تعليمات

فيديو حول الموضوع

المقارنة كبديل للمكثف في لعبة عادية

في الإصدار العادي (بدون المكونات الإضافية والتعديلات) من Minecraft، لا يوجد شيء مثل المكثف. بتعبير أدق، هناك جهاز يؤدي وظائفه، ولكن اسمه مختلف تماما - المقارنة. حدث بعض الالتباس في هذا الصدد أثناء تطوير مثل هذا الجهاز. أولاً، في نوفمبر 2012، أعلن ممثلو شركة Mojang (الشركة التي أنشأت اللعبة) عن ظهور وشيك لمكثف في طريقة اللعب. ومع ذلك، بعد شهر أعلنوا أنه لن يكون هناك هذا الجهاز على هذا النحو، ولكن بدلا من ذلك سيكون هناك مقارنة في اللعبة.

يوجد جهاز مماثل للتحقق من امتلاء الحاويات الموجودة خلفه. يمكن أن تكون هذه الصناديق (بما في ذلك على شكل مصائد) ورفوف طهي وموزعات وقاذفات وأفران وقواديس تحميل وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتم استخدامه لمقارنة إشارتين من نوع Redstone مع بعضهما البعض - فهو ينتج نتيجة وفقًا لكيفية برمجتها في دائرة معينة، وبأي وضع تم اختياره للآلية نفسها. على وجه الخصوص، يمكن أن يسمح جهاز المقارنة بإشعال الشعلة إذا كانت الإشارة الأولى أكبر من أو تساوي الإشارة الأخرى.

أيضًا، في بعض الأحيان يتم تثبيت مكثف مقارن بجوار المشغل، مما يربط مدخلاته بالأخير. عندما يتم تشغيل سجل في جهاز إعادة إنتاج الصوت، فإن الجهاز المذكور أعلاه سيصدر إشارة تساوي في قوتها الرقم التسلسلي للقرص.

ليس من الصعب صياغة مثل هذه المقارنة إذا كان لديك مورد يصعب الحصول عليه إلى حد ما - جهنمي. ويجب أن توضع في الفتحة المركزية لمنضدة العمل، ويجب تركيب ثلاث مشاعل حمراء فوقها وعلى جوانبها، ونفس عدد الكتل الحجرية في الصف السفلي.

المكثفات الموجودة في تعديلات Minecraft المختلفة

يوجد في عدد كبير من التعديلات مكثفات لها أغراض مختلفة جدًا. على سبيل المثال، في Galacticcraft، حيث تتاح للاعبين الفرصة للسفر إلى العديد من الكواكب للتعرف على الحقائق هناك، تظهر وصفة لصياغة مكثف الأكسجين. يتم استخدامه لإنشاء آليات مثل خزان الغاز المتشعب، بالإضافة إلى إطار غرفة معادلة الضغط. لتصنيعها، يتم وضع أربع ألواح فولاذية في زوايا طاولة العمل، وفي المنتصف توجد علبة من الصفيح، وتحتها قناة هواء. الخلايا الثلاث المتبقية مشغولة بألواح الصفيح.

يوجد في JurassiCraft مكثف تدفق - وهو نوع من النقل الفوري الذي يسمح لك بالانتقال إلى عالم ألعاب مذهل مليء بالديناصورات. لإنشاء مثل هذا الجهاز، تحتاج إلى وضع ستة سبائك حديدية في الصفين الرأسيين الخارجيين، وماستين في الصف الأوسط ووحدة من غبار الحجر الأحمر بينهما. لكي يعمل الجهاز، تحتاج إلى وضعه على خنزير أو عربة، ثم انقر بزر الماوس الأيمن عليه والقفز بسرعة هناك. وهذا يتطلب الحفاظ على سرعة عالية للجهاز.

مع تعديل Industrial Craft2، لدى اللاعب الفرصة لإنشاء نوعين على الأقل من المكثفات الحرارية - الأحمر واللازورد. إنها تعمل فقط على تبريد المفاعل النووي وتخزين طاقته وهي مفيدة للهياكل الدورية من هذا النوع. إنهم يبردون أنفسهم، على التوالي، بالغبار الأحمر أو اللازورد.

يتكون المكثف الحراري الأحمر من سبع وحدات من غبار الحجر الأحمر - يجب تركيبها على شكل حرف P ويوضع تحتها المشتت الحراري والمبادل الحراري. إن صياغة جهاز اللازورد أكثر تعقيدًا بعض الشيء. لإنشائه، يتم وضع أربع وحدات من غبار الحجر الأحمر في زوايا الآلة، وستوضع كتلة من اللازورد في المنتصف، ومكثفان حراريان أحمران على جانبيها، ومشتت حراري للمفاعل في الأعلى، ومبادل حراري خاص به. في الأسفل.

في ThaumCraft، حيث يتم التركيز على السحر الحقيقي، يتم استخدام المكثفات أيضًا. على سبيل المثال، واحد منهم - بلوري - موجود لتجميع وإطلاق السحر. علاوة على ذلك، المثير للاهتمام هو أن إنشائها والعديد من الأشياء الأخرى لا يُسمح به إلا بعد دراسة عنصر خاص من طريقة اللعب - وهو البحث الذي يتم إجراؤه على طاولة خاصة وباستخدام أدوات معينة.

يتكون هذا المكثف من ثمانية شظايا مملة، في وسطها يتم وضع كتلة خشبية باطني على طاولة العمل. لسوء الحظ، مثل هذا الجهاز - وكذلك مكوناته - موجود فقط حتى ThaumCraft 3، وفي الإصدار الرابع تم إلغاء التعديل.

مصادر:

• حول المقارنة في Minecraft
• مكثف الأكسجين في Galacticcraft
• وزارة الدفاع JurassiCraft
• مفاعل نووي في الحرف الصناعية2
• مكثف كريستال في ThaumCraft

قانون كولوم

قانون كولوم هو أحد القوانين الأساسية للكهرباء الساكنة. إنه يحدد مقدار واتجاه قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين ثابتتين.

تُفهم الشحنة النقطية على أنها جسم مشحون يكون حجمه أصغر بكثير من مسافة تأثيره المحتمل على الأجسام الأخرى.في هذه الحالة، لا يؤثر شكل ولا حجم الأجسام المشحونة عمليا على التفاعل بينها.

تم إثبات قانون كولوم تجريبيًا لأول مرة حوالي عام 1773 على يد كافنديش، الذي استخدم مكثفًا كرويًا لهذا الغرض. وأظهر أنه لا يوجد مجال كهربائي داخل المجال المشحون. وهذا يعني أن قوة التفاعل الكهروستاتيكي تتباين عكسيًا مع مربع المسافة، لكن نتائج كافنديش لم تُنشر.

في عام 1785، تم إنشاء القانون من قبل S. O. Coulomb باستخدام موازين الالتواء الخاصة.

مكنت تجارب كولومب من وضع قانون يذكرنا بشكل لافت للنظر بقانون الجاذبية العالمية.

تتناسب قوة التفاعل بين جسمين مشحونين ثابتين في الفراغ بشكل مباشر مع منتج وحدات الشحن ويتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

في الشكل التحليلي، قانون كولومب له الشكل:

$F=k(|q_1|·|q_2|)/(r^2)$

حيث $|q_1|$ و$|q_2|$ عبارة عن وحدات شحن؛ $r$ هي المسافة بينهما؛ $k$ هو معامل تناسب يعتمد على اختيار نظام الوحدة. يتم توجيه قوة التفاعل على طول خط مستقيم يربط بين الشحنات، حيث تتنافر الشحنات المتشابهة وتتجاذب الشحنات المتباينة.

تعتمد قوة التفاعل بين الشحنات أيضًا على البيئة بين الأجسام المشحونة.

في الهواء، لا تختلف قوة التفاعل تقريبًا عن تلك الموجودة في الفراغ. يعبر قانون كولوم عن تفاعل الشحنات في الفراغ.

والكولوم هو وحدة الشحنة الكهربائية.الكولوم (C) هو وحدة SI لكمية الكهرباء (الشحنة الكهربائية). وهي وحدة مشتقة ويتم تعريفها من حيث وحدة التيار 1 أمبير (A)، وهي إحدى الوحدات الأساسية في النظام الدولي للوحدات (SI).

يتم اعتبار وحدة الشحنة الكهربائية هي الشحنة التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل بقوة تيار قدرها $1$A لكل $1$s.

وهذا يعني أن $1$ Cl$= 1A·s$.

التكلفة البالغة 1$ C تعتبر كبيرة جدًا. إن قوة التفاعل بين شحنتين نقطيتين تبلغ قيمة كل منهما 1 دولارًا أمريكيًا، وتقع على مسافة 1 دولار أمريكي من بعضها البعض، أقل قليلاً من القوة التي تجذب بها الكرة الأرضية حمولة تزن 1 دولارًا أمريكيًا، ومن المستحيل نقلها شحنة إلى جسم صغير (الجزيئات المشحونة تتنافر ولا يمكن أن تبقى في الجسم). لكن في الموصل (الذي يكون محايدًا كهربائيًا بشكل عام)، من السهل تحريك مثل هذه الشحنة (تيار بقيمة 1$ وتيار عادي تمامًا يتدفق عبر الأسلاك في شققنا).

يتم التعبير عن المعامل $k$ في قانون كولوم عند كتابته في SI بـ $Н · m^2$ / $Кл^2$. قيمتها العددية، والتي يتم تحديدها تجريبيًا بواسطة قوة التفاعل بين شحنتين معروفتين تقعان على مسافة معينة، هي:

$k=9·10^9H·m^2$/$Kл^2$

غالبًا ما يتم كتابته بالشكل $k=(1)/(4πε_0)$، حيث $ε_0=8.85×10^(-12)C^2$/$H m^2$ هو الثابت الكهربائي.

سعة المكثف

القدرة الكهربائية

السعة الكهربائية للموصل $C$ هي الكمية العددية للشحنة التي يجب نقلها إلى الموصل من أجل تغيير جهده بمقدار واحد:

تصف السعة قدرة الموصل على تجميع الشحنة. يعتمد ذلك على شكل الموصل وأبعاده الخطية وخصائص البيئة المحيطة بالموصل.

وحدة السعة SI هي فاراد($Ф$) هي سعة الموصل التي يؤدي فيها تغيير الشحن بمقدار $1$ كولوم إلى تغيير جهده بمقدار $1$ فولت.

مكثف كهربائي

المكثف الكهربائي (من اللاتينية condensare، حرفيًا يعني تكثيفه ودمجه) هو جهاز مصمم للحصول على سعة كهربائية بقيمة معينة، وقادر على تجميع وإطلاق (إعادة توزيع) الشحنات الكهربائية.

المكثف هو نظام يتكون من اثنين أو أكثر من الموصلات المشحونة بشكل موحد بشحنات متساوية، مفصولة بطبقة عازلة. يتم استدعاء الموصلات لوحات المكثفات.كقاعدة عامة، المسافة بين الألواح، التي تساوي سمك العازل، أصغر بكثير من أبعاد الألواح نفسها، لذلك يتركز المجال الموجود في المكثف بالكامل تقريبًا بين ألواحه.إذا كانت الصفائح مسطحة، فإن المجال بينهما يكون منتظمًا. يتم تحديد السعة الكهربائية للمكثف المسطح بالصيغة:

$C=(q)/(U)=(ε_(0)εS)/(d)$

حيث $q$ هي شحنة المكثف، $U$ هو الجهد بين لوحاته، $S$ هي مساحة اللوحة، $d$ هي المسافة بين اللوحات، $ε_(0)$ هي الثابت الكهربائي $ε$ هو ثابت العزل الكهربائي للوسط.

شحنة المكثف هي القيمة المطلقة لشحنة أحد اللوحين.

طاقة مجال المكثف

طاقة مكثف مشحونيتم التعبير عنها بواسطة الصيغ

$E_n=(qU)/(2)=(q^2)/(2C)=(CU^2)/(2)$

والتي يتم اشتقاقها مع الأخذ في الاعتبار التعبيرات الخاصة بالعلاقة بين الشغل والجهد وسعة مكثف اللوحة المتوازية.

طاقة المجال الكهربائي.يتم التعبير عن كثافة الطاقة الحجمية للمجال الكهربائي (طاقة المجال لكل وحدة حجم) بكثافة $E$ بالصيغة:

$ω=(εε_(0)E^2)/(2)$

حيث $ε$ هو ثابت العزل الكهربائي للوسط، $ε_0$ هو الثابت الكهربائي.

القوة الحالية

التيار الكهربائي هو الحركة المنظمة (الموجهة) للجزيئات المشحونة.

قوة التيار الكهربائي هي الكمية ($I$) التي تميز الحركة المطلوبة للشحنات الكهربائية وتساوي عدديًا مقدار الشحنة $∆q$ المتدفقة عبر سطح معين $S$ (مقطع عرضي للموصل) لكل وحدة زمنية :

$I=(∆q)/(∆t)$

لذلك، للعثور على القوة الحالية $I$، من الضروري تقسيم الشحنة الكهربائية $∆q$ التي مرت عبر المقطع العرضي للموصل خلال الوقت $∆t$ بحلول هذا الوقت.

تعتمد قوة التيار على الشحنة التي يحملها كل جسيم وسرعة حركتها الاتجاهية ومساحة المقطع العرضي للموصل.

خذ بعين الاعتبار موصلًا بمساحة مقطع عرضي $S$. تكلفة كل جسيم هي $q_0$. يحتوي حجم الموصل، المحدد بالقسمين $1$ و $2$، على جسيمات $nS∆l$، حيث $n$ هو تركيز الجسيمات. إجمالي رسومهم هو $q=q_(0)nS∆l$. إذا تحركت الجسيمات بسرعة متوسطة $υ$، فخلال الوقت $∆t=(∆l)/(υ)$ جميع الجسيمات الموجودة في الحجم قيد النظر سوف تمر عبر المقطع العرضي $2$. وبالتالي فإن القوة الحالية تساوي:

$I=(∆q)/(∆t)=(q_(0)nS∆l·υ)/(∆l)=q_(0)nυS$

في SI، وحدة التيار هي الوحدة الأساسية وتسمى أمبير(أ) تكريماً للعالم الفرنسي أ. م. أمبير (1755-1836).

يتم قياس القوة الحالية باستخدام مقياس التيار الكهربائي. يعتمد مبدأ مقياس التيار الكهربائي على العمل المغناطيسي للتيار.

إن تقدير سرعة الحركة المنظمة للإلكترونات في الموصل، والذي تم إجراؤه باستخدام صيغة موصل نحاسي بمساحة مقطعية قدرها $1mm^2$، يعطي قيمة ضئيلة للغاية - $∼0.1$ مم/ س.

قانون أوم لقسم الدائرة

قوة التيار في قسم من الدائرة تساوي نسبة الجهد في هذا القسم إلى مقاومته.

يعبر قانون أوم عن العلاقة بين ثلاث كميات تميز تدفق التيار الكهربائي في الدائرة: قوة التيار $I$، الجهد $U$ والمقاومة $R$.

تم وضع هذا القانون عام 1827 على يد العالم الألماني ج. أوم ولذلك يحمل اسمه. في الصيغة المذكورة أعلاه يطلق عليه أيضا قانون أوم لقسم من الدائرة. رياضياً، يُكتب قانون أوم بالصيغة التالية:

يسمى اعتماد القوة الحالية على فرق الجهد المطبق في نهايات الموصل خاصية الجهد الحالي(خاصية الجهد الجهد) للموصل.

لأي موصل (صلب أو سائل أو غازي) هناك خاصية الجهد الحالي الخاصة به. أبسط شكل هو خاصية الجهد الحالي للموصلات المعدنية، التي يقدمها قانون أوم $I=(U)/(R)$، ومحاليل الإلكتروليت. تلعب معرفة خاصية الجهد الحالي دورًا مهمًا في دراسة التيار.

قانون أوم هو أساس كل الهندسة الكهربائية. من قانون أوم $I=(U)/(R)$ يلي:

1. تتناسب القوة الحالية في جزء من الدائرة ذات المقاومة الثابتة مع الجهد عند طرفي القسم؛
2. تتناسب القوة الحالية في جزء من الدائرة ذات الجهد الثابت عكسًا مع المقاومة.

ويمكن التحقق بسهولة من هذه التبعيات تجريبيا. يتم الحصول عليها باستخدام الدائرة، وترد في الشكل الرسوم البيانية للتيار مقابل الجهد عند مقاومة ثابتة والتيار مقابل المقاومة. في الحالة الأولى، يتم استخدام مصدر تيار بجهد خرج قابل للتعديل ومقاومة ثابتة $R$، وفي الحالة الثانية، يتم استخدام بطارية ومقاومة متغيرة (مخزن المقاومة).

المقاومة الكهربائية

المقاومة الكهربائية هي كمية فيزيائية تميز مقاومة الموصل أو الدائرة الكهربائية للتيار الكهربائي.

يتم تعريف المقاومة الكهربائية على أنها معامل التناسب $R$ بين الجهد $U$ والتيار المباشر $I$ في قانون أوم لقسم من الدائرة.

وحدة المقاومةمُسَمًّى أوم(أوم) تكريما للعالم الألماني ج. أوم الذي أدخل هذا المفهوم في الفيزياء. واحد أوم (1 دولار أوم) - هذه هي مقاومة الموصل الذي، عند جهد قدره $1$ V، تساوي شدة التيار $1$ A.

المقاومة النوعية

تعتمد مقاومة موصل متجانس ذو مقطع عرضي ثابت على مادة الموصل وطوله $l$ ومقطعه العرضي $S$ ويمكن تحديدها بالصيغة:

حيث $ρ$ هي مقاومة المادة التي يصنع منها الموصل.

المقاومة النوعية لمادة ما هي كمية فيزيائية توضح المقاومة التي يصنعها الموصل من هذه المادة بوحدة الطول ووحدة مساحة المقطع العرضي.

من الصيغة $R=ρ(l)/(S)$ يتبع ذلك

يسمى المقلوب $ρ$ التوصيل $σ$:

نظرًا لأن وحدة المقاومة في SI هي $1$ أوم، ووحدة المساحة هي $1m^2$، ووحدة الطول هي $1$ m، فإن وحدة المقاومة في SI هي $1$ Ohm$ m^2$/m، أو $1$ أوم$ ·$m. وحدة الموصلية في SI هي $Ω^(-1)m^(-1)$.

من الناحية العملية، غالبًا ما يتم التعبير عن مساحة المقطع العرضي للأسلاك الرفيعة بالمليمتر المربع (m$m^2$). في هذه الحالة، وحدة المقاومة الأكثر ملائمة هي Om$·$m$m^2$/m. بما أن $1 mm^2 = 0.000001 m^2$، إذن $1$ Ohm$·$m $m^2$/m$ = 10^(-6)$ Ohm$·$m. تتمتع المعادن بمقاومة منخفضة جدًا - في حدود ($1·10^(-2)$) أوم$·$m$m^2$/m، العوازل الكهربائية - $10^(15)-10^(20)$ مرة أعلى.

اعتماد المقاومة على درجة الحرارة

مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد مقاومة المعادن. ومع ذلك، هناك سبائك لا تتغير مقاومتها تقريبا مع زيادة درجة الحرارة (على سبيل المثال، كونستانتان، مانجانين، إلخ). تقل مقاومة الإلكتروليتات مع زيادة درجة الحرارة.

معامل درجة الحرارةمقاومة الموصل هي نسبة التغير في مقاومة الموصل عند تسخينه بمقدار $1°$C إلى قيمة مقاومته عند $0°$C:

$α=(R_t-R_0)/(R_0t)$

يتم التعبير عن اعتماد مقاومة الموصلات على درجة الحرارة بالصيغة:

$ρ=ρ_0(1+αt)$

في الحالة العامة، $α$ يعتمد على درجة الحرارة، ولكن إذا كان نطاق درجة الحرارة صغيرًا، فيمكن اعتبار معامل درجة الحرارة ثابتًا. بالنسبة للمعادن النقية $α=((1)/(273))K^(-1)$. لمحاليل المنحل بالكهرباء $α

يتم استخدام اعتماد مقاومة الموصل على درجة الحرارة في موازين الحرارة المقاومة.

التوصيل المتوازي والمتسلسل للموصلات

ل اتصال موازيةالموصلات، تنطبق العلاقات التالية:

1) دخول التيار الكهربائي إلى النقطة $A$ من تفرع الموصلات (وتسمى أيضًا عقدة) ، يساوي مجموع التيارات في كل عنصر من عناصر الدائرة:

3) عند توصيل الموصلات على التوازي، تضاف مقاوماتها العكسية:

$(1)/(R)=(1)/(R_1)+(1)/(R_2), R=(R_1·R_2)/(R_1+R_2);$

4) ترتبط القوة الحالية والمقاومة في الموصلات بالعلاقة:

$(I_1)/(I_2)=(R_2)/(R_1)$

ل التوصيل التسلسلي للموصلات في الدائرةالعلاقات التالية صحيحة:

1) لإجمالي $I $ الحالي:

حيث $I_1$ و$I_2$ هما التيار في الموصلات $1$ و$2$، على التوالي؛ أي أنه عندما تكون الموصلات متصلة على التوالي، تكون قوة التيار في الأقسام الفردية من الدائرة هي نفسها؛

2) إجمالي الإجهاد $U$ في نهايات القسم بأكمله قيد النظر يساوي مجموع الضغوط في أقسامه الفردية:

3) المقاومة الإجمالية $R$ لقسم الدائرة بأكمله تساوي مجموع المقاومات المتصلة بالسلسلة:

4) العلاقة التالية صحيحة أيضاً:

$(U_1)/(U_2)=(R_1)/(R_2)$

عمل التيار الكهربائي . قانون جول لينز

الشغل المبذول بواسطة تيار يمر عبر مقطع معين من الدائرة، وفقًا لـ ($U=φ_1-φ_2=(A)/(q)$) يساوي:

حيث $A$ هو عمل التيار؛ $q$ هي الشحنة الكهربائية التي مرت عبر قسم الدائرة قيد النظر خلال فترة زمنية معينة. باستبدال الصيغة $q=It$ في المساواة الأخيرة، نحصل على:

إن عمل تيار كهربائي على قسم من الدائرة يساوي حاصل ضرب الجهد عند نهايات هذا القسم في قوة التيار والزمن الذي تم خلاله تنفيذ العمل.

قانون جول لينز

ينص قانون Joule-Lenz على ما يلي: كمية الحرارة المنطلقة في موصل في قسم من الدائرة الكهربائية بمقاومة $R$ عندما يتدفق تيار مباشر $I$ خلاله لفترة $t$ يساوي منتج مربع التيار والمقاومة والزمن:

تم وضع القانون في عام 1841 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جي بي جول، وفي عام 1842 تم تأكيده من خلال التجارب الدقيقة للعالم الروسي إي إتش لينز. تم اكتشاف ظاهرة تسخين الموصل عندما يمر التيار من خلاله في عام 1800 من قبل العالم الفرنسي أ. فوركروي، الذي تمكن من تسخين دوامة الحديد عن طريق تمرير تيار كهربائي من خلالها.

يترتب على قانون Joule-Lenz أنه عند توصيل الموصلات على التوالي، نظرًا لأن التيار في الدائرة هو نفسه في كل مكان، سيتم إطلاق الحد الأقصى من الحرارة على الموصل ذي المقاومة الأكبر. ويستخدم هذا في التكنولوجيا، على سبيل المثال، لرش المعادن.

في التوصيل الموازي، تكون جميع الموصلات تحت نفس الجهد، لكن التيارات فيها مختلفة. من الصيغة ($Q=I^2Rt$) يترتب على ذلك أنه وفقًا لقانون أوم، $I=(U)/(R)$، إذن

ولذلك، سيتم توليد المزيد من الحرارة على موصل ذو مقاومة أقل.

إذا قمنا في الصيغة ($A=IUt$) بالتعبير عن $U$ بدلالة $IR$، باستخدام قانون أوم، فإننا نحصل على قانون Joule-Lenz. وهذا يؤكد مرة أخرى حقيقة أن عمل التيار ينفق على توليد الحرارة عند المقاومة النشطة في الدائرة.

قوة التيار الكهربائي

لا يتميز تأثير التيار بالشغل $A$ فحسب، بل أيضًا بالقدرة $P$. قوةيوضح التيار مقدار العمل الذي يقوم به التيار لكل وحدة زمنية. إذا تم خلال الوقت $t$ العمل $A$، فإن القوة الحالية $P=(A)/(t)$. بالتعويض بالتعبير ($A=IUt$) في هذه المساواة نحصل على:

يمكن إعادة كتابة هذا التعبير بأشكال مختلفة باستخدام قانون أوم لقسم من الدائرة:

$P=IU=I^(2R)=(U^2)/(R)$

من خلال علاقة EMF من السهل الحصول على قوة المصدر الحالي:

في SI، يتم التعبير عن العمل بالجول (J)، والطاقة بالواط (W)، والوقت بالثواني (ث). حيث

$1$W$=1$J/s، $1$J$=1$W$·$s.

دعونا نحسب الحد الأقصى المسموح به من الطاقة لمستهلكي الكهرباء الذين يمكنهم العمل في الشقة في نفس الوقت. نظرًا لأنه في المباني السكنية يجب ألا تتجاوز القوة الحالية في الأسلاك $I=10$A، عند جهد $U=220$V فإن الطاقة الكهربائية المقابلة تساوي:

$P=10A·220V=2200W=2.2kW.$

سيؤدي الدمج المتزامن للأجهزة ذات الطاقة الإجمالية الأكبر في الشبكة إلى زيادة في القوة الحالية، وبالتالي فهو أمر غير مقبول.

في الحياة اليومية، يتم قياس عمل التيار (أو الكهرباء المستهلكة لأداء هذا العمل) باستخدام جهاز خاص يسمى عداد كهربائي(عداد الكهرباء). عندما يمر تيار عبر هذا المقياس، يبدأ قرص ألومنيوم خفيف الوزن بداخله بالدوران. سرعة دورانه تتناسب طرديا مع التيار والجهد. لذلك، من خلال عدد الثورات التي قام بها خلال وقت معين، يمكن للمرء أن يحكم على العمل الذي قام به التيار خلال هذا الوقت. عادة ما يتم التعبير عن العمل الذي يقوم به التيار بـ كيلووات ساعة(كيلوواط ساعة$).

$1kWh$ هو العمل الذي يتم إنجازه بواسطة تيار كهربائي بقدرة $1kW$ مقابل $1h$. بما أن $1kW=1000W$، و$1h=3600s$، فإن $1kWh=1000W·3600s=3600000 J$.

لنقم بتوصيل دائرة تتكون من مكثف غير مشحون بالسعة C ومقاوم بمقاومة R بمصدر طاقة بجهد ثابت U (الشكل 16-4).

نظرًا لأنه في لحظة تشغيل المكثف لم يتم شحنه بعد، فإن الجهد عبره، لذلك، في الدائرة في اللحظة الأولى من الزمن، يكون انخفاض الجهد عبر المقاومة R مساويًا لـ U وينشأ تيار، وقوة. أيّ

أرز. 16-4. شحن المكثف.

يرافق مرور التيار i تراكم تدريجي للشحنة Q على المكثف، ويظهر الجهد عليها وينخفض ​​انخفاض الجهد عبر المقاومة R:

على النحو التالي من قانون كيرشوف الثاني. وبالتالي فإن القوة الحالية

ينخفض ​​\u200b\u200b، فإن معدل تراكم الشحنة Q يتناقص أيضًا ، نظرًا لأن التيار في الدائرة

بمرور الوقت، يستمر المكثف في الشحن، لكن الشحنة Q والجهد الموجود عليها ينموان ببطء أكثر فأكثر (الشكل 16-5)، ويتناقص التيار في الدائرة تدريجيًا بما يتناسب مع فرق الجهد

أرز. 16-5. رسم بياني للتغيرات في التيار والجهد عند شحن مكثف.

بعد فترة زمنية كبيرة بما فيه الكفاية (طويلة بشكل لا نهائي من الناحية النظرية)، يصل الجهد الموجود على المكثف إلى قيمة تساوي جهد مصدر الطاقة، ويصبح التيار مساويًا للصفر - وتنتهي عملية شحن المكثف.

تكون عملية شحن مكثف أطول، كلما زادت مقاومة الدائرة R، مما يحد من التيار، وكلما زادت سعة المكثف C، لأنه مع السعة الكبيرة يجب أن تتراكم شحنة أكبر. تتميز سرعة العملية بالثبات الزمني للدائرة

كلما كانت العملية أبطأ.

الثابت الزمني للدائرة له البعد الزمني، منذ ذلك الحين

بعد فترة زمنية من لحظة تشغيل الدائرة، تساوي، يصل الجهد على المكثف إلى ما يقرب من 63٪ من جهد مصدر الطاقة، وبعد الفاصل الزمني، يمكن اعتبار عملية شحن المكثف مكتملة.

الجهد عبر المكثف عند الشحن

أي أنه يساوي الفرق بين الجهد الثابت لمصدر الطاقة والجهد الحر والذي يتناقص بمرور الوقت طبقاً لقانون الدالة الأسية من القيمة U إلى الصفر (شكل 16-5).

مكثف شحن التيار

يتناقص التيار من القيمة الأولية تدريجياً وفقاً لقانون الدالة الأسية (الشكل 16-5).

ب) تفريغ المكثف

دعونا الآن نفكر في عملية تفريغ المكثف C، الذي تم شحنه من مصدر الطاقة إلى الجهد U من خلال مقاومة ذات مقاومة R (الشكل 16-6، حيث يتم نقل المفتاح من الموضع 1 إلى الموضع 2).

أرز. 16-6. تفريغ مكثف إلى المقاومة.

أرز. 16-7. رسم بياني للتغيرات في التيار والجهد عند تفريغ مكثف.

في اللحظة الأولى، سينشأ تيار في الدائرة وسيبدأ المكثف في التفريغ، وسوف ينخفض ​​الجهد عبره. مع انخفاض الجهد، فإن التيار في الدائرة سوف ينخفض ​​أيضًا (الشكل 16-7). بعد فترة زمنية، سينخفض ​​الجهد الكهربائي على المكثف وتيار الدائرة إلى حوالي 1% من القيم الأولية ويمكن اعتبار عملية تفريغ المكثف مكتملة.

جهد المكثف أثناء التفريغ

أي أنها تتناقص طبقا لقانون الدالة الأسية (شكل 16-7).

تيار تفريغ المكثف

أي أنه مثل الجهد يتناقص وفقًا لنفس القانون (الشكل 6-7).

يتم إطلاق كل الطاقة المخزنة عند شحن مكثف في مجاله الكهربائي على شكل حرارة في المقاومة R أثناء التفريغ.

لا يمكن للمجال الكهربائي للمكثف المشحون، المنفصل عن مصدر الطاقة، أن يبقى دون تغيير لفترة طويلة، لأن عازل المكثف والعزل بين أطرافه لهما بعض الموصلية.

يسمى تفريغ المكثف بسبب خلل في العزل الكهربائي والعزل بالتفريغ الذاتي. لا يعتمد الثابت الزمني أثناء التفريغ الذاتي للمكثف على شكل الألواح والمسافة بينهما.

تسمى عمليات شحن وتفريغ المكثف بالعمليات العابرة.

بعض المكونات الإلكترونية الأكثر استخدامًا هي المكثفات. وفي هذه المقالة سيتعين علينا معرفة مما تتكون وكيف تعمل وفيم تستخدم :)

دعونا نلقي نظرة أولا على جهاز مكثف، ثم سننتقل بسلاسة إلى أنواعها وخصائصها الرئيسية، بالإضافة إلى عمليات الشحن/التفريغ. كما ترون، لدينا الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام لاستكشافها اليوم 😉

لذلك، فإن أبسط مكثف يتكون من لوحين موصلين مسطحين، متوازيين مع بعضهما البعض ومفصولين بطبقة عازلة. علاوة على ذلك، يجب أن تكون المسافة بين اللوحات أصغر بكثير من أبعاد اللوحات في الواقع:

يسمى هذا الجهاز مكثف مسطح، والألواح – لوحات المكثفات. تجدر الإشارة إلى أننا هنا نفكر في مكثف مشحون بالفعل (سندرس عملية الشحن نفسها بعد قليل)، أي أن هناك شحنة معينة تتركز على اللوحات. علاوة على ذلك، فإن الاهتمام الأكبر يكون في الحالة التي تكون فيها شحنات ألواح المكثف متطابقة في الحجم ومتعاكسة في الإشارة (كما في الشكل).

وبما أن الشحنة مركزة على اللوحين، يظهر مجال كهربائي بينهما، كما هو موضح بالأسهم في الشكل. يتركز مجال المكثف المسطح بشكل رئيسي بين الألواح، ومع ذلك، ينشأ مجال كهربائي أيضًا في الفضاء المحيط، وهو ما يسمى مجال التسرب. في كثير من الأحيان يتم إهمال تأثيره في المهام، ولكن لا ينبغي أن ننسى ذلك :)

لتحديد حجم هذا المجال، فكر في تمثيل تخطيطي آخر لمكثف ذو لوحة مسطحة:

تخلق كل لوحة من لوحات المكثف مجالًا كهربائيًا على حدة:

التعبير عن شدة المجال للوحة مشحونة بشكل موحد هو كما يلي:

هنا كثافة الشحنة السطحية: . A هو ثابت العزل الكهربائي للعازل الموجود بين ألواح المكثف. نظرًا لأن مساحة صفائح المكثفات هي نفسها، كما هو الحال مع حجم الشحنة، فإن وحدات شدة المجال الكهربائي متساوية مع بعضها البعض:

لكن اتجاهات النواقل مختلفة - داخل المكثف يتم توجيه النواقل في اتجاه واحد، وخارجه - في الاتجاه المعاكس. وهكذا، داخل اللوحات يتم تعريف الحقل الناتج على النحو التالي:

كم سيكون الجهد خارج المكثف؟ وكل شيء بسيط - على يسار ويمين الصفائح، تعوض حقول الصفائح بعضها البعض ويكون التوتر الناتج 0 :)

عمليات شحن وتفريغ المكثفات.

لقد اكتشفنا الجهاز، والآن دعونا نكتشف ما يحدث إذا قمنا بتوصيل مصدر التيار المستمر بالمكثف. في مخططات الدوائر الكهربائية، يتم تحديد المكثف على النحو التالي:

لذلك، قمنا بتوصيل لوحات المكثفات إلى أقطاب مصدر التيار المستمر. ماذا سيحدث؟

تحرر الإلكترونات من اللوحة الأولى مكثفسوف يندفع إلى القطب الموجب للمصدر، وبالتالي سيكون هناك نقص في الجزيئات سالبة الشحنة على اللوحة وسوف تصبح مشحونة بشكل إيجابي. في الوقت نفسه، ستنتقل الإلكترونات من القطب السالب للمصدر الحالي إلى اللوحة الثانية للمكثف، ونتيجة لذلك ستظهر عليها فائض من الإلكترونات، وبالتالي تصبح اللوحة مشحونة سلبا. وهكذا تتشكل شحنات ذات إشارات مختلفة على ألواح المكثف (وهذا بالضبط هو الحال الذي تناولناه في الجزء الأول من المقال)، مما يؤدي إلى ظهور مجال كهربائي من شأنه أن يخلق قيمة معينة بين لوحات المكثف. المكثف. وتستمر عملية الشحن حتى يصبح فرق الجهد هذا مساوياً لجهد مصدر التيار، وبعدها تنتهي عملية الشحن وتتوقف حركة الإلكترونات عبر الدائرة.

عند فصله عن المصدر، يمكن للمكثف الاحتفاظ بالشحنات المتراكمة لفترة طويلة. وبناءً على ذلك، فإن المكثف المشحون هو مصدر للطاقة الكهربائية، مما يعني أنه يمكنه إطلاق الطاقة إلى دائرة خارجية. لنقم بإنشاء دائرة بسيطة عن طريق توصيل ألواح المكثفات ببعضها البعض:

في هذه الحالة، سوف تبدأ الدائرة في التدفق تيار تفريغ المكثفوستبدأ الإلكترونات في الانتقال من اللوحة السالبة إلى اللوحة الموجبة. ونتيجة لذلك، فإن الجهد عبر المكثف (الفرق المحتمل بين اللوحات) سوف يبدأ في الانخفاض. ستنتهي هذه العملية في اللحظة التي تصبح فيها شحنات ألواح المكثف متساوية، وبالتالي يختفي المجال الكهربائي بين الألواح ويتوقف التيار عن التدفق عبر الدائرة. هذه هي الطريقة التي يتم بها تفريغ المكثف، ونتيجة لذلك يطلق كل الطاقة المتراكمة في الدائرة الخارجية.

كما ترون، لا يوجد شيء معقد هنا :)

قدرة وطاقة المكثف.

السمة الأكثر أهمية هي السعة الكهربائية للمكثف - وهي كمية فيزيائية يتم تعريفها على أنها نسبة شحنة مكثف أحد الموصلات إلى فرق الجهد بين الموصلات:

يتم قياس السعة بالفاراد، ولكن 1 F كبير جدًا، لذلك يتم قياس السعة غالبًا بالميكروفاراد (μF)، والنانوفاراد (nF) والبيكوفاراد (pF).

وبما أننا قد اشتقنا بالفعل صيغة حساب الجهد، فلنعبر عن الجهد عبر المكثف على النحو التالي:

لدينا هنا المسافة بين لوحي المكثف، وشحنة المكثف. لنعوض بهذه الصيغة في عبارة سعة المكثف:

إذا استخدمنا الهواء كمادة عازلة، فيمكننا استبداله في جميع الصيغ

التعبيرات التالية صالحة للطاقة المخزنة للمكثف:

بالإضافة إلى السعة، تتميز المكثفات بمعلمة أخرى، وهي مقدار الجهد الذي يمكن أن يتحمله العازل الكهربائي. عندما يكون الجهد مرتفعًا جدًا، يتم تجريد إلكترونات العازل من الذرات، ويبدأ العازل في توصيل التيار. وتسمى هذه الظاهرة انهيار المكثفات، ونتيجة لذلك، تصبح اللوحات قصيرة الدائرة لبعضها البعض. في الواقع، فإن الخاصية التي يتم استخدامها غالبًا عند العمل مع المكثفات ليست جهد الانهيار، بل جهد التشغيل - أي قيمة الجهد التي يمكن أن يعمل بها المكثف إلى أجل غير مسمى لفترة طويلة، ولن يحدث الانهيار.

بشكل عام، نظرنا اليوم إلى الخصائص الأساسية للمكثفات وبنيتها وخصائصها، وبهذا ننهي المقال، وفي المقال التالي سنناقش الخيارات المختلفة لتوصيل المكثفات، لذا قم بزيارة موقعنا مرة أخرى!

منذ بداية دراسة الكهرباء، لم يتمكن إيوالد فون كليست وبيتر فان موشنبروك من حل مشكلة تراكمها والحفاظ عليها إلا في عام 1745. الجهاز الذي تم إنشاؤه في ليدن، هولندا، جعل من الممكن تجميعه واستخدامه عند الضرورة.

إن جرة ليدن هي نموذج أولي للمكثف. أدى استخدامه في التجارب الفيزيائية إلى تطوير دراسة الكهرباء إلى الأمام وجعل من الممكن إنشاء نموذج أولي للتيار الكهربائي.

ما هو مكثف

جمع الكهرباء هو الغرض الرئيسي للمكثف. عادةً ما يكون هذا نظامًا مكونًا من موصلين معزولين يقعان بالقرب من بعضهما البعض قدر الإمكان. تمتلئ المسافة بين الموصلات بمادة عازلة. يتم اختيار الشحنة المتراكمة على الموصلات لتكون معاكسة. تساهم خاصية الشحنات المتضادة في جذب بعضها البعض في زيادة تراكمها. للعازل الكهربائي دور مزدوج: كلما زاد ثابت العزل الكهربائي، زادت القدرة الكهربائية؛

السعة الكهربائية هي الكمية الفيزيائية الرئيسية التي تميز قدرة المكثف على تجميع الشحنة. تسمى الموصلات بالصفائح؛ ويتركز المجال الكهربائي للمكثف بينهما.

من الواضح أن طاقة المكثف المشحون يجب أن تعتمد على سعته.

القدرة الكهربائية

تتيح إمكانات الطاقة استخدام المكثفات (ذات القدرة الكهربائية العالية). يتم استخدام طاقة المكثف المشحون عندما يكون من الضروري تطبيق نبض تيار قصير المدى.

ما هي الكميات التي تعتمد عليها القدرة الكهربائية؟ تبدأ عملية شحن المكثف بتوصيل ألواحه بأقطاب مصدر التيار. يتم اعتبار الشحنة المتراكمة على لوحة واحدة (قيمتها q) بمثابة شحنة للمكثف. المجال الكهربائي المتمركز بين اللوحين له فرق جهد U.

تعتمد السعة الكهربائية (C) على كمية الكهرباء المركزة على موصل واحد وجهد المجال: C = q/U.

يتم قياس هذه القيمة بوحدة F (الفاراد).

لا يمكن مقارنة سعة الأرض بأكملها بحجم دفتر ملاحظات تقريبًا. يمكن استخدام الشحنة القوية المتراكمة في التكنولوجيا.

ومع ذلك، ليس من الممكن تجميع كمية غير محدودة من الكهرباء على اللوحات. عندما يرتفع الجهد إلى الحد الأقصى، قد يحدث انهيار للمكثف. يتم تحييد اللوحات، مما قد يؤدي إلى تلف الجهاز. يتم استخدام طاقة المكثف المشحون بالكامل لتسخينه.

قيمة الطاقة

يحدث تسخين المكثف بسبب تحويل طاقة المجال الكهربائي إلى طاقة داخلية. تشير قدرة المكثف على بذل شغل لتحريك الشحنة إلى وجود إمدادات كافية من الكهرباء. لتحديد مقدار طاقة المكثف المشحون، فكر في عملية تفريغه. تحت تأثير المجال الكهربائي للجهد U، تتدفق شحنة بحجم q من لوحة إلى أخرى. حسب التعريف، شغل المجال يساوي حاصل ضرب فرق الجهد وكمية الشحنة: A=qU. هذه العلاقة صالحة فقط لقيمة جهد ثابتة، ولكن أثناء عملية التفريغ على ألواح المكثف تنخفض تدريجياً إلى الصفر. لتجنب عدم الدقة، لنأخذ القيمة المتوسطة U/2.

من صيغة السعة الكهربائية لدينا: q=CU.

من هنا يمكن تحديد طاقة المكثف المشحون بالصيغة:

ونرى أن قيمته أكبر كلما زادت القدرة الكهربائية والجهد. للإجابة على سؤال ما هي طاقة المكثف المشحون، دعونا ننتقل إلى أصنافها.

أنواع المكثفات

نظرًا لأن طاقة المجال الكهربائي المركزة داخل المكثف ترتبط ارتباطًا مباشرًا بسعته، ويعتمد تشغيل المكثفات على ميزات تصميمها، يتم استخدام أنواع مختلفة من أجهزة التخزين.

1. حسب شكل الصفائح: مسطحة، أسطوانية، كروية، إلخ.
2. عن طريق تغيير السعة: ثابت (السعة لا تتغير)، متغير (عن طريق تغيير الخواص الفيزيائية، نغير السعة)، الضبط. يمكن تغيير السعة عن طريق تغيير درجة الحرارة ميكانيكيًا أو كهربائيًا. تتغير سعة المكثفات المضبوطة عن طريق تغيير مساحة الألواح.
3. حسب نوع العازل: غاز، سائل، عازل صلب.
4. حسب نوع العزل الكهربائي: الزجاج والورق والميكا والورق المعدني والسيراميك والأغشية الرقيقة ذات التركيبات المختلفة.

اعتمادا على النوع، يتم تمييز المكثفات الأخرى أيضا. تعتمد طاقة المكثف المشحون على خصائص العازل الكهربائي. الكمية الرئيسية تسمى ثابت العزل الكهربائي. القدرة الكهربائية تتناسب طرديا معها.

مكثف مسطح

لنفكر في أبسط جهاز لتجميع الشحنة الكهربائية - مكثف مسطح. هذا نظام فيزيائي يتكون من لوحين متوازيين، بينهما طبقة عازلة.

يمكن أن يكون شكل اللوحات مستطيلاً أو مستديرًا. إذا كانت هناك حاجة للحصول على سعة متغيرة، فعادة ما يتم أخذ اللوحات على شكل أنصاف أقراص. يؤدي دوران إحدى الصفائح بالنسبة إلى الأخرى إلى تغيير في مساحة الصفائح.

С = εε 0 ثانية/د.

طاقة مكثف اللوحة المتوازية

نرى أن سعة المكثف تتناسب طرديا مع المساحة الكلية للوحة الواحدة وتتناسب عكسيا مع المسافة بينهما. معامل التناسب هو الثابت الكهربائي ε 0. ستؤدي الزيادة في ثابت العزل الكهربائي إلى زيادة السعة الكهربائية. إن تقليل مساحة اللوحة يجعل من الممكن الحصول على مكثفات الضبط. تعتمد طاقة المجال الكهربائي للمكثف المشحون على معلماته الهندسية.

نستخدم صيغة الحساب: W = CU 2 /2.

يتم تحديد طاقة المكثف المسطح المشحون باستخدام الصيغة:

W = εε 0 S U 2 /(2d).

باستخدام المكثفات

يتم استخدام قدرة المكثفات على تجميع الشحنات الكهربائية بسلاسة وإطلاقها بسرعة كافية في مختلف مجالات التكنولوجيا.

يتيح لك الاتصال بالمحاثات إنشاء دوائر تذبذبية ومرشحات تيار ودوائر تغذية مرتدة.

تستخدم الومضات الضوئية وبنادق الصعق، التي يحدث فيها تفريغ فوري تقريبًا، قدرة المكثف على إنشاء نبض تيار قوي. يتم شحن المكثف من مصدر تيار مباشر. يعمل المكثف نفسه كعنصر يكسر الدائرة. يحدث التفريغ في الاتجاه المعاكس من خلال مصباح ذو مقاومة أومية منخفضة على الفور تقريبًا. في مسدس الصعق، هذا العنصر هو جسم الإنسان.

مكثف أو بطارية

توفر القدرة على الاحتفاظ بالشحن المتراكم لفترة طويلة فرصة رائعة لاستخدامه كجهاز تخزين معلومات أو جهاز تخزين طاقة. تستخدم هذه الخاصية على نطاق واسع في هندسة الراديو.

لسوء الحظ، المكثف غير قادر على استبدال البطارية، لأنه لديه القدرة على التفريغ. الطاقة المتراكمة به لا تتجاوز عدة مئات من الجول. يمكن للبطارية تخزين كمية كبيرة من الكهرباء لفترة طويلة وبدون أي خسائر تقريبًا.