Kondensatory: podstawy

Zagadnienia

• Kondensator
• Pojemność
• Obwód RC
• Obwody

Opis

Zobacz, jak działa kondensator! Zmień rozmiar płytek i odległość między nimi. Zmień napięcie i zobacz ładunki na okładkach. Zobacz linie sił pola elektrycznego i zmierz napięcie. Podłącz naładowany kondensator do żarówki i obserwuj rozładowujący się obwód RC.

PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, https://phet.colorado.edu Na licencji CC BY 4.0

W opracowaniu niniejszego poradnika wykorzystano materiały PhET: Strona źródłowa symulacji, Teacher Tips (Rouinfar, sierpień 2023)

W szablonie strony wykorzystano kod html/css: phydemo.app.

Poziom

Szkoła średnia

Przykładowe cele nauczania

• Wyjaśnij zależności między napięciem, ładunkiem, zmagazynowaną energią i pojemnością
• Przewiduj, jak zmienia się pojemność, gdy zmienia się powierzchnia okładek lub ich odległość
• Opisz, w jaki sposób ładunek odpływa z kondensatora do żarówki

Przykładowe materiały teoretyczne

• Kondensatory i pojemność elektryczna (OpenStax)
• Kondensator (Wikipedia)
• Jak definiuje się pojemność elektryczną kondensatora? (ZPE)

Sterowanie symulacją

Ekran Pojemność (link bezpośredni)

Zbadaj związek między pojemnością, odległością między okładkami i ich powierzchnią.

Ekran Żarówka (link bezpośredni)

Podłącz kondensator do żarówki i eksperymentuj z rozładowującym się kondensatorem w obwodzie RC.

Opcje dostosowywania

Poniższe parametry query umożliwiają dostosowanie symulacji i można je dodać, dołączając znak '?' do adresu URL symulacji i oddzielając każdy parametr query znakiem '&'. Ogólny wzorzec adresu URL to: …html?queryParameter1&queryParameter2&queryParameter3

Na przykład, jeśli w symulacji Kondensatory: podstawy chcesz uwzględnić tylko pierwszy ekran (screens=1), z wyłączonymi linkami zewnętrznymi (allowLinks=false), użyj: https://www.edukator.pl/tik_edukator/capacitor-lab-basics_all.html?screens=1&allowLinks=false

Aby uruchomić to w języku polskim (locale=pl), adres URL będzie wyglądał następująco: https://www.edukator.pl/tik_edukator/capacitor-lab-basics_all.html?locale=pl&screens=1&allowLinks=false

Parametr query i opis	Przykłady
screens - określa, które ekrany są włączone do symulacji i jaka jest ich kolejność. Każdy ekran powinien być oddzielony przecinkiem. Więcej informacji można znaleźć w Centrum pomocy.	screens=1 screens=2,1
initialScreen - otwiera kartę SIM bezpośrednio na określonym ekranie, z pominięciem ekranu głównego.	initialScreen=1 initialScreen=2
locale - określa język symulacji przy użyciu kodów ISO 639-1. Dostępne wersje językowe można znaleźć na stronie symulacji w zakładce Tłumaczenia. Uwaga: działa to tylko wtedy, gdy adres URL symulacji kończy się na “_all.html”.	locale=pl (polski) locale=fr (francuski)
allowLinks - jeśli false, wyłącza linki, które prowadzą uczniów do zewnętrznego adresu URL. Domyślnie jest true.	allowLinks=false

Ułatwienia dostępu

Tryb pełnoekranowy

Po kliknięciu logo PhET (na dole po prawej) pojawia się okno zawierające informacje dotyczące symulacji. Możemy tu zmienić sposób jej wyświetlania.

Klikając Pełny ekran przechodzimy do trybu pełnoekranowego (powrót - klawisz escape).

Wersje offline, niewymagające połączenia z internetem

Dostępne są również wersje symulacji niewymagające połączenia z internetem.

Aplikacja PhET Desktop zawiera wszystkie symulacje HTML5 i Java, w tym ich tłumaczenia, do użytku offline w systemach Windows i macOS (dostępne po zalogowaniu tu). Symulacje HTML5 nie wymagają dodatkowego oprogramowania, natomiast do uruchamiania dowolnych symulacji Java w aplikacji komputerowej jest wymagany Java SE Development Kit 8.

Za symboliczną opłatą możemy pobrać w postaci jednej aplikacji wszystkie materiały PhET, które zostały opublikowane w html5. Telefony, tablety i Chromebooki (z systemem Android): Google Play. iPhone'y i iPady (aplikacja na iOS): App Store

Darmową wersję desktopową tej aplikacji pobierzemy bezpośrednio klikając tu - wersja _pl zawiera polską (domyślną) i angielską wersję językową i tu - wersja _all zawiera angielską (domyślną) i wszystkie inne dostępne wersje językowe lub ze strony PhET (klikając przycisk ze strzałką przy wybranej wersji językowej):

Uproszczenia modelu

• Rezystancja nie jest wyraźnie modelowana podczas ładowania kondensatora. Kondensator wydaje się ładować od razu, co można wytłumaczyć bardzo niską rezystancją wewnętrzną baterii i przewodów. Celem tego zabiegu było zapewnienie uczniom natychmiastowej informacji zwrotnej podczas ładowania kondensatora.
• Rezystancja żarówki jest bardzo duża (5×10₁₂ Ω), dzięki czemu można zaobserwować szybkość rozładowywania kondensatora.
• Bateria służy do ustawiania napięcia kondensatora, co może mieć dziwne skutki uboczne. Na przykład podłączenie naładowanego kondensatora do baterii 0 V spowoduje natychmiastowe rozładowanie kondensatora.
• Pole elektryczne jest wyidealizowane jako pole nieskończonego kondensatora płaskiego, a pole rozproszone nie jest reprezentowane. Gęstość linii pola elektrycznego odwzorowuje jego natężenie i występują co najmniej cztery linie tego pola (po jednej na każdą ćwiartkę kondensatora).
• Strzałki prądu pojawiają się, gdy następuje zmiana napięcia w zamkniętym obwodzie i wskazują kierunek prądu, ale nie jego natężenie.
• Ze względu na ograniczenia precyzji, niektóre wartości mogą wydawać się zerowe, podczas gdy tak nie jest (np. zero zmagazynowanej energii, gdy żarówka jest przyciemniona). Aby zminimalizować ten problem, suwak baterii przeskoczy do zera po jego puszczeniu, jeśli napięcie jest niższe niż 0,150 V.
• Cała metalowa część końcówki woltomierza jest przewodząca, więc możliwe jest napotkanie sytuacji, w których woltomierz pokazuje pewną wartość, mimo że końcówka znajduje się w powietrzu lub na izolatorze (np. szkło żarówki lub obudowa baterii).
• Woltomierz wyświetli 0 V, gdy jego końcówki zetkną się ze sobą lub będą bardzo blisko siebie.
• Wykres słupkowy ładunku okładki wyświetla wartość bezwzględną ładunku na górnej okładce. Kolor paska wskazuje znak tego ładunku (czerwony = dodatni, niebieski = ujemny).
• Gdy kondensator jest odłączony (przełącznik w pozycji pionowej), jego ładunek jest zachowany.

Sugestie dotyczące wykorzystania

Wskazówki dotyczące wszystkich symulacji zawarte są w informacjach ogólnych.

Więcej porad dotyczących korzystania z symulacji z uczniami można znaleźć na stronach PhET w sekcji Wskazówki dotyczące korzystania z PhET.

Przykładowe polecenia

• Znajdź metodę zmiany pojemności kondensatora.
• Przewiduj, co stanie się z pojemnością, gdy zmieni się odległość między okładkami lub powierzchnia okładki.
• Opisz, co dzieje się z naładowanym kondensatorem po odłączeniu go od baterii.
• Określ zależności między napięciem, pojemnością, ładunkiem okładki i zmagazynowaną energią.
• Zaprojektuj eksperyment, aby określić, co dzieje się z ładunkiem na okładkach, zmagazynowaną energią i napięciem, gdy zmienia się pojemność odłączonego (ale naładowanego) kondensatora.
• Opisz, co dzieje się z jasnością żarówki w miarę rozładowywania się kondensatora.
• Określ, jak zmaksymalizować (a) początkową jasność żarówki i (b) czas, przez jaki żarówka pozostaje zapalona.

Zobacz wszystkie opublikowane na stronach PhET aktywności dla Kondensatory: podstawy tutaj (dostęp do materiałów wymaga zalogowania).