جهاز اختبار مكثف Autorange بسيط / مقياس السعة مع Arduino ويدويًا: 4 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

أهلا!

تحتاج لهذه الوحدة الفيزيائية:

* مصدر طاقة بجهد 0-12 فولت

* واحد أو أكثر من المكثفات

* واحد أو أكثر من مقاومات الشحن

* ساعة توقيت

* جهاز متعدد لقياس الجهد

* نانو اردوينو

* شاشة 16x2 I²C

* مقاومات 1/4 واط بمقاومات 220 و 10 كيلو و 4.7 متر و 1 جوهمز

* سلك دوبونت

الخطوة 1: معلومات عامة عن المكثفات

تلعب المكثفات دورًا مهمًا جدًا في الإلكترونيات ، فهي تُستخدم لتخزين الشحنات ، كمرشح ، ومتكامل ، وما إلى ذلك ، ولكن رياضيًا ، هناك الكثير من المكثفات. حتى تتمكن من ممارسة الوظائف الأسية مع المكثفات وهم. اكتشف - حل. إذا تم توصيل مكثف غير مشحون في البداية عبر المقاوم بمصدر جهد ، فإن الشحنات تتدفق باستمرار إلى المكثف. مع زيادة الشحنة Q ، وفقًا للصيغة Q = C * U (C = سعة المكثف) ، يزداد أيضًا الجهد U عبر المكثف. ومع ذلك ، فإن تيار الشحن يتناقص أكثر فأكثر نظرًا لأن المكثف سريع الشحن أصبح أكثر صعوبة في ملئه بالشحنات. يتبع الجهد U (t) على المكثف الصيغة التالية:

U (t) = U0 * (1-exp (-k * t))

U0 هو جهد مصدر الطاقة ، و t هو الوقت و k هو مقياس لسرعة عملية الشحن. ما هي الأحجام التي يعتمد عليها k؟ كلما زادت سعة التخزين (أي السعة C للمكثف) ، كلما كانت الشحنات أبطأ وزاد الجهد بشكل أبطأ. أكبر C ، أصغر k. كما تحد المقاومة بين المكثف ومصدر الطاقة من نقل الشحنات. تسبب المقاومة الأكبر R تيارًا أصغر I وبالتالي تتدفق شحنات أقل في الثانية إلى المكثف. أكبر R ، أصغر k. العلاقة الصحيحة بين k و R أو C هي:

ك = 1 / (ص * ج).

وبالتالي يزيد الجهد U (t) عند المكثف وفقًا للصيغة U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C)))

الخطوة 2: القياسات

يجب على الطلاب إدخال الجهد U في الوقت t في جدول ثم رسم الدالة الأسية. إذا زاد الجهد بسرعة كبيرة ، فسيتعين عليك زيادة المقاومة R. على الجانب الآخر ، إذا تغير الجهد ببطء شديد ، فقلل R.

إذا كان المرء يعرف U0 والمقاومة R والجهد U (t) بعد وقت معين t ، فيمكن حساب السعة C للمكثف من هذا. لهذا يجب أن يكون لوغاريتم المعادلة وبعد بعض التحولات نحصل على: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

مثال: U0 = 10 فولت ، R = 100 كيلو أوم ، t = 7 ثوانٍ ، U (7 ثوانٍ) = 3.54 فولت. ثم ينتج C قيمة C = 160 μF.

ولكن هناك طريقة ثانية بسيطة لتحديد السعة C. أي أن الجهد U (t) بعد t = R * C هو بالضبط 63.2٪ من U0.

U (t) = U0 * (1-exp (-R * C / (R * C)) = U0 * (1-exp (-1)) = U0 * 0.632

ماذا يعني هذا؟ يجب على الطلاب تحديد الوقت t الذي يكون الجهد بعده U (t) هو بالضبط 63.2٪ من U0. على وجه التحديد ، في المثال أعلاه ، يتم البحث عن الوقت الذي يكون بعده الجهد عبر المكثف 10 فولت * 0.632 = 6.3 فولت. هذا هو الحال بعد 16 ثانية. يتم الآن إدخال هذه القيمة في المعادلة t = R * C: 16 = 100000 * C. ينتج عن هذا النتيجة: C = 160 μF.

الخطوة 3: الأردوينو

في نهاية التمرين ، يمكن أيضًا تحديد السعة باستخدام Arduino. هذا يحسب السعة C بالضبط وفقًا للطريقة السابقة. يقوم بشحن المكثف عبر المقاوم المعروف R بجهد 5 فولت ويحدد الوقت الذي يكون بعده الجهد عند المكثف = 5 فولت * 0.632 = 3.16 فولت. بالنسبة لمحول Arduino الرقمي إلى التناظري ، 5V تساوي 1023. لذلك ، عليك فقط الانتظار حتى تكون قيمة الإدخال التناظري 1023 * 3.16 / 5 = 647. في هذا الوقت ، يمكن حساب السعة C. بحيث يمكن قياس المكثفات ذات السعة المختلفة جدًا ، يتم استخدام 3 مقاومات شحن مختلفة. أولاً ، يتم استخدام مقاومة منخفضة لتحديد وقت الشحن حتى 647. إذا كان هذا قصيرًا جدًا ، أي إذا كانت سعة المكثف صغيرة جدًا ، يتم اختيار مقاومة الشحن الأعلى التالية. إذا كان هذا أيضًا صغيرًا جدًا ، تتبع مقاومة 1 Gohms في نهاية القياس. ثم يتم عرض قيمة C على الشاشة بالوحدة الصحيحة (µF أو nF أو pF).

الخطوة 4: الاستنتاجات

ماذا يتعلم الطلاب في هذه الوحدة؟ سوف تتعلم المزيد عن المكثفات ، وسعتها C ، والوظائف الأسية ، واللوغاريتم ، وحسابات النسبة المئوية و Arduino. أفكر كثيرا.

هذه الوحدة مناسبة للطلاب الذين تتراوح أعمارهم بين 16 و 17 عامًا. يجب أن تكون قد مررت بالفعل بالدالة الأسية واللوغاريتم في الرياضيات. استمتع بتجربتها في صفك و Eureka!

سأكون سعيدًا جدًا إذا صوتت لي في مسابقة العلوم في الفصل الدراسي. شكرا جزيلا لهذا!

إذا كنت مهتمًا بمشروعات الفيزياء الأخرى ، فإليك قناتي على YouTube:

المزيد من مشاريع الفيزياء: