زمان شارژ

از مباحث قبلی نتیجه گرفتیم كه افزایش و كاهش ولتاژ دو سر خازن تدریجی است. شكل زیر، نمایشگر نمودار افزایش ولتاژ خازن بر حسب زمان است.

زمان شارژ خازن بستگی به اندازه R و C دارد ( بعدها خواهید آموخت كه این زمان تابعی از R*C است ). واحد كمیت RC، زمان است زیرا:

از آنجا كه رابطه q=CV برای خازن های معمولی همواره برقرار است و بار خازن متناسب با ولتاژ آن افزایش می‌یابد، بنابراین نمودار بار خازن برحسب زمان همانند نمودار بالا خواهد بود.

در حین شارژ شدن خازن، تمایل بارهای جدید برای انباشته شدن روی صفحات كاهش می یابد، بنابراین جریان مدار به تدریج كم می شود. اگر نمودار جریان– زمان خازن را رسم كنیم، نموداری نزولی حاصل خواهد شد، به مدل سازی زیر توجّه كنید. در این نمودار با گذشت زمان به اندازه 5RC، جریان مدار تقریباً صفر خواهد بود.

برای مشاهده مدل سازی،پس از دانلود، فایل index را اجرا کنید.

اكنون مداری كه در آن یك خازن شارژ شده و یك مقاومت به یكدیگر وصل شده اند را بررسی می كنیم. با اتصال این قطعات، بارها از مقاومت عبور كرده و از یك طرف خازن به طرف دیگر آن می‌روند.

در این شرایط، بار خازن و اختلاف پتانسیل دو سر آن كاهش می‌یابد. در شكل زیر نمودار جریان مدار یا اختلاف پتانسیل دو سر خازن رسم شده است.

در مدار فوق، هر چه اندازه مقاومت و ظرفیت خازن بزرگتر باشد، زمان تخلیه طولانی‌تر خواهد بود. آیا می توانید دلیلی برای این موضوع ذكر كنید؟

در حالت كلی با گذشت زمان به اندازة RC، خازن به اندازه 63% تخلیه می‌شود. اگر زمان به اندازة 5RC بگذرد 99% بار خازن تخلیه ‌شده است. به حاصل ضرب RC، ثابت زمانی خازن می‌گویند.

تخلیه خازن شبیه تخلیه آب از یك بشكه می باشد. با ایجاد سوراخ در یك بشكه، دیده می‌شود كه خروج آب در ابتدا سریع بوده (و ارتفاع آب به سرعت كاهش می‌یابد) ولی به مرور زمان، میزان تخلیه آب كند شده و آب با سرعت كمتری (جریان كمتری) از بشكه خارج می‌شود. در این مثال معادل الكتریكی ارتفاع و جریان آب چیست؟

تمرین مشاهده ای:

كاربرد

در دستگاه تنظیم ضربان قلب از یك مدار RC استفاده می‌شود. در این مدار زمان شارژ و دشارژ خازن قابل كنترل و مشخص است، بنابراین می‌توان توسط ولتاژ مدار، قلب را به طور منظم تحریك كرد.

شكل زیر این دستگاه را نشان می‌دهد.

از این دستگاه دو رشته سیم خارج شده كه یكی از آن ها به قلب و دیگری به ناحیه‌ای از قفسه سینه متصل است.

از زمان شارژ و دشارژ مدار RC، برای تنظیم سرعت برف پاك كن ماشین ها نیز استفاده می‌شود. در این مدار از مقدار زیاد RC برای زمان‌های طولانی بین حركت برف پاك كن (در باران كم) و از RC كم برای حركت سریع برف پاك كن (در باران‌ شدید) استفاده می‌كنند. معمولاً كلید تنظیم سرعت برف پاك كن مقدار RC را تغییر می‌دهد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه : مجید محسنی

تنظیم : نسیم گنجی منش