fbpx

Krótko o kondensatorze, cewce i mikrofali. Cenna wiedza na Olimpiadę Fizyczną

Układ elektryczny mikrofali

Źródło: pexels.com

Celem tego tekstu jest przybliżenie czytelnikowi w olbrzymim skrócie czym jest cewka, kondensator i obwód rezonansowy. Nowo zdobyta wiedza powinna wystarczyć, aby zrozumieć ogólną zasadę działania mikrofalówki. Przyda się również podczas startu w Olimpiadzie Fizycznej! Po zakończonym czytaniu koniecznie zajrzyj na podstronę, która szczegółowo opisuje jak przebiega nauka w ramach kursu Indeksu w Kieszeni, pod okiem laureatów najwyższych miejsc poprzednich edycji!

 

Kondensator na Olimpiadzie Fizycznej

 

Kondensator jest to bierny element elektryczny, który można wbudować w obwód. Składa się z dwóch powierzchni przewodnika, zwanych okładkami, oddzielonych od siebie izolatorem. Kondensator posiada dwie „nóżki” – każdą podłączoną do jednej okładki.

Szkic przedstawiający kondensator i bateryjkę

Rysunek 1.

Przeanalizujmy, co się dzieje w najprostszym obwodzie z kondensatorem przedstawionym na rysunku 1., gdy go zewrzemy. Kondensator stanowi w zasadzie przerwę w obwodzie, więc wydawać by się mogło, że prąd wcale nie popłynie. Tak jednak nie będzie. Zaraz po zwarciu obwodu przez krótką chwilę prąd popłynie.  W wyniku przepływu tego prądu na jednej z okładek zgromadzi się pewien ładunek dodatni, a na drugiej ujemny. Ładunki jednego znaku, jak wiadomo, odpychają się, więc w momencie, w którym bateryjka wtłoczyła do kondensatora pewien ładunek, następną jego porcję trudniej już jest wprowadzić, gdyż ładunek wcześniej zgromadzony na okładce odpycha ją. Po pewnym czasie prąd przestanie wpłynąć. Stanie się to wówczas, gdy bateryjka nie będzie już miała siły dalej „wpychać” ładunku. W tym momencie wartości napięcia na kondensatorze i bateryjce zrównają się.

Wielkością charakteryzującą kondensator jest tak zwana „pojemność” oznaczana zwyczajowo literą C. Kondensator o dużej pojemności będzie się w danym układzie „napełniał” dłużej, a całkowity ładunek na nim zgromadzony będzie większy. Gdyby jedynym oporem byłby ten pochodzący ze źródła i przewodów, to taki kondensator bardzo szybko by się wysycił i prąd przestałby płynąć.

Podsumowując: kondensator to taki element elektryczny, do którego tym ciężej wtłoczyć nowy ładunek, im więcej już go tam umieściliśmy. Zasadą swojego działania przypomina więc nieco sprężynę: im mocniej ją ściśniemy, tym ciężej jest nam dalej ściskać.

 

Cewka

 

Cewka również jest biernym elementem elektrycznym. Składa się z nawiniętego wielokrotnie przewodnika. Żeby zrozumieć zasadę działania cewki trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że płynący w przewodniku prąd powoduje powstanie wokół niego pola magnetycznego. Z kolei zmienne w czasie pole magnetyczne indukuje w obwodzie napięcie.

Tak się złośliwie składa, że jeśli chcemy puścić przez przewodnik prąd, to pojawiające się wokół niego pole magnetyczne powoduje powstanie napięcia przeszkadzającego w zmianie prądu. Cewka jest elementem który ową właściwość wykorzystuje.

Przeanalizujmy, co się dzieje, jeśli zewrzemy  obwód przedstawiony na rysunku 2. (nie polecam tego robić w praktyce – najpewniej poskutkuje to spaleniem się cewki i bateryjki). Bateryjka powoduje przepływ ładunków przez cewkę, a ta ostatnia stara się to utrudnić.

Szkic przedstawiający cewkę i bateryjkę

Rysunek 2.

Jednak gdybyśmy z jakiegoś powodu przestali wywoływać ruch ładunków za pomocą bateryjki, okazałoby się, że prąd „chce” nadal płynąć, gdyż słabnące na skutek zmniejszonego przepływu prądu pole zacznie indukować napięcie takie, które przeciwdziałać będzie zmianom prądu – czyli w tym przypadku będzie starało się go podtrzymać.

Wielkością charakteryzującą cewkę jest jej indukcyjność oznaczana zazwyczaj za pomocą L. Im większa jest indukcyjność, tym bardziej cewka przeszkadza w zmianie przepływającego przez nią prądu. Działanie cewki można z powodzeniem porównać do masy obiektów fizycznych. Im większa masa, tym trudniej obiekt rozpędzić, ale jak już nada mu się odpowiednią prędkość, to równie trudno jest go później zatrzymać. Tak samo ciężej jest wywołać przepływ prądu w cewce o większej indukcyjności, lecz jeśli już go się wywoła, dłużej on będzie przez dużą indukcyjność podtrzymany.

 

Obwód rezonansowy LC

 

Mamy już pewien analog sprężynki i pewien analog masy. Pora na masę na sprężynce. Przyjrzyjmy się rysunkowi 3.

Szkic przedstawiający szeregowy obwód LC

Rysunek 3. Szeregowy obwód LC

Załóżmy, że z jakiegoś powodu jedna z okładek kondensatora jest naładowana ładunkiem q a druga -q. Ładunki jednoimienne na poszczególnych okładkach odpychają się, więc prąd zacznie płynąć od dodatnio naładowanej okładki w kierunku okładki naładowanej ujemnie. Będzie on w pewnym sensie „rozpędzał” cewkę. W którymś momencie ładunki na obu okładkach kondensatora wyrównają się. Prąd będzie jednak nadal płynął, gdyż podtrzymywać go będzie „rozpędzona” cewka. Okładka kondensatora, która początkowo była naładowana ujemnie, zmieni swój ładunek na dodatni – analogiczna zmiana dokona się na drugiej okładce. Gdy „rozpęd” cewki się wyczerpie, powrócimy do sytuacji wyjściowej, jednak z zamienionymi ładunkami na okładkach kondensatora.

Cykl ten powtórzy się następnie w drugą stronę i układ wróci do stanu pierwotnego. Takie zachowanie obwodu tłumaczy jego nazwę – „obwód rezonansowy”. Bierze się ona stąd, że ładunek zgromadzony na okładce kondensatora i prąd w cewce drgają harmonicznie. Częstotliwość tych drgań jest równa:

Wzór fizyczny

Wzór na częstotliwość drgań obwodu LC jest więc w zasadzie kontynuacją powyższej analogii.

 

Mikrofalówka

 

Mikrofalówka w kuchni

 

Zmienny prąd wytwarza falę elektromagnetyczną. Ta natomiast fala, jeśli ma odpowiednią częstotliwość (około 2.5 GHz), ogrzewa wodę w naszym jedzeniu umieszczonym w mikrofalówce. Konstruując odpowiedni układ analogiczny do okładu rezonansowego LC można wytworzyć drgania  rezonansowe i w konsekwencji falę elektromagnetyczną o odpowiedniej częstotliwości.

Szczegóły tego, jak działa urządzenie emitujące mikrofalę, można znaleźć wyszukując w Internecie hasło „cavity magnetron”. Ja jednak proponuję obejrzeć film na YouTubie zamieszczony pod linkiem:

https://www.youtube.com/watch?v=bUsS5KUMLvw

Wszystko zostało w nim świetnie wytłumaczone. Żeby ułatwić oglądanie zamieszczam krótki słowniczek. Bardzo polecam uczenie się wszystkich nazw fizycznych równolegle po polsku i po angielsku – ułatwia to później wyszukiwanie różnych informacji – w szczególności tych zbieranych podczas reaserch’u przed pierwszym etapem Olimpiady Fizycznej.

 

  • a capacitor – kondensator
  • an inductor / a coil– cewka
  • a current – natężenie prądu
  • a voltage – napięcie
  • a cavity – wnęka/wgłębienie

 

Dzięki za zapoznanie się z tekstem! Zachęcam Was również do wspólnych przygotowań ze mną, do Olimpiady Fizycznej! Szczegóły znajdziecie pod tym linkiem.

 

Autor tekstu: Filip Bojdecki 

Grupa odnośnie Przygotowań do Olimpiady Fizycznej

Chcesz być ze wszystkim na bieżąco? Dołącz do grupy na Facebooku!

5/5 - (na podstawie 17 ocen)
Indeks w Kieszeni
kontakt@indekswkieszeni.pl