Fiziğin Muhteşem DünyasıEtkileşimli fizik simülasyonları
Ana sayfa › Fizik II › Kapasitans ve Dielektrikler

Kondansatör ve Dielektrikler

Paralel plakalı bir kondansatörün sığası $C = \varepsilon_0 \dfrac{A}{d}$'dir. Plakalar arasına dielektrik sabiti $\kappa$ olan bir malzeme konursa sığa $\kappa$ kat artar. Yük ve gerilim $Q = CV$ ile, depolanan enerji $U = \tfrac12 CV^2 = \dfrac{Q^2}{2C}$ ile verilir.

Kritik ayrım: Batarya bağlıyken gerilim $V$ sabit kalır, yük değişir. Batarya ayrıldıktan sonra yük $Q$ sabit kalır (gidecek yeri yoktur), gerilim değişir.

Dielektriğin kısmen yerleştirilmesi

Dielektrik plakaların alanının $f$ kesrini (tüm kalınlık boyunca) dolduruyorsa, iki bölge yan yana (paralel) iki kondansatör gibidir: $C = \dfrac{\varepsilon_0 A}{d}\left[(1-f) + \kappa f\right]$. İki bölgede de alan aynıdır ($E = V/d$), ama dielektrikli bölgede plakalardaki serbest yük yoğunluğu $\kappa$ kat fazladır; fazlalık, dielektrik yüzeyindeki bağlı yüklerle dengelenir.

Parametreler

Bataryayı ayırın, sonra plaka aralığını değiştirin ya da dielektriği itin: hangi büyüklükler sabit kalıyor? Enerji değişimi seçtiğiniz başlangıç durumuna göre hesaplanır.

Hesaplama

Bunu dene

1. Batarya bağlıyken ($V = 12$ V) plaka aralığını 3 mm'den 6 mm'ye çıkarın. $C$, $Q$, $E$ ve $U$ nasıl değişir? Sonra aynısını batarya ayrıkken yapın.

Açıklama
Bağlıyken $V$ sabit: $C$ yarıya iner, $Q = CV$ yarıya iner, $E = V/d$ yarıya iner, $U = \tfrac12 CV^2$ yarıya iner (batarya yük geri alır). Ayrıkken $Q$ sabit: $C$ yarıya iner, $V = Q/C$ iki katına çıkar, $E = Q/(\varepsilon_0 A)$ değişmez, $U = Q^2/2C$ iki katına çıkar. Artan enerji, plakaları birbirinden ayırırken yaptığınız işten gelir.

2. Batarya ayrıkken dielektriği ($\kappa = 4$) tamamen içeri itin ($f = 1$). Enerji ne olur? Dielektrik içeri çekilir mi, itilmesi mi gerekir?

Açıklama
$Q$ sabit, $C$ dört katına çıkar, $U = Q^2/2C$ dörtte birine iner. Enerji azaldığına göre alan dielektriği kendiliğinden içeri çeker; tutmazsanız iş yapar ($W_{\text{dış}} = \Delta U < 0$).

3. Bağlama modunda $C_1 = 2\ \mu$F, $C_2 = 3\ \mu$F, $C_3 = 6\ \mu$F seçin. Seri ve paralel bağlamada eşdeğer sığa ne olur? Seri bağlamada hangi kondansatör en büyük gerilimi taşır?

Açıklama
Seri: $1/C_{\text{eş}} = 1/2 + 1/3 + 1/6 = 1$ ⇒ $C_{\text{eş}} = 1\ \mu$F. Paralel: $C_{\text{eş}} = 11\ \mu$F. Seride hepsinin yükü aynıdır; $V_i = Q/C_i$ olduğundan en küçük sığa ($C_1$) en büyük gerilimi taşır.

Fizik II dersindeki diğer simülasyonlar