Разговор с ребенком о конденсаторах.
На последних онлайн-уроках с восьмиклассниками мы разбираем электричество, в частности, тему "конденсаторы". Ребенок, имеющий уши, подслушал красивое незнакомое слово. Раньше муж пытался заинтересовать сына электричеством, купил конструктор "Знаток" и собирал схемы, показывал, объяснял, но сын не подхватывал идеи, отвлекался и разбрасывал детали. А тут прямо сам заинтересовался, и пока я проводила онлайн-урок, утащил коробку с электрическим конструктором из папиной комнаты. К моменту окончания моего занятия построил какую-то схему. Что удивительно, даже ничего не сжёг. Продолжил свои эксперименты, нашел в "Знатоке" конденсаторы и потребовал объяснить, что это такое.
Мы с мужем, конечно, рассказали. Строгие определения ребенок не слушает, поэтому пройдусь прямо по вопросам.
1. Зачем нужен конденсатор?
Конденсатор запасает электрический заряд. Если взять просто провод, ток через него идёт и нигде не накапливается. Также, как вода из-под крана. А если нам надо отдельно много воды, мы нальем её в бутылку или банку, или даже в ванну. Также и в электрических схемах - конденсатор дает запас заряда, он может часть тока из провода забирать, а потом его выдавать. Конденсатор может разряжаться очень быстро, выдать весь заряд за малую долю секунды, а может медленно, постепенно отдавать заряд.
2. Что означает надпись uf на конденсаторе?
Это микрофарады. Фарад - единица емкости конденсатора, названа в честь великого ученого Фарадея. Емкость 1 фарад означает, что если подать на конденсатор напряжение 1 вольт, то на нем образуется заряд 1 кулон, а это в свою очередь значит, что в течение одной секунды конденсатор выдаст средний ток в 1 Ампер. (что такое вольты и амперы, ребенок примерно знает). Микрофарад - это миллионная доля фарада. Если зарядить такой конденсатор вольтом напряжения, то ток за 1 секунду будет миллионная доля ампера. Или 1 ампер за миллионную долю секунды.
3. Почему эти конденсаторы почти одинаковы по размеру? Емкость-то разная!
У нас есть конденсаторы ёмкостью от доли микрофарада до сотен микрофарад. Но размер действительно не отличается в тысячу раз. Потому что емкость конденсатора - это все-таки не объём, она зависит от размера, но не так. Конденсатор накапливает заряд на поверхности проводника, и внутри него можно сделать несколько поверхностей. Также ёмкость зависит от того, какое вещество внутри у конденсатора, этого мы не видим.
Получается, объём будет одинаковым, а ёмкость - разная.
Муж добавил: "Сейчас делают конденсаторы с очень большой ёмкостью, они называются суперконденсаторы. Секрет суперконденсатора в том, что внутри не гладкие поверхности, а с микроштырями, или пористые, таким образом в маленьком объёме образуется гигантская площадь поверхности. Такой конденсатор может обладать ёмкостью больше ёмкости Земли, и даже больше ёмкости Солнца!"
Ребенок очень удивился.
Как такой малюсенький конденсатор, меньше кошечки, может сравниться с огромнейшим Солнцем?
Большая ёмкость это не значит большая энергия. Энергия конденсатора зависит и от емкости, и от напряжения. Маленький конденсатор не выдержит большого напряжения. Несмотря на то, что ёмкость конденсатора больше ёмкости Солнца, энергия, заключенная в его электрическом поле, будет значительно меньше энергии Солнца.
Например, у стандартного суперконденсатора емкостью 5 Фарад с рабочим напряжением 3 Вольта энергия будет всего 22,5 джоуля. Солнце же за секунду излучает миллиарды миллиардов миллиардов джоулей.
4. Чем отличается конденсатор от батарейки? Почему мы не используем конденсаторы вместо батареек?
Конденсатор - это не батарейка. В батарейке энергия образуется. В тот момент, когда замыкается цепь, начинают происходить химические реакции, и выдается энергия. Незамкнутая батарейка никакой энергией не обладает.
Конденсатор же действует по-другому. Если его не зарядили от внешнего источника, то энергии в нём не будет, она не образуется сама. Как бутылка, в которую воды не налили. Если же конденсатор заряжен, то в нём есть энергия, независимо от того, подключен он к чему-то или нет.
Напряжение на батарейке почти не меняется во времени. Только сильно разряженная батарейка выдаёт меньшее напряжение. Напряжение же конденсатора непрерывно падает в процессе разрядки. Да, конденсатор можно разряжать медленно, но все-таки в качестве источника постоянного напряжения он годится слабо. Тем не менее, лучшие из современных суперконденсаторов уже сравниваются по запасам энергии с плохонькими батареями.
Чем хороши конденсаторы, так это тем, что их можно постоянно заряжать-разряжать. Батареи, использующие химические источники, могут деградировать от постоянной зарядки-разрядки. Даже телефоны рекомендуют заряжать полностью и не оставлять включенными в розетку, а также не заряжать понемногу. У конденсаторов с этим проще, так как они не привязаны к химическим реакциям.
Дальше ребенка заинтересовали технические расчеты с энергией конденсатора, числовые оценки. Данные для расчетов я брала из головы, и старалась доформулировать вопросы ребенка, чтобы что-то посчитать. Конечно, всякие потери и КПД не учитывала. В реальном времени считала устно, при написании статьи добралась уже до калькулятора.
5. На сколько времени хватит конденсатора для игрушечной машинки?
Пусть конденсатор емкостью 5 фарад заряжен до 10 Вольт. Тогда его энергия составляет 250 джоулей. Машинку возьмем массой 100 грамм, значит ее вес будет 1 ньютон, а сила тяги, чтобы ее сдвинуть - 0,2 ньютона. Тогда на эти 250 джоулей можно проехать расстояние 1250 метров (250 джоулей поделим на 0,2 ньютона). Если она едет со скоростью полметра в секунду (это большая скорость для маленькой машинки), то ее хватит на 2500 секунд, или 42 минуты непрерывной езды.
А если взять батарею из 36 конденсаторов, заряженных до 100 Вольт каждый, то сколько может проехать картинговая машинка?
Емкость каждого конденсатора опять возьмем 5 фарад, энергия каждого будет 25 килоджоулей, а энергия всех 900 килоджоулей. Масса картинговой машинки около 20 кг, значит вес 200 ньютонов, а сила тяги 40 ньютонов. Поделим 900 на 40, значит, такая машинка поедет расстояние 22,5 километра.
Дальше ребенок стал выдумывать новые числовые задачки, но тут уже я его остановила. Довольно трудно в голове все считать, без бумажки и калькулятора, к тому же мы не владеем реальными характеристиками машинок и возможностями конденсаторов. Говорю - когда подрастешь, изучишь физику, сможешь сам с лёгкостью решать такие задачки. А я уже устала, надо отдохнуть.
На этом заканчиваю статью. Надеюсь, она сможет быть кому-то полезна, а если не полезна, то просто интересна. Буду рада лайкам и новым подписчикам!
Спасибо, что дочитали до конца!
