10−2 m²
d = 0.5 mm = 0.5·10−3 m

א. בין הלוחות יש אוויר, כלומר εr = 1 :

C = ε0·εr·Ad
C = 8.85·10−12·1·10−20.5·10−3 = 1.77·10−10 F
C = 177 pF

ב. החומר המבודד מגדיל את הקיבול פי εr:

C′ = εr·C = 6·177 = 1062 pF
C′ ≈ 1.06 nF
C = 177 pF
שאלה 10.3: קבל לוחות ששטח כל לוח בו 50 cm², המרחק בין הלוחות 0.2 mm, והחומר המבודד הוא שמן שנאים εr = 2.2. מהו קיבול הקבל?
שאלה 10.4: כיצד משתנה הקיבול של קבל לוחות בכל מקרה?
א. מגדילים את שטח הלוחות פי שניים.
ב. מגדילים את המרחק בין הלוחות פי שניים.
ג. מגדילים את השטח פי שלושה ומגדילים את המרחק פי שניים.

טעינה ופריקה של קבל דרך נגד (Charging and Discharging)

הטעינה אינה מתרחשת ברגע אחד: בכל מעגל אמיתי יש התנגדות שמגבילה את הזרם, ולכן הקבל זקוק לזמן כדי להיטען. פרק הזמן שבו המתח והזרם משתנים נקרא מצב מעבר, ואחרי שהוא מסתיים המעגל מגיע למצב מתמיד. לגדלים שמשתנים עם הזמן משתמשים באותיות קטנות: vC, vR, i.

טעינה:

הקבל אינו טעון. ברגע t = 0 מעבירים את המפסק S למצב 1, והקבל נטען מן המקור דרך הנגד R. לפי חוק המתחים של קירכהוף, בכל רגע:

E = vR + vC
+−E12SRCivRvC+−
המפסק במצב 1: טעינה
τ2τ3τ4τ5τtE0.63·EvC63%86%95%98%99%
המתח על הקבל בזמן הטעינה: עולה במהירות, ואחר כך מתיישר ומתקרב אל E
τ2τ3τ4τ5τtI00.37·I0i
זרם הטעינה: מתחיל מ-I0 = ER ויורד לאפס

קבוע הזמן:

קבוע הזמן
τ = R·C
סימןמשמעותיחידת מידה
τקבוע הזמן[s]
Rההתנגדות שדרכה הקבל נטען (או נפרק)[Ω]
Cקיבול הקבל[F]

התנגדות גדולה יותר פירושה זרם טעינה קטן יותר, וקיבול גדול יותר פירושו מטען גדול יותר שצריך להעביר. בשני המקרים הטעינה מתארכת, ולכן τ גדל עם R ועם C. מכפלת אוהם בפאראד נותנת שנייה: 1 Ω · 1 F = 1 s.

דוגמה 10.4
במעגל שבסרטוט הקבל אינו טעון, וברגע t = 0 מעבירים את המפסק למצב 1. נחשב:
א. את קבוע הזמן.
ב. את זמן הטעינה המלאה.
ג. את הזרם ברגע הסגירה.
ד. את המתח על הקבל ועל הנגד אחרי τ אחד.
+−E = 12 V12SR = 10 kΩC = 100 µFivRvC+−
פתרון:

א. קבוע הזמן:

τ = R·C
τ = 10·103 · 100·10−6 = 1 s

ב. זמן הטעינה המלאה:

t = 5·τ = 5·1 = 5 s

ג. ברגע הסגירה הקבל ריק וכל מתח המקור נופל על הנגד:

I0 = ER = 1210·103 = 1.2 mA

ד. אחרי τ אחד vC מגיע ל-63% מ-E, והשאר נופל על הנגד:

vC = 0.63·E = 0.63·12 = 7.56 V
vR = E − vC = 12 − 7.56 = 4.44 V
τ = 1 s

פריקה:

הקבל טעון למתח V0. מעבירים את המפסק למצב 2: המקור יוצא מן המעגל, והקבל מחובר עכשיו לנגד בלבד. הקבל הטעון פועל כמקור זמני:

τ5τ6τ7τ11τtEvCטעינהפריקה
טעינה מלאה ואחריה פריקה: ברגע t = 6τ מעבירים את המפסק ממצב 1 למצב 2
שאלה 10.5:
קבל שקיבולו 47 µF, הטעון למתח 24 V, נפרק דרך נגד של 20 kΩ (המפסק במצב 2).
א. מהו קבוע הזמן?
ב. מהו הזרם בתחילת הפריקה?
ג. מהו המתח על הקבל אחרי τ אחד?
ד. אחרי כמה שניות רואים בקבל ריק?
+−E12SR = 20 kΩC = 47 µFivRvC+−
▶ניסוי חי — מעבדת הקבלנבנה קבל לוחות ונשנה את השטח, את המרחק ואת החומר המבודד, ואחר כך נשנה את R ואת C ונראה את עקומות הטעינה והפריקה מסורטטות בזמן אמת.
⚠
המעבדה אינה זמינה כרגע. החומר בפרק שלם גם בלעדיה — ממשיכים לקרוא, וחוזרים לניסוי מאוחר יותר או פותחים אותו ישירות בקישור שמתחת למסגרת.
https://fahed-lab.com/circuits/capacitor
פתיחת המעבדה בדף נפרד ↗ fahed-lab.com/circuits/capacitor

סיכום נוסחאות הפרק:

החוקהנוסחה
הגדרת הקיבולC = QV
המטען האגורQ = C·V
השדה בין הלוחותE = Vd
קיבול קבל לוחותC = ε0·εr·Ad
קבוע הזמןτ = R·C
זמן הטעינה או הפריקה המלאהt = 5·τ
המתח על הקבל אחרי τ אחד מתחילת הטעינהvC = 0.63·E
המתח על הקבל אחרי τ אחד מתחילת הפריקהvC = 0.37·V0

מילון מונחים:

עבריתEnglishالعربية
קבלCapacitorالمكثف
קבל לוחותParallel-plate capacitorمكثف الألواح
קיבולCapacitanceالسعة
לוחותPlatesاللوحان
חומר מבודד (דיאלקטרי)Dielectricالمادة العازلة
המקדם הדיאלקטרי של הריקVacuum permittivityعازلية الفراغ
המקדם הדיאלקטרי היחסיRelative permittivityالعازلية النسبية
שדה אחידUniform fieldمجال منتظم
מטען אגורStored chargeالشحنة المخزّنة
טעינהChargingالشحن
פריקהDischargingالتفريغ
קבוע הזמןTime constantثابت الزمن
מצב מעברTransient stateالحالة العابرة
מצב מתמידSteady stateالحالة المستقرة

שאלות לתרגול:

1.
המטען של קבל הוא 1.5 mC כאשר המתח עליו 50 V.
א. מהו קיבול הקבל?
ב. מהו המטען שלו כאשר המתח עליו 20 V?
תשובות: א. C = 30 µF. ב. Q = 0.6 mC
2.
קבל שקיבולו 220 µF מחובר לסוללה שמתחה 24 V. המרחק בין לוחותיו 0.05 mm. נחשב אחרי שהטעינה הסתיימה:
א. את המטען האגור.
ב. את עוצמת השדה בין הלוחות.
תשובות: א. Q = 5.28 mC. ב. E = 480 kV/m
3.
נענה בלי חישוב:
א. מהו הזרם במעגל אחרי שהטעינה של הקבל מן הסוללה הסתיימה?
ב. מהו המתח על הקבל במצב הזה?
ג. מה קורה למטען ולמתח אם ננתק את הקבל מן הסוללה?
תשובות: א. אפס. ב. שווה למתח הסוללה. ג. נשארים כפי שהיו
4.
קבל לוחות ששטח כל לוח בו 150 cm², המרחק בין הלוחות 0.3 mm, וביניהם אוויר.
א. נחשב את קיבול הקבל.
ב. נחשב את הקיבול אם נשים בין הלוחות זכוכית, εr = 7.
תשובות: א. C ≈ 442.5 pF. ב. C ≈ 3.1 nF
5.
קבל לוחות שקיבולו 300 pF. מה יהיה הקיבול שלו בכל מקרה?
א. מקטינים את המרחק בין הלוחות לחצי.
ב. מקטינים את שטח הלוחות לשליש.
ג. מחליפים את האוויר שבין הלוחות בנייר, εr = 3.7.
תשובות: א. 600 pF. ב. 100 pF. ג. 1110 pF
6.
רוצים קבל לוחות שקיבולו 2 nF. שטח כל לוח 0.05 m² והחומר המבודד הוא פוליאסטר, εr = 3.3. מהו המרחק הדרוש בין הלוחות?
תשובות: d ≈ 0.73 mm
7.
במעגל שבסרטוט הקבל אינו טעון, וברגע t = 0 מעבירים את המפסק למצב 1.
א. נחשב את קבוע הזמן.
ב. נחשב את זמן הטעינה המלאה.
ג. נחשב את הזרם ברגע הסגירה.
ד. נחשב את vC אחרי τ אחד.
ה. נסרטט בקירוב את עקומת vC ואת עקומת i ונסמן עליהן את τ ואת 5τ.
+−E = 9 V12SR = 47 kΩC = 10 µFivRvC+−
תשובות: א. τ = 0.47 s. ב. t = 2.35 s. ג. I0 ≈ 0.191 mA. ד. vC ≈ 5.67 V
8.
קבל שקיבולו 470 µF טעון למתח 20 V. מעבירים את המפסק למצב 2, והקבל נפרק דרך הנגד.
א. נחשב את קבוע הזמן ואת זמן הפריקה המלאה.
ב. נחשב את הזרם בתחילת הפריקה.
ג. נחשב את vC אחרי τ אחד.
+−E12SR = 10 kΩC = 470 µFivRvC+−
תשובות: א. τ = 4.7 s, t = 23.5 s. ב. I0 = 2 mA. ג. vC ≈ 7.4 V
9.
רוצים שקבל שקיבולו 100 µF ייטען טעינה מלאה בתוך שתי שניות.
א. מהו קבוע הזמן הדרוש?
ב. מהי ההתנגדות הגדולה ביותר שאפשר לחבר אליו בטור?
ג. כיצד משתנה זמן הטעינה אם מחליפים את הקבל בקבל שקיבולו 200 µF?
תשובות: א. τ = 0.4 s. ב. R = 4 kΩ. ג. גדל פי שניים, ל-4 s
תשובות סופיות לשאלות הפרק
10.1 א. Q = 423 µC. ב. נשאר 9 V
10.2 א. E = 250 kV/m. ב. גדלה פי שניים
10.3 C ≈ 487 pF
10.4 א. גדל פי שניים. ב. קטן פי שניים. ג. גדל פי 1.5
10.5 א. τ = 0.94 s. ב. I0 = 1.2 mA. ג. vC ≈ 8.88 V. ד. t = 4.7 s

שאלות בגרות לפרק 10

אין שאלות בגרות עצמאיות לפרק הזה.
נוסחאון הספר: כל נוסחאות הפרק הזה מרוכזות, עם סרטוטיהן וטבלאות הסמלים שלהן, בפרק 14 — נוסחאון הספר.