انشطة شحن وتفريغ المتسعة – الفصل الاول – فيزياء السادس الاعدادي

أنشطة شحن وتفريغ المتسعة (المكثف)

المتسعة أو المكثف (Capacitor) هي عنصر أساسي في الدوائر الكهربائية، تُستخدم لتخزين الشحنة والطاقة في المجال الكهربائي بين صفيحتين معدنيتين يفصل بينهما عازل كهربائي (ديالكترك). عند توصيل المتسعة بمصدر جهد، تبدأ بالشحن، وعند فصلها وتوصيلها بحمل (مقاومة مثلاً)، تبدأ بالتفريغ. هذه العمليات – الشحن والتفريغ – تُعد من أهم الظواهر في الدوائر الزمنية، وتُستخدم في التوقيت، التصفية، تخزين الطاقة، وغيرها.

أولاً: عملية شحن المتسعة

آلية الشحن

عند توصيل متسعة غير مشحونة ببطارية من خلال مقاومة، يبدأ التيار بالتدفق، مما يؤدي إلى تراكم الشحنات على صفيحتي المتسعة. الصفيحة المتصلة بالطرف الموجب تكتسب شحنة موجبة، والصفيحة الأخرى شحنة سالبة. يزداد فرق الجهد عبر المتسعة تدريجياً إلى أن يساوي جهد البطارية، ويتوقف التيار.

معادلات الشحن:

• الشحنة عند الزمن $t$:

  $$Q(t) = Q_{\text{max}} \left(1 – e^{-t/RC}\right)$$

• الجهد عبر المتسعة:

  $$V_C(t) = V \left(1 – e^{-t/RC}\right)$$

• التيار في الدائرة:

  $$I(t) = \frac{V}{R} e^{-t/RC}$$

حيث $RC$ هو الثابت الزمني (Time Constant) ويرمز له بـ $\tau$، ويُعبر عن سرعة الشحن.

ثانيًا: عملية تفريغ المتسعة

آلية التفريغ

عندما يتم فصل البطارية وتوصيل المتسعة بمقاومة فقط، تبدأ الشحنة بالتناقص تدريجيًا، ويتناقص فرق الجهد حتى يصل إلى الصفر.

معادلات التفريغ:

• الشحنة:

  $$Q(t) = Q_0 e^{-t/RC}$$

• الجهد:

  $$V_C(t) = V_0 e^{-t/RC}$$

• التيار:

  $$I(t) = -\frac{V_0}{R} e^{-t/RC}$$

الإشارة السالبة تعني أن التيار في عكس اتجاه التيار أثناء الشحن.

ثالثًا: المخططات البيانية

أثناء الشحن:

• الشحنة والجهد يزدادان تدريجيًا حتى يصلان إلى القيمة القصوى.
• التيار يبدأ كبيرًا ثم يقل تدريجيًا.

أثناء التفريغ:

• الشحنة والجهد والتيار جميعها تتناقص بشكل أُسي حتى تصل إلى الصفر.

رابعًا: نشاط عملي

الأدوات:

• بطارية 9V
• متسعة 1000μF
• مقاومة 1kΩ
• مفتاح وفولتميتر

خطوات الشحن:

1. صل المتسعة والبطارية عبر المقاومة.
2. أغلق المفتاح.
3. راقب الجهد على المتسعة.
4. لاحظ الزيادة التدريجية حتى 9V.

خطوات التفريغ:

1. افصل البطارية.
2. صل طرفي المتسعة بالمقاومة.
3. راقب انخفاض الجهد حتى الصفر.

خامسًا: تطبيقات الشحن والتفريغ

• المؤقتات: تُستخدم في دوائر التوقيت مثل IC 555.
• الفلاتر: لتنعيم الإشارات في مزودات الطاقة.
• دوائر الوميض: في الفلاشات والكاميرات.
• تخزين الطاقة: في مكثفات الطاقة السريعة (Supercapacitors).

سادسًا: العوامل المؤثرة

• السعة $C$: كلما زادت، زاد وقت الشحن والتفريغ.
• المقاومة $R$: كلما زادت، بطؤت العملية.
• الثابت الزمني $\tau = RC$: يحدد سرعة الشحن/التفريغ.

سابعًا: الطاقة المختزنة

تحسب الطاقة المخزنة في المتسعة بالعلاقة:

$$E = \frac{1}{2} C V^2$$

تزداد الطاقة بزيادة السعة أو فرق الجهد.

خاتمة

تمثل عمليات شحن وتفريغ المتسعة أساسًا لفهم كثير من الظواهر والتطبيقات الإلكترونية. هي تمهيد لفهم المؤقتات، أنظمة التخزين، والفلاتر. بتجربتها عمليًا أو دراستها نظريًا، نكتسب فهمًا أعمق لسلوك الدوائر الكهربائية.