PARADOX DVOU KONDENZTOR Veletrh npad uitel fyziky 24

PARADOX DVOU KONDENZÁTORŮ Veletrh nápadů učitelů fyziky 24 Hradec Králové, 31. 8. 2019 Jiří Kohout, Pavel Masopust Oddělení fyziky, Katedra matematiky, fyziky a technické výchovy Fakulta pedagogická, Západočeská univerzita v Plzni jkohout 4@kmt. zcu. cz

ÚVOD, MOTIVACE § Kondenzátor – zákl. el. součástka, součást výuky na SŠ, předmět lab. úloh. § Omezení – malá kapacita → krátký přechodový děj → užití experimentálních systémů, nemožnost některých demonstrací. § Možné řešení – užití superkondenzátorů s velkou kapacitou. Zdroj obr: Vernier 2

SUPERKONDENZÁTORY § Obrovská kapacita (až tisíce F), malé napětí (jednotky V). § Dvojvrstva mezi elektrodou (uhlík) a elektrolytem. § Možné díky nanotechnologím (dvojvrstva – 0, 5 nm, specifická plocha 1000 m 2/g) § Aplikace: skladování energie (elektromobilita – nahrazení baterií). 3

SUPERKONDENZÁTORY VE ŠKOLE § Příklady s reálnými parametry superkondenzátorů (důraz na max. dovolené napětí, dielektrický průraz…). § Samovolné vybíjení kondenzátoru (leakage current). § Proměření nabíjecí a vybíjecí křivky bez exp. systémů. § Pokles jasu žárovky při nabíjení či vybíjení. § Nabíjení přes potenciometr → vliv odporu. 4

PARADOX DVOU KONDENZÁTORŮ 1 § Nabitý kondenzátor připojen ke stejnému nenabitému, energie el. pole poklesne na polovinu. Co se stalo s druhou? ? § Přeměnila se na teplo díky ohmickému odporu. § Přeměněná energie nezávisí na velikosti odporu (důkaz přes Joulův-Lenzův zákon). § Stejný závěr i pro jiné fyz. mechanismy. 5

ANALOGIE PARADOXU § Obdobná situace i v jiných oblastech fyziky – spojení dvou nádob s vodou (tíhová potenciální energie), nepružná srážka dvou stejných objektů (kinetická energie), spojení dvou pružin (potenciální pružnosti). § O´Connor (1997) – jde o obecný fyzikální princip, tzv. Lacy. Mc. Cabeův zákon. § Singal (2013) – při uvážení nulového odporu spojovacího vodiče rozdíl energií odpovídá zvýšení kin. energie nosičů náboje. 6

PARADOX VE ŠKOLE § Lze demonstrovat propojením kondenzátorů vodičem s malým odporem (např. proužek alobalu) – dojde k přepálení. § Efektní „kreslení výbojem“ do alobalu při přebíjení (či vybíjení kondenzátoru). § Umožní jasně demonstrovat značnou energii el. pole kondenzátoru a její přeměny na jiné druhy. odkaz 7

LAB. PRÁCE – PŘECHODOVÝ DĚJ i 1 R 1 S, t = 0 s i 2 V u, C U 0 i R 2 § Pomůcky: zdroj napětí kondenzátor 1, 5 F, voltmetr, rezistor, potenciometr, stopky, spínač a spojovací vodiče. § Úkol: zjistit, jaké bude ustálené napětí a jak dlouho bude trvat přechodový děj v závislosti na odporu. Provést srovnání s teorií. 8

LAB. PRÁCE – PŘECHODOVÝ DĚJ § Provedení: Nabijeme kondenzátor (vliv odporu), sepneme spínač, zaznamenáváme pokles napětí po 10 s. Provádíme pro různé hodnoty odporu § Zpracování: srovnáme teoretický a skutečný průběh, zhodnotíme vliv odporu na dobu trvání přech. děje. 9

Děkuji za pozornost!