Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępności

Zadania

8.1 Kondensatory i pojemność elektryczna

19.

Jaki ładunek zgromadzi się na okładkach kondensatora o pojemności 180⁢µF180⁢µF po przyłożeniu napięcia 120⁢V120⁢V?

20.

Jaki ładunek zgromadzi się na okładkach kondensatora o pojemności 8⁢pF8⁢pF po przyłożeniu napięcia 5,5⁢V5,5⁢V?

21.

Oblicz napięcie przyłożone do kondensatora o pojemności 2⁢µF2⁢µF, na którego okładkach zgromadził się ładunek 3,1⁢C3,1⁢C.

22.

Jakie napięcie należy przyłożyć do kondensatora o pojemności 8⁢nF8⁢nF, aby na okładkach zgromadził się ładunek 0,16⁢mC0,16⁢mC?

23.

Jaką pojemność elektryczną musi mieć kondensator, aby przy napięciu 120⁢V120⁢V na jego okładkach zgromadził się ładunek 3⁢µC3⁢µC?

24.

Jaka jest pojemność elektryczna czaszy generatora Van de Graaffa, jeśli gromadzi się na niej ładunek 9⁢mC9⁢mC przy napięciu 12⁢MV12⁢MV?

25.

Okładki pustego kondensatora płaskiego o pojemności 5⁢pF5⁢pF znajdują się w odległości 2⁢mm2⁢mm od siebie. Jaka jest powierzchnia każdej z nich?

26.

Okładki kondensatora próżniowego o pojemności 60⁢pF60⁢pF mają powierzchnię 0,01⁢m20,01⁢m2. Ile wynosi odległość między nimi?

27.

Układ równoległych płytek przewodzących ma pojemność elektryczną 5⁢µF5⁢µF. Jaki ładunek należy do nich dodać, aby różnica potencjałów między nimi wzrosła o 100⁢V100⁢V?

28.

Oblicz pojemność elektryczną Ziemi, zakładając, że jest ona przewodzącą kulą o promieniu 6400⁢km6400⁢km.

29.

Pojemność elektryczna kondensatora walcowego na jednostkę długości wynosi 20⁢pF∕m20⁢pF∕m. Oblicz, jaki jest stosunek promieni cylindrycznych okładek.

30.

Próżniowy kondensator płaski ma pojemność 20⁢µF20⁢µF. Jaki ładunek musi uciec z jego okładek, aby napięcie pomiędzy nimi zmniejszyło się o 100⁢V100⁢V?

8.2 Łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów

31.

Kondensator o pojemności 4⁢pF4⁢pF połączono szeregowo z kondensatorem o pojemności 8⁢pF8⁢pF, a następnie do ich układu przyłożono napięcie 400⁢V400⁢V.

  1. Jaki ładunek zgromadzi się na każdym z kondensatorów?
  2. Jakie jest napięcie na każdym z kondensatorów?
32.

Trzy kondensatory o pojemnościach C1=2⁢µFC1=2⁢µF, C2=3⁢µFC2=3⁢µF i C3=6⁢µFC3=6⁢µF połączono równolegle. Następnie do układu przyłożono napięcie 500⁢V500⁢V. Oblicz napięcie oraz ładunek na każdym z kondensatorów.

33.

Oblicz całkowitą pojemność układu kondensatorów przedstawionego poniżej.

34.

Potrzebujesz układu kondensatorów o pojemności 0,75⁢F0,75⁢F, ale masz jedynie kondensatory o pojemności 1,5⁢mF1,5⁢mF. Co najmniej ilu kondensatorów należy użyć, żeby osiągnąć pożądaną pojemność i jak należy je połączyć?

35.

Jakie pojemności zastępcze można uzyskać z połączenia kondensatora o pojemności 5⁢µF5⁢µF z kondensatorem o pojemności 8⁢µF8⁢µF?

36.

Oblicz pojemność zastępczą układu kondensatorów przedstawionego poniżej.

37.

Oblicz pojemność zastępczą układu kondensatorów przedstawionego poniżej.

38.

Kondensator o pojemności 40⁢pF40⁢pF naładowano tak, że napięcie na nim wynosiło 500⁢V500⁢V. Następnie jego okładki połączono z okładkami nienaładowanego kondensatora o pojemności 10⁢pF10⁢pF. Oblicz

  1. początkowy ładunek na kondensatorze o pojemności 40⁢pF40⁢pF;
  2. ładunek na każdym z kondensatorów po połączeniu;
  3. różnicę potencjałów na każdym z kondensatorów po połączeniu.
39.

Kondensator o pojemności 2⁢µF2⁢µF połączono szeregowo z kondensatorem o pojemności 4⁢µF4⁢µF i do układu przyłożono napięcie 1⁢kV1⁢kV. Następnie naładowane kondensatory odłączono od źródła prądu i połączono ze sobą okładkami o jednakowych znakach. Oblicz końcowe napięcie i ładunek na każdym z kondensatorów.

8.3 Energia zgromadzona w kondensatorze

40.

Jaka energia zgromadzi się w kondensatorze o pojemności 8 ⁢ µF 8⁢µF, jeśli różnica potencjałów między jego okładkami wynosi 6 ⁢ V 6⁢V?

41.

Kondensator o ładunku 2,5 ⁢ µC 2,5⁢µC podłączono do akumulatora o napięciu 6 ⁢ V 6⁢V. Jaka energia zgromadzi się między okładkami?

42.

Jaka energia gromadzi się w polu elektrycznym metalowej kuli o promieniu 2 ⁢ m 2⁢m, utrzymywanej w potencjale 10 ⁢ V 10⁢V?

43.
  1. Jaka energia zgromadzi się w kondensatorze o pojemności 10 ⁢ µF 10⁢µF w defibrylatorze, jeśli napięcie na jego okładkach wynosi 9 ⋅ 10 3 ⁢ V 9 ⋅ 10 3 ⁢V?
  2. Oblicz ładunek na okładkach kondensatora.
44.

Podczas operacji na otwartym sercu do defibrylacji wystarczy znacznie mniejsza energia, niż obliczona w poprzednim zadaniu.

  1. Jakie napięcie przyłożone jest w defibrylatorze do kondensatora o pojemności 8 ⁢ µF 8⁢µF, w którym zgromadzono energię 40 ⁢ J 40⁢J?
  2. Oblicz ładunek na okładkach kondensatora.
45.

Kondensator o pojemności 165 ⁢ µF 165⁢µF połączono ze źródłem prądu stałego. Jaka energia zgromadzi się w kondensatorze, jeśli do układu przyłożone zostanie napięcie 119 ⁢ V 119⁢V?

46.

Dane są: akumulator 9 ⁢ V 9⁢V oraz kondensatory o pojemnościach 2 ⁢ µF 2⁢µF i 7,4 ⁢ µF 7,4⁢µF.

  1. Oblicz ładunek i energię zgromadzone w układzie, jeśli kondensatory połączone są z akumulatorem szeregowo;
  2. Oblicz to samo dla kondensatorów połączonych równolegle.
47.

Pewien fizyk niepokoi się, że między dwiema metalowymi półkami regału na książki o drewnianym szkielecie może wytworzyć się wysokie napięcie, jeśli na półkach, na przykład w wyniku tarcia, zgromadzą się ładunki elektrostatyczne.

  1. Jaka jest pojemność elektryczna pustych półek, jeśli mają one powierzchnię 10 2 ⁢ m 2 10 2 ⁢ m 2 i znajdują się w odległości 0,2 ⁢ m 0,2⁢m od siebie?
  2. Jakie napięcie wytworzy się między nimi, jeśli zgromadzi się na nich ładunek 2 ⁢ nC 2⁢nC o przeciwnych znakach?
  3. Aby udowodnić, że napięcie to nie jest niebezpieczne, oblicz energię zgromadzoną między półkami;
  4. W rzeczywistości półki mają 100 razy mniejszą powierzchnię niż rozważane, hipotetyczne półki. Czy fizyk ma powody do niepokoju?
48.

Kondensator płaski składa się z dwóch kwadratowych okładek o boku 25 ⁢ cm 25⁢cm ustawionych równolegle w odległości 1 ⁢ mm 1⁢mm od siebie. Przyłożono do niego napięcie 50 ⁢ V 50⁢V. Bez odłączania napięcia okładki rozsunięto na odległość 2 ⁢ mm 2⁢mm. Jaka energia zgromadzi się w kondensatorze przed rozsunięciem okładek i po nim? Dlaczego energia maleje, skoro przy rozsuwaniu okładek została wykonana praca?

49.

Niech pojemność elektryczna kondensatora zmiennego będzie regulowana ręcznie w zakresie od 100 ⁢ pF 100⁢pF do 800 ⁢ pF 800⁢pF za pomocą pokrętła obracanego od 0 ° 0° do 180 ° 180°. Do kondensatora ustawionego na 180 ° 180° (co odpowiada pojemności 800 ⁢ pF 800⁢pF) przyłożono napięcie 500 ⁢ V 500⁢V. Po naładowaniu kondensator odłączono od źródła prądu, a następnie pokrętło obrócono na 0 ° 0°. Jeśli tarcie pokrętła jest pomijalnie małe, to ile pracy wymaga obrócenie go z pozycji 180 ° 180° do pozycji 0 ° 0°?

8.4 Kondensator z dielektrykiem

50.

Udowodnij, że dla danego dielektryka maksymalna energia, jaka może się zgromadzić w kondensatorze płaskim, jest wprost proporcjonalna do objętości dielektryka.

51.

Kondensator wypełniony próżnią wykonano z dwóch równoległych okładek oddalonych o 1⁢mm1⁢mm od siebie. Powierzchnia wewnętrzna każdej z nich wynosi 8⁢cm28⁢cm2.

  1. Jaka jest pojemność elektryczna takiego kondensatora?
  2. Jaka będzie pojemność elektryczna, jeśli przestrzeń między okładkami zostanie wypełniona dielektrykiem o względnej przenikalności elektrycznej równej 6?
52.

Kondensator wykonano z dwóch koncentrycznych sfer, z których jedna ma promień 5⁢cm5⁢cm, a druga 8⁢cm8⁢cm.

  1. Jaka jest pojemność elektryczna takiego układu przewodników?
  2. Jaka byłaby pojemność elektryczna, gdyby przestrzeń pomiędzy okładkami wypełniona została dielektrykiem o względnej przenikalności elektrycznej równej 6?
53.

Kondensator płaski ma ładunek 9⁢µC9⁢µC i pojemność elektryczną 3⁢µF3⁢µF, kiedy wypełniony jest tylko powietrzem. Odległość między okładkami wynosi 2⁢mm2⁢mm. Zachowując stały ładunek na okładkach, do kondensatora wsunięto dielektryk o względnej przenikalności elektrycznej εr=5εr=5 w taki sposób, że wypełnił on całą przestrzeń pomiędzy okładkami. Załóż, że przenikalność elektryczna powietrza jest równa przenikalności elektrycznej próżni.

  1. Ile wynosi początkowa, a ile końcowa różnica potencjałów między okładkami kondensatora?
  2. Jakie pole elektryczne panuje w punkcie położonym wewnątrz kondensatora przed wsunięciem dielektryka i po jego wsunięciu?
54.

Wewnętrzną powierzchnię niektórych błon komórkowych w organizmie człowieka pokrywa warstwa ładunków ujemnych. Niech gęstość powierzchniowa ładunku na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni błony komórkowej wynosi ±0,5⋅10-3⁢C∕m2±0,5⋅10-3⁢C∕m2 \text{}\pm \SI{0,5e-3}{\coulomb\per\metre\squared}, grubość błony komórkowej 5⋅10−9⁢m5⋅10−9⁢m, a względna przenikalność elektryczna błony komórkowej εr=5,4εr=5,4.

  1. Oblicz natężenie pola elektrycznego w ścianie komórkowej pomiędzy warstwami ładunku;
  2. Oblicz różnicę potencjałów po obu stronach błony. Po której stronie potencjał jest wyższy?
  3. Objętość typowej komórki w organizmie człowieka wynosi 10−16⁢m310−16⁢m3. Oszacuj całkowitą energię zgromadzoną w polu elektrycznym w komórce tej wielkości, zakładając, że komórka ma kształt kuli. (Wskazówka: Oblicz objętość ściany komórkowej).
55.

Kondensator płaski z powietrzem między okładkami podłączono do akumulatora i naładowano. Następnie akumulator odłączono, a cały zgromadzony ładunek pozostał na okładkach.

  1. Pomiar woltomierzem wskazuje, że napięcie na kondensatorze wynosi 45⁢V45⁢V. Po wsunięciu dielektryka w taki sposób, aby wypełniał on całą przestrzeń między okładkami, odczyt na woltomierzu spadł do 11,5⁢V11,5⁢V. Jaka jest względna przenikalność elektryczna dielektryka? Załóż, że przenikalność elektryczna powietrza jest równa przenikalności elektrycznej próżni;
  2. Jakie będzie wskazanie na woltomierzu, jeśli dielektryk zostanie wysunięty częściowo, tak aby zajmował jedynie 1∕31∕3 objętości między okładkami?

8.5 Mikroskopowy model dielektryka

56.

Dwie płaskie okładki z równymi co do wartości, przeciwnymi ładunkami rozdziela dielektryk o grubości 4 ⁢ mm 4⁢mm i względnej przenikalności elektrycznej równej 5 5. Jeśli pole elektryczne w dielektryku wynosi 1,5 ⁢ MV ∕ m 1,5⁢ MV ∕ m , to jaka jest

  1. gęstość ładunku na okładkach kondensatora;
  2. gęstość ładunku indukowanego na powierzchniach dielektryka?
57.

Pole powierzchni okładek kondensatora płaskiego wypełnionego teflonem wynosi 50 ⁢ cm 2 50⁢ cm 2 , a odległość między nimi 0,5 ⁢ mm 0,5⁢mm. Kondensator podłączono do akumulatora o napięciu 200 ⁢ V 200⁢V. Oblicz

  1. ładunek swobodny na okładkach kondensatora;
  2. pole elektryczne w dielektryku;
  3. ładunek indukowany na powierzchniach dielektryka.
58.

Oblicz pojemność kondensatora płaskiego, którego okładki mają powierzchnię 5 ⁢ m 2 5⁢ m 2 i rozdzielone są warstwą teflonu o grubości 0,1 ⁢ mm 0,1⁢mm.

59.
  1. Jaka jest pojemność kondensatora płaskiego, którego okładki mają powierzchnię 1,5 ⁢ m 2 1,5⁢ m 2 i rozdzielone są warstwą gumy neoprenowej o grubości 0,02 ⁢ mm 0,02⁢mm?
  2. Jaki ładunek gromadzi się na kondensatorze po przyłożeniu napięcia 9 ⁢ V 9⁢V?
60.

Na dwóch równoległych płytkach zgromadzone są równe co do wartości ładunki o przeciwnych znakach. Kiedy przestrzeń między nimi wypełniona jest próżnią, pole elektryczne wynosi E = 3,2 ⋅ 10 5 ⁢ V ∕ m E= 3,2 ⋅ 10 5 ⁢ V ∕ m . Kiedy znajduje się tam dielektryk, wynosi ono E = 2,5 ⋅ 10 5 ⁢ V ∕ m E= 2,5 ⋅ 10 5 ⁢ V ∕ m .

  1. Jaka jest gęstość powierzchniowa ładunku na każdej z powierzchni dielektryka?
  2. Ile wynosi jego względna przenikalność elektryczna?
61.

Dielektryk, który ma zostać wykorzystany w kondensatorze płaskim, ma względną przenikalność elektryczną 3,6 3,6 i wytrzymałość dielektryczną 1,6 ⋅ 10 7 ⁢ V ∕ m 1,6 ⋅ 10 7 ⁢ V ∕ m . Kondensator musi mieć pojemność elektryczną 1,25 ⁢ nF 1,25⁢nF i wytrzymywać różnicę potencjałów 5,5 ⁢ kV 5,5⁢kV. Jakie jest minimalne pole powierzchni okładek kondensatora?

62.

Po przyłożeniu napięcia do kondensatora o pojemności 360 ⁢ nF 360⁢nF wypełnionego powietrzem energia zgromadzona między okładkami wynosi 18,5 ⁢ µJ 18,5⁢µJ. Bez odłączania napięcia do kondensatora wsunięto płytkę dielektryka, która całkowicie wypełniła przestrzeń między okładkami. W wyniku tej operacji zgromadzona energia wzrosła do 23,2 ⁢ µJ 23,2⁢µJ.

  1. Jaka jest różnica potencjałów między okładkami kondensatora?
  2. Jaka jest względna przenikalność elektryczna dielektryka?
63.

Kondensator płaski ma okładki w kształcie kwadratu o boku 8 ⁢ cm 8⁢cm oddalone od siebie o 3,8 ⁢ mm 3,8⁢mm. Przestrzeń między nimi całkowicie wypełniają dwie kwadratowe płytki dielektryczne o boku 8 ⁢ cm 8⁢cm i grubości 1,9 ⁢ mm 1,9⁢mm każda. Jedna z płytek zbudowana jest ze szkła borokrzemowego, a druga z polistyrenu. Oblicz, ile energii elektrycznej może zgromadzić się w kondensatorze, jeśli różnica potencjałów między okładkami wynosi 86 ⁢ V 86⁢V.

Cytowanie i udostępnianie
Ponowne wykorzystanie i redystrybucja tej treści w formacie cyfrowym lub drukowanym:
  • Ten podręcznik nie może być wykorzystywany do trenowania dużych modeli językowych ani w żaden inny sposób przetwarzany przez duże modele językowe lub rozwiązania generatywnej sztucznej inteligencji bez uprzedniej pisemnej zgody OpenStax Poland.
  • Ten podręcznik jest wydany na licencji Uznanie autorstwa (CC BY), co oznacza, że możesz ponownie wykorzystywać i modyfikować materiał wyłącznie w celach niekomercyjnych, musisz uznać autorstwo OpenStax Poland oraz musisz rozpowszechniać wszelkie utwory zależne na tej samej licencji.
  • Jakikolwiek komercyjny druk tego podręcznika, w tym z wykorzystaniem lokalnej lub niestandardowej drukarni, wymaga zgody OpenStax Poland oraz podania odpowiedniego cytowania.
  • Obrazy, aktywności, testy i podobne elementy tego podręcznika objęte prawami autorskimi OpenStax Poland podlegają tej samej licencji – CC-BY-NC-SA. Mogą być wykorzystywane w celach niekomercyjnych z uznaniem autorstwa. Użycie komercyjne wymaga zgody.
  • Prośby o zgodę: Każdy, kto zamierza włączyć tę treść (w tym tekst, obrazy i inne elementy) do dużych modeli językowych, wykorzystać ją w rozwiązaniach opartych na sztucznej inteligencji, użyć jej komercyjnie (w tym w druku) i/lub ma pytania dotyczące innego przypadku użycia, może skorzystać z naszego formularza wniosku o ponowne wykorzystanie.
Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej w celach niekomercyjnych, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym w celach niekomercyjnych, dla każdej strony zawierającej treści OpenStax musisz udostępnić utwór zależny na tej samej licencji CC-BY-NC-SA co oryginał oraz na każdym widoku strony umieścić informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
Cytowanie

Poniższe informacje zawierają dane potrzebne do utworzenia cytowania w większości głównych stylów (APA, MLA itp.); musisz przeformatować i zorganizować te informacje zgodnie z wymaganiami danego stylu. Jeśli chcesz zacytować tę książkę, skorzystaj z dostępnych narzędzi do tworzenia wpisów bibliograficznych, jak np.: ten.

© 21 wrz 2022 OpenStax Poland. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Uznanie autorstwa (CC BY). Nazwa OpenStax Poland i OpenStax, logo OpenStax Poland i OpenStax, okładki OpenStax Poland iOpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo, jak również nazwa i logo Rice University oraz powiązane znaki towarowe i słowne, nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.