קבל לוחות, טעינה ופריקה
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.
- 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:
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.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| C | קיבול הקבל | [F] |
| Q | המטען האגור על כל אחד מן הלוחות | [C] |
| V | המתח בין הלוחות | [V] |
ב. טעינת קבל לוחות על-ידי סוללה:
נחבר קבל שאינו טעון לסוללה דרך מפסק. מה קורה כאשר סוגרים את המפסק?
- ההדק השלילי של הסוללה דוחף אלקטרונים אל הלוח המחובר אליו, והלוח הזה נטען במטען שלילי −Q.
- ההדק החיובי מושך אותו מספר של אלקטרונים מן הלוח האחר, והוא נטען במטען חיובי +Q.
- בזמן הזה עובר בתילים זרם טעינה, אף על פי שהמטענים אינם עוברים דרך החומר המבודד.
- ככל שמצטבר מטען גדול יותר, המתח VC בין הלוחות עולה. כאשר VC = E הזרם נפסק: הקבל טעון.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| Q | המטען האגור | [C] |
| C | קיבול הקבל | [F] |
| V | המתח על הקבל. בסוף הטעינה הוא שווה למתח הסוללה | [V] |
- קבל טעון מתנהג במעגל זרם ישר כמו נתק: אחרי שהטעינה הסתיימה לא עובר זרם.
- אם ננתק את הקבל הטעון מן הסוללה, המטען נשאר על הלוחות, כי אין מסלול שבו יוכל לחזור, והמתח בין הלוחות נשאר כפי שהיה.
- כדי לטעון את הקבל הסוללה מבצעת עבודה. העבודה הזאת נאגרת בקבל בצורת אנרגיה, ואפשר לקבל אותה בחזרה כאשר פורקים את הקבל.
א. נחשב את המטען האגור אחרי שהטעינה הסתיימה.
ב. מה קורה למטען אם נחליף את הסוללה בסוללה שמתחה 40 V?
א. בסוף הטעינה המתח על הקבל שווה למתח הסוללה, V = 20 V:
ב. המטען נמצא ביחס ישר למתח. מתח כפול נותן מטען כפול:
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.
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| E | עוצמת השדה החשמלי בין הלוחות | [V/m] |
| V | המתח בין הלוחות | [V] |
| d | המרחק בין הלוחות | [m] |
נמיר את המרחק למטרים: d = 0.5 mm = 0.5·10−3 m. המתח בין הלוחות שווה למתח הסוללה:
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:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| C | קיבול הקבל | [F] |
| ε0 | המקדם הדיאלקטרי של הריק, 8.85·10−12 F/m | [F/m] |
| εr | המקדם הדיאלקטרי היחסי של החומר המבודד (מספר בלי יחידה) | — |
| A | שטח לוח אחד (השטח החופף) | [m²] |
| d | המרחק בין הלוחות | [m] |
- השטח A: הקיבול נמצא ביחס ישר לשטח הלוחות. לוחות גדולים יותר מכילים מטען גדול יותר.
- המרחק d: הקיבול נמצא ביחס הפוך למרחק. ככל שהלוחות קרובים יותר זה לזה, הקיבול גדל.
- החומר המבודד: המקדם הדיאלקטרי של הריק ε0 הוא קבוע פיזיקלי. המקדם הדיאלקטרי היחסי εr מראה פי כמה גדל הקיבול כאשר ממלאים את הרווח שבין הלוחות בחומר המבודד.
| החומר המבודד | בערבית | המקדם הדיאלקטרי היחסי εr (ערך מקורב) |
|---|---|---|
| ריק, אוויר | الفراغ والهواء | 1 |
| שמן שנאים | زيت المحوّلات | 2.2 |
| פוליאסטר | البوليستر | 3.3 |
| נייר | الورق | 3.7 |
| נציץ (מיקה) | الميكا | 6 |
| זכוכית | الزجاج | 7 |
א. נחשב את קיבול הקבל כאשר בין הלוחות יש אוויר.
ב. נחשב את הקיבול כאשר ממלאים את הרווח שבין הלוחות בנציץ, εr = 6.
נמיר את הנתונים ליחידות היסוד. במטר רבוע יש 104 cm², ולכן:
א. בין הלוחות יש אוויר, כלומר εr = 1 :
ב. החומר המבודד מגדיל את הקיבול פי εr:
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:
- ברגע הסגירה, t = 0 : הקבל ריק, vC = 0, ולכן כל מתח המקור נופל על הנגד. הזרם ברגע הזה הוא הגדול ביותר: I0 = ER.
- בזמן הטעינה: המטען מצטבר על הלוחות ו-vC עולה. מה שנשאר לנגד קטן, vR = E − vC, ולכן הזרם קטן. זרם קטן יותר פירושו טעינה איטית יותר: הטעינה מהירה בהתחלה ומאיטה ככל שהיא מתקרבת לסופה.
- בסוף הטעינה: vC = E, vR = 0, i = 0. הקבל הטעון מתנהג כמו נתק.
קבוע הזמן:
| סימן | משמעות | יחידת מידה |
|---|---|---|
| τ | קבוע הזמן | [s] |
| R | ההתנגדות שדרכה הקבל נטען (או נפרק) | [Ω] |
| C | קיבול 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.
- אחרי זמן של τ אחד המתח על הקבל מגיע ל-63% ממתח המקור, והזרם יורד ל-37% מערכו ההתחלתי.
- בכל τ נוסף המתח עובר 63% ממה שנשאר לו עד E: 86% אחרי 2τ, 95% אחרי 3τ.
- אחרי 5τ המתח מגיע ליותר מ-99% מ-E. מבחינה מעשית רואים בקבל טעון לגמרי, ואומרים שזמן הטעינה הוא 5τ.
א. את קבוע הזמן.
ב. את זמן הטעינה המלאה.
ג. את הזרם ברגע הסגירה.
ד. את המתח על הקבל ועל הנגד אחרי τ אחד.
א. קבוע הזמן:
ב. זמן הטעינה המלאה:
ג. ברגע הסגירה הקבל ריק וכל מתח המקור נופל על הנגד:
ד. אחרי τ אחד vC מגיע ל-63% מ-E, והשאר נופל על הנגד:
פריקה:
הקבל טעון למתח V0. מעבירים את המפסק למצב 2: המקור יוצא מן המעגל, והקבל מחובר עכשיו לנגד בלבד. הקבל הטעון פועל כמקור זמני:
- ברגע ההעברה: vC = V0, והמתח הזה נופל על הנגד. עובר זרם התחלתי I0 = V0R, וכיוונו הפוך לכיוון זרם הטעינה.
- בזמן הפריקה: המטען על הלוחות פוחת, vC יורד, ואיתו יורד הזרם. הפריקה מהירה בהתחלה ומאיטה.
- בסוף הפריקה: vC = 0, i = 0. האנרגיה שהייתה אגורה בקבל הפכה לחום בנגד.
- קבוע הזמן הוא אותו קבוע, τ = R·C. אחרי τ אחד המתח יורד ל-37% מערכו ההתחלתי, ואחרי 5τ רואים בקבל ריק.
א. מהו קבוע הזמן?
ב. מהו הזרם בתחילת הפריקה?
ג. מהו המתח על הקבל אחרי τ אחד?
ד. אחרי כמה שניות רואים בקבל ריק?
סיכום נוסחאות הפרק:
| החוק | הנוסחה |
|---|---|
| הגדרת הקיבול | C = QV |
| המטען האגור | Q = C·V |
| השדה בין הלוחות | E = Vd |
| קיבול קבל לוחות | C = ε0·εr·Ad |
| קבוע הזמן | τ = R·C |
| זמן הטעינה או הפריקה המלאה | t = 5·τ |
| המתח על הקבל אחרי τ אחד מתחילת הטעינה | vC = 0.63·E |
| המתח על הקבל אחרי τ אחד מתחילת הפריקה | vC = 0.37·V0 |
מילון מונחים:
| עברית | English | العربية |
|---|---|---|
| קבל | Capacitor | المكثف |
| קבל לוחות | Parallel-plate capacitor | مكثف الألواح |
| קיבול | Capacitance | السعة |
| לוחות | Plates | اللوحان |
| חומר מבודד (דיאלקטרי) | Dielectric | المادة العازلة |
| המקדם הדיאלקטרי של הריק | Vacuum permittivity | عازلية الفراغ |
| המקדם הדיאלקטרי היחסי | Relative permittivity | العازلية النسبية |
| שדה אחיד | Uniform field | مجال منتظم |
| מטען אגור | Stored charge | الشحنة المخزّنة |
| טעינה | Charging | الشحن |
| פריקה | Discharging | التفريغ |
| קבוע הזמן | Time constant | ثابت الزمن |
| מצב מעבר | Transient state | الحالة العابرة |
| מצב מתמיד | Steady state | الحالة المستقرة |
שאלות לתרגול:
א. מהו קיבול הקבל?
ב. מהו המטען שלו כאשר המתח עליו 20 V?
א. את המטען האגור.
ב. את עוצמת השדה בין הלוחות.
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?
א. נחשב את קיבול הקבל.
ב. נחשב את הקיבול אם נשים בין הלוחות זכוכית, εr = 7.
א. מקטינים את המרחק בין הלוחות לחצי.
ב. מקטינים את שטח הלוחות לשליש.
ג. מחליפים את האוויר שבין הלוחות בנייר, εr = 3.7.
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.
א. נחשב את קבוע הזמן ואת זמן הפריקה המלאה.
ב. נחשב את הזרם בתחילת הפריקה.
ג. נחשב את vC אחרי τ אחד.
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?