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 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.
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 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.
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.
Mamy już pewien analog sprężynki i pewien analog masy. Pora na masę na sprężynce. Przyjrzyjmy się rysunkowi 3.
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 na częstotliwość drgań obwodu LC jest więc w zasadzie kontynuacją powyższej analogii.
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.
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
Strona przygotowana przez Zyskowni.pl
Zakładamy Ci konto na naszej platformie e-learningowej, na której znajdują się materiały, artykuły popularnonaukowe, czy nagrania video! Możesz tam bez ograniczeń kontaktować się ze swoim Opiekunem. Odpowiada on na Twoje pytania i sprawdza wysyłane do sprawdzenia prace.
Na platformie otrzymujesz moduły - zestawy materiałów z prezentacjami, skryptami, testami, kartkówkami. Z nimi pracujesz w dowolnym miejscu - w domu, w podróży, w bibliotece.
Na platformie, gdzie odbywa się kurs możesz zadawać pytania 24h na dobę 7 dni w tygodniu - Prowadzący są tam po to by zawsze Ci pomóc i rozwiać Twoje wątpliwości.
Twój progres w nauce jest kontrolowany wraz z każdym kolejnym modułem - służą temu wszelkie kartkówki, testy i sprawdziany, które rozwiązane odsyłasz i otrzymujesz szczegółowy klucz.
Celujesz w świetny wynik na egzaminie ósmoklasisty? A może potrzebujesz tylko usystematyzować posiadaną wiedzę? Nieważne - nasz kurs (tempo pracy i materiały oraz pomoc Prowadzącego) jest zawsze dopasowany do aktualnego stanu Twoich umiejętności i oczekiwań.
Na platformie otrzymasz nielimitowany w okresie przygotowań dostęp do nagrań video, na których nasz zespół merytoryczny przeprowadzi Cię przez najbardziej wymagające i najczęściej pojawiające się na arkuszu zagadnienia egzaminacyjne.
Indywidualny kurs e-learningowy
egzamin ósmoklasisty
Wolisz uczyć się we własnym tempie i na własnych zasadach? W takim razie kurs e-learningowy jest stworzony właśnie dla Ciebie!
Nowoczesna forma indywidualnej nauki zdalnej (start: natychmiast lub we wskazanym terminie)
Dostęp do dedykowanej platformy do nauki e-learningowej
Harmonogram przygotowań dostosowany do dostępności ucznia
Przypisany opiekun merytoryczny prowadzący kurs
Komplet materiałów podzielonych na moduły tematyczne, a w każdym z nich: prezentacje, testy, kartkówki, skrypty, karty pracy i zadania egzaminacyjne
Materiały video – do kursu dołączone są nagrania video, na których członkowie zespołu merytorycznego IWK tłumaczą najtrudniejsze lub najbardziej prawdopodobne w wystąpieniu na egzaminie zagadnienia
Indywidualne podejście – otrzymujesz dostęp do naszej dedykowanej platformy edukacyjnej z pomocami naukowymi, na której możesz bez ograniczeń kontaktować się ze swoim Opiekunem. Odpowiada on na Twoje pytania i sprawdza wysyłane prace.
Regularnie sprawdzane postępy
Ciągła możliwość kontaktu z Prowadzącym
Dzięki nowoczesnej formie nauki nasze kursy są dostępne dla uczniów z całej Polski – możesz dołączyć do nich niezależnie od miejsca zamieszkania i zacząć przygotowania już dziś! Skontaktuj się z nami i nie odkładaj decyzji na później – do egzaminu ósmoklasisty coraz bliżej!
Grupowy kurs całoroczny
egzamin ósmoklasisty
Chcesz solidnie przygotować się do egzaminu ósmoklasisty? Wolisz regularne zajęcia w grupie i stałe wsparcie prowadzącego? Jeśli tak, kurs grupowy będzie idealnym wyborem dla Ciebie!
46 godzin lekcyjnych zajęć (23 spotkania) + prace domowe
Forma stacjonarna (w salach w Warszawie) lub webinarowa (zajęcia online na żywo)
Nagrania z zajęć webinarowych oraz nagrania umożliwiające nadrobienie materiału osobom zapisującym się po rozpoczęciu kursów stacjonarnych
Możliwość wyboru grupy zajęciowej (harmonogram pojawi się w lipcu 2026 r.)
Pomoc pomiędzy zajęciami – ciągła możliwość kontaktu z Prowadzącym przez dedykowaną grupę zajęciową
Materiały z zajęć w formie cyfrowej
Regularne zajęcia pomagają utrzymać systematyczność w nauce i realnie wpływają na lepsze wyniki na egzaminie ósmoklasisty. Co roku wielu naszych uczniów z różnych części Polski osiąga wysokie rezultaty. Zapisz się na zajęcia już dziś i przygotuj się z nami do egzaminu ósmoklasisty!