حل أسئلة فيزياء – السعة الكهربائية والمتسعات
السؤال 1: ما التفسير الفيزيائي لنقصان السعة المكافئة لمجموعة المتسعات المربوطة على التوالي؟
عند ربط المتسعات على التوالي تكون الشحنة نفسها على جميع المتسعات، بينما يكون الجهد الكلي مساوياً لمجموع الجهود عبر كل متسعة. وبما أنّ:
C = Q / V
فإن زيادة الجهد الكلي مع ثبات الشحنة يؤدي إلى نقصان السعة المكافئة. أي أن ربط المتسعات على التوالي يُشبه زيادة المسافة بين اللوحين المكافئين، والسعة تقل بزيادة المسافة بين اللوحين.
السؤال 2: ما الفرق بين العوازل القطبية والعوازل غير القطبية؟
- العوازل القطبية: تمتلك جزيئاتها عزماً ثنائياً دائماً، وعند تطبيق مجال كهربائي تصطف الجزيئات باتجاه المجال. مثال: الماء، الكحول.
- العوازل غير القطبية: جزيئاتها لا تمتلك عزماً ثنائياً دائماً، ولكن ينشأ فيها عزم مؤقت عند تعرضها لمجال كهربائي. مثال: البنزين، التفلون.
السؤال 3: ما الفائدة العملية للسعة الكهربائية الموضوعة في الدوائر الصوتية؟
- تُستخدم لعزل التيار المستمر والسماح بمرور الإشارة المترددة بين مراحل المضخم.
- تكوين مرشحات RC للتحكم في الترددات العالية والمنخفضة.
- تنعيم الجهود الكهربائية وتقليل الضوضاء.
- التحكم في زمن الاستجابة للدوائر الصوتية.
السؤال 4: متسعة ذات صفيحتين متوازيتين سعتها (C) والبعد بين لوحيها (d). فإذا قُرّبت الصفيحتان حتى صار البعد بينهما نصف ما كان عليه، فكم تكون السعة الجديدة؟
العلاقة بين السعة والمسافة:
C = ε₀·A / d
إذا أصبحت المسافة نصف ما كانت عليه (d/2)، تكون السعة الجديدة:
C' = ε₀·A / (d/2) = 2C
إذن السعة تضاعف مرتين عند تقليل المسافة للنصف.
السؤال 5: دائرة كهربائية متوالية تحتوي مصباحاً مقاومته (16Ω) وبطارية جهدها (60V) ومتسعة سعتها (20µF). ما مقدار الشحنة والطاقة المختزنة لو رُبطت المتسعة على التوازي مع المصباح؟
المعطيات:
- R = 16Ω
- V = 60V
- C = 20µF = 20×10⁻⁶ F
الحل:
Q = C·V = 20×10⁻⁶ × 60 = 1.2×10⁻³ C = 1.2 mC
U = ½·C·V² = ½ × 20×10⁻⁶ × 60² = 0.036 J
الجواب:
- الشحنة المختزنة = 1.2×10⁻³ كولوم
- الطاقة المختزنة = 0.036 جول
السؤال 6: متسعة ذات صفيحتين متوازيتين سعتها (C) والبعد بين لوحيها (d). فإذا قُرّبت الصفيحتان حتى صار البعد بينهما نصف ما كان عليه، فكم تكون السعة الجديدة؟
نفس العلاقة تنطبق:
C' = ε₀·A / (d/2) = 2C
إذن السعة تزداد إلى الضعف.
السؤال 7: دائرة كهربائية متوالية تحتوي مصباحاً مقاومته (16Ω) وبطارية مقدار فرق الجهد بين قطبيها (60V) ومتسعة سعتها (20µF). ما مقدار الشحنة والطاقة المختزنة لو رُبطت المتسعة على التوازي مع المصباح؟
نفس القيم السابقة لأن المسألة مكررة:
- الشحنة المختزنة: Q = 1.2×10⁻³ C
- الطاقة المختزنة: U = 0.036 J