Конденсатор | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Электроемкость тела, как и его потен­циал, трудно определить однозначно. Для этого необходимо создать условия, при ко­торых полностью исключалось бы влияние окружающих тел. В реальных условиях ок­ружающие тела влияют на исследуемое те­ло, изменяя его потенциал и емкость.

Укрепим на стержне заземленного элект­рометра металлический шар и сообщим ему определенный заряд. Стрелка электрометра отклонится от положения равновесия и по­кажет значение потенциала шара относи­тельно земли. Поднесем к шару металли­ческую пластину, соединенную проволокой с землей (рис. 4.63). Показания электрометра уменьшатся. Поскольку заряд шара не из­менился, то уменьшение потенциала свиде­тельствует об увеличении электроемкости шара. Изменения потенциала и соответственно емкости будут наблюдаться в случае изменения расстояния между шаром и пла­стиной.

Таким образом, определяя емкость отдель­ного тела, необходимо учитывать размеще­ние всех окружающих тел.

Рис. 4.63. Влияние заземленной метал­лической пластины на емкость шара

Поскольку практически этого сделать не­возможно, то используют устройство, кото­рое называется конденсатором. Простейшей для изучения и расчетов является система из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

Конденсатор — это система из двух про­водников, разделенных диэлектриком.

Размеры этих пластин (длина и ширина) намного больше расстояния между ними. Электрические свойства такой системы про­водников не зависят от размещения окружа­ющих тел. Если пластинам сообщить разно­именные заряды, то они разместятся на внутренних поверхностях пластин вследст­вие взаимного притяжения.

Соответственно и поле заряженных пла­стин будет сосредоточено в пространстве между пластинами. Это можно объяснить на основе принципа суперпозиции полей.

На рис. 4.64 показана структура элект­рического поля пластины, заряженной поло­жительным зарядом. Силовые линии парал­лельные и направлены в противоположные от пластины направления.

Рис. 4.64. Электрическое поле положи­тельно заряженной металлической пла­стины

Рис. 4.65. Электрическое поле отрица­тельно заряженной металлической пла­стины

На рис. 4.65 — подобная структура элект­рического поля отрицательно заряженной пластины. Силовые линии параллельные, а направление — противоположное предшест­вующему (рис. 4.64).

Если пластины разместить на расстоянии d, намного меньшем, чем линейные разме­ры пластин, то в пространстве между ними силовые линии обеих пластин будут иметь одинаковое направление (рис. 4.66), а потому напряженность электрического поля бу­дет равна сумме напряженностей обоих полей:

E’ = Е₁ + E₂.

Вне пластин линии напряженности име­ют противоположное направление, а потому

E’ = E₁ — E₂.

Поскольку E₁ = E₂, то E’ = 0 (рис. 4.67). Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 4.66. Электрическое поле двух раз­ноименно заряженных пластин

Рис. 4.67. Напряженность электрического поля за пределами заряженного конден­сатора равна нулю

Конденсатор может накапливать значи­тельный заряд даже при небольшой раз­ности потенциалов между пластинами. В случае отдельного тела большой заряд со­здает большой потенциал, который приво­дит к автоэлектронной эмиссии или «стеканию зарядов».

Емкость конденсатора в отличие от ем­кости отдельного тела определяется разно­стью потенциалов между обкладками.

C = Q / (φ₁ — φ₂) = Q / Δφ.

где Q — заряд одной из пластин; (φ₁ — φ

2) — разность потенциалов между пластинами.

Для измерения емкости конденсатора ис­пользуется 1 фарад:

1Ф = 1 Кл/ 1 В.

На этой странице материал по темам:

• Почему емкость конденсатора не зависит от окружающих тел

• Почему емкость конденсатора не зависит от влияния окружающих тел

• Сообщение по физике применение конденсатора

• Конденсатор физические законы

• Конденсатор физическое явление

Вопросы по этому материалу:

• Как устроен конденсатор?

• Какое главное свойство конденсатора?

• Почему емкость конденсатора не зависит от влияния окружающих тел?

Конденсаторы, теория и примеры задач

Для того чтобы уединенный проводник имел большую емкость, он должен обладать большими размерами. В жизни требуются тела малых и очень малых размеров, которые могли бы накопить существенный заряд, при небольших потенциалах (относительно других тел), то есть иметь большую емкость. Такие устройства называют конденсаторами.

Определение конденсатора

Причем проводники (обкладки конденсатора) должны иметь такую форму и быть расположены так по отношению друг к другу, что поле, создаваемое данной системой, было в основном расположено в ограниченной области пространства.

Основной характеристикой конденсатора служит электроемкость (C). Электрическая емкость конденсатора – это взаимная емкость принадлежащих ему обкладок:

   

q – величина заряда на обкладке; – разность потенциалов между обкладками.

Формулы емкости основных типов конденсаторов

Емкость конденсатора зависит от формы, размеров, расположения обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика (), который находится между обкладками.

Плоский конденсатор имеет обкладки в виде плоских проводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика. Его емкость рассчитывают в соответствии с формулой:

   

где – электрическая постоянная; S – площадь каждой (или наименьшей) пластины; d – расстояние между пластинами.

Цилиндрический конденсатор представляется собой две соосных (коаксиальных) цилиндрические проводящие поверхности, разного радиуса, пространство между которыми заполняет диэлектрик. Электрическая емкость цилиндрического конденсатора вычисляют как:

   

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки. По формуле (3) вычисляют емкость коаксиального кабеля.

Сферическим конденсатором называют конденсатор, обкладками которого являются две концентрические сферические проводящие поверхности, пространство между ними заполнено диэлектриком. Емкость такого конденсатора находят как:

   

где – радиусы обкладок конденсатора. В том случае, если , то можно считать, что , тогда, мы имеем:

   

так как – площадь поверхности сферы, и если обозначить , то получим формулу для емкости плоского конденсатора. При малой величине зазора между обкладками сферического и цилиндрического конденсаторов (в сравнении с их радиусами), можно перейти к расчету емкости при помощи выражения для плоского конденсатора.

Электрическую емкость для линии из двух проводов находят как:

   

где d – расстояние между осями проводов; R – радиус проводов; l – длина линии.

Еще одной важной характеристикой конденсатора является пробивное напряжение. Пробивное напряжение – это такая разность потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой диэлектрика. Эта величина зависит от толщины, свойств и формы диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора.

Примеры решения задач

Плоский конденсатор: формулы, особенности, конструкция

Плоский конденсатор – физическое упрощение, взявшее начало из ранних исследований электричества, представляющее собой конструкцию, где обкладки носят форму плоскостей и в любой точке параллельны.

Формулы

Люди ищут формулы, описывающие ёмкость плоского конденсатора. Читайте ниже любопытные и малоизвестные факты, сухие математические знаки также важны.

Первым определил ёмкость плоского конденсатора Вольта. В его распоряжении ещё не было величины – разница потенциалов, именуемая напряжением, но интуитивно учёный правильно объяснил суть явления. Величину количества зарядов трактовал как объем электрического флюида атмосферы – не совсем правильно, но похоже на правду. Согласно озвученному мировоззрению ёмкость плоского конденсатора находится как отношение объёма накопленного электрического флюида к разнице атмосферных потенциалов:

С = q/U.

Формула применима к любому конденсатору, вне зависимости от конструкции. Признана универсальной. Специально для плоских конденсаторов разработана формула ёмкости, выраженная через свойства материала диэлектрика и геометрические размеры:

В этой формуле через S обозначена площадь обкладок, вычисляемая через произведение сторон, а d – показывает расстояние между обкладками. Прочие символы – электрическая постоянная (8,854 пФ/м) и диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика. Электролитические конденсаторы обладают столь большой ёмкостью по понятной причине: проводящий раствор отделен от металла крайне тонким слоем оксида. Следовательно, d оказывается минимальным. Единственный минус – электролитические конденсаторы полярные, их нельзя подключать в цепи переменного тока. С этой целью на аноде или катоде обозначены значками плюса или минуса.

Плоские конденсаторы сегодня редко встречаются, это преимущественно плёночные микроскопические технологии, где указанный род поверхностей считается доминирующим. Все пассивные и активные элементы образуются через трафарет, образуя вид плёнок. Плоские индуктивности, резисторы и конденсаторы наносятся в виде токопроводящих паст.

От материала диэлектрика зависит ёмкость, у каждого собственная структура. Считается, что аморфное вещество состоит из неориентированных диполей, упруго укреплённых на своих местах. При приложении внешнего электрического поля они обратимо ориентируются вдоль силовых линий, ослабляя напряжённость. В результате заряд накапливается, пока процесс не прекратится. По мере выхода энергии из обкладок диполи возвращаются на места, делая возможным новый рабочий цикл. Так функционирует плоский электрический конденсатор.

Конденсатор для уроков

Из истории

Первым начал исследовать накопление заряда великий Алессандро Вольта. В докладе Королевскому научному обществу за 1782 год впервые озвучил слово конденсатор. В понимании Вольты электрофорус, представляющий две параллельные обкладки, выкачивал из эфира электрический флюид.

В давнее время все познания сводились к мнению учёных, будто атмосфера Земли содержит нечто, не определяемое приборами. Присутствовали простейшие электроскопы, способные определить знак заряда и его наличие, не дававшие представления о количестве. Учёные просто натирали мехом поверхность тела и подносили для исследования в область влияния прибора. Гильберт показал, что электрические и магнитные взаимодействия ослабевают с расстоянием. Учёные примерно знали, что делать, но исследования не продвигались.

Гипотеза об атмосферном электричестве высказана Бенджамином Франклином. Он активно исследовал молнии и пришёл к выводу, что это проявления прежней единой силы. Запуская воздушного змея в небо, он соединял игрушку шёлковой нитью с землёй и наблюдал дуговой разряд. Это опасные опыты, и Бенджамин многократно рисковал собственной жизнью ради развития науки. Шёлковая нить проводит статический заряд – это доказал Стивен Грей, первый собравший в 1732 году электрическую цепь.

Уже через 20 лет (1752 год) Бенджамин Франклин предложил конструкцию первого громоотвода, осуществлявшего молниезащиты близлежащих построек. Только вдуматься! – прежде любой ожидал, что дом сгорит от случайного удара. Бенджамин Франклин предложил один вид заряда называть положительным (стеклянный), а второй отрицательным (смоляной). Так физики оказались введены в заблуждение относительно истинного направления движения электронов. Но откуда возьмётся иное мнение, когда в 1802 году на примере опытов россиянина Петрова увидели, что на аноде образуется ямка? Следовательно, положительные частицы переносили заряд на катод, но в действительности это оказались ионы воздушной плазмы.

К началу исследования Вольтой электрических явлений уже известны статические заряды и факт наличия у них двух знаков. Люди упорно считали, что «флюид» берётся из воздуха. На эту мысль натолкнули опыты с натиранием янтаря шерстью, не воспроизводимые под водой. Следовательно, логичным стало предположить, что электричество может происходить исключительно из атмосферы Земли, что, конечно же, неверно. К примеру, многие растворы, исследованные Хампфри Дэви, проводят электрический ток.

Причина, следовательно, иная – при натирании янтаря под водой силы трения снижались в десятки и сотни раз, а заряд рассеивался по объёму жидкости. Следовательно, процесс лишь оказывался неэффективным. Сегодня каждый добытчик знает, что нефть электризуется трением о трубы без воздуха. Следовательно, атмосфера для «флюида» не считается обязательным компонентом.

Самый большой в мире плоский конденсатор

Столь систематизированные, но в корне неверные толкования не остановили Вольту на исследовательском пути. Он упорно изучал электрофорус, как совершенный генератор того времени. Вторым был серный шар Отто фон Герике, изобретённый на век раньше (1663 год). Его конструкция мало менялась, но после открытий Стивена Грея заряд начали снимать при помощи проводников. К примеру, в электрофорной машине применяются металлические гребёнки-нейтрализаторы.

Долгое время учёные раскачивались. Электрофорная машина 1880 года вправе считаться первым мощным генератором разряда, позволявшим получить дугу, но истинной силы электроны достигли в генераторе Ван де Граафа (1929 год), где разница потенциалов составила единицы мегавольта. Для сравнения – грозовое облако, согласно данным Википедии, обнаруживает потенциал относительно Земли в единицы гигавольт (на три порядка больше, чем в человеческой машине).

Суммируя сказанное, с определённой долей уверенности скажем, что природные процессы используют в качестве принципа действия электризацию трением, влиянием и прочие виды, а мощный циклон считается самым большим из известных плоских конденсаторов. Молния показывает, что случается, когда диэлектрик (атмосфера) не выдерживает приложенной разницы потенциалов и пробивается. В точности аналогичное происходит в плоском конденсаторе, созданном человеком, если вольтаж оказывается непомерным. Пробой твёрдого диэлектрика необратим, а возникающая электрическая дуга часто служит причиной расплавления обкладок и выхода изделия из строя.

Электрофорус

Итак, Вольта взялся за исследование модели природных процессов. Первый электрофорус появился в 1762 году сконструированный Йоханом Карлом Вильке. По-настоящему популярным прибор становится после докладов Вольты Королевскому научному обществу (середина 70-х годов XVIII века). Вольта дал прибору нынешнее название.

Вид электрофоруса

Электрофорус способен накапливать электростатический заряд, образованный трением резины куском шерсти. Состоит из двух плоских, параллельных друг другу обкладок:

• Нижняя представляет тонкий кусок резины. Толщина выбирается из соображений эффективности устройства. Если выбрать кусок солиднее, значительная часть энергии станет накапливаться внутри диэлектрика на ориентацию его молекул. Что отмечается в современном плоском конденсаторе, куда диэлектрик помещается для увеличения электроёмкости.
• Верхняя пластина из тонкой стали кладётся сверху, когда заряд уже накоплен трением. За счёт влияния на верхней поверхности образуется избыток отрицательного заряда, снимаемого на заземлитель, чтобы при расстыковке двух обкладок не произошло взаимной компенсации.

Принцип действия плоского конденсатора уже понятен. Оператор трёт резину шерстью, оставляя на ней отрицательный заряд. Сверху кладётся кусок металла. Из-за значительной шероховатости поверхностей они не соприкасаются, но находятся на расстоянии друг от друга. В результате металл электризуется влиянием. Электроны отталкиваются поверхностным зарядом резины и уходят на внешнюю плоскость, где оператор их снимает через заземлитель лёгким кратковременным прикосновением.

Низ металлической обкладки остаётся заряженным положительно. При расстыковке двух поверхностей этот эффект сохраняется, в материале наблюдается дефицит электронов. И заметно искру, если дотронуться до металлической обкладки. Этот опыт допускается на единственном заряде резины проделывать сотни раз, её поверхностное статическое сопротивление крайне велико. Это не даёт заряду растекаться. Демонстрируя описанный опыт, Вольта привлёк внимание научного мира, но исследования не двигались вперёд, если не считать открытий Шарля Кулона.

В 1800 году Алессандро даёт толчок развитию изысканий в области электричества, изобретя знаменитый гальванический источник питания.

Конструкция плоского конденсатора

Электрофорус представляет собой первый из сконструированных плоских конденсаторов. Его обкладки способны хранить только статический заряд, иначе наэлектризовать резину невозможно. Поверхность чрезвычайно долго хранит электроны. Вольта даже предлагал снимать их пламенем свечи через ионизированный воздух или ультрафиолетовым излучением Солнца. Сегодня каждый школьник знает, что явление проделывается водой. Правда, электрофорус потом потребуется высушить.

В современном мире нижней обкладкой служит тефлоновое покрытие или пластик. Они хорошо набирают статический заряд. Диэлектриком становится воздух. Чтобы перейти к конструкции современного конденсатора, нужно обе обкладки сделать металлическими. Тогда при возникновении на одной заряда электризация распространится на вторую, и если другой контакт заземлён, накопленная энергия хранится определённое время.

Конструкция в деталях

Запас электронов напрямую зависит от материала диэлектриков. К примеру, среди современных конденсаторов встречаются:

1. Слюдяные.
2. Воздушные.
3. Электролитические (оксидные).
4. Керамические.

В эти названия заложен материал диэлектрика. От состава зависит напрямую ёмкость, способная увеличиваться многократно. Роль диэлектриков объяснялась выше, их параметры определяются непосредственно строением вещества. Однако многие материалы, обладающие высокими характеристиками, использовать не удаётся по причине их непригодности. К примеру, вода характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью.

параллельное, последовательное соединение, батарея. Виды проводника, формулы. тесты, схема

Физика->Электричество->электроемкость, конденсаторы->

Тестирование онлайн

• Электроемкость. Основные понятия

• Электроемкость, конденсаторы

Электроемкость

Электроемкость — это скалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд

Электроемкость зависит от формы проводника! Поэтому для каждого вида существует своя формула расчета электроемкости.

Электроемкость шара

Конденсатор

Конденсатор — это система, состоящая из двух или более проводников.

Плоский конденсатор — две параллельные металлические пластины (обкладки), между которыми находится диэлектрик.

В быту можно встретить подобные конденсаторы

На схеме конденсатор обозначается следующим образом (запомнить выделенное обозначение)

Электроемкость плоского конденсатора

Используя общую формулу нахождения электроемкости, можно получить

Поле между обкладками конденсатора однородно, поэтому напряжение можно определить как

Батарея конденсаторов

Несколько конденсаторов, соединенных вместе, образуют батарею конденсаторов.

Различают последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов

Движение заряженной частицы в конденсаторе

Конденсаторы

Не следует думать, что новые идеи

побеждают путем острых дискуссий,

в которых создатели нового переубеждают

своих оппонентов. Старые идеи уступают

новым таким образом, что носители старого

умирают, а новое поколение воспитывается

в новых идеях, воспринимая их как

нечто само собой разумеющееся.

Макс Планк

24 марта 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества физик и электротехник Александр Степанович Попов с по­мощью изобретенного им радиопередатчика продемонстрировал пе­редачу сигналов на расстояние 250 м. Он передал азбукой Морзе первую в мире радиограмму из двух слов: «Генрих Герц». Переда­ча осуществлялась посредством электромагнитных волн радиодиапазона, т. е. была беспроводной. В то время это было воспринято как чудо.

Теперь люди настолько привыкли, что могут не только слышать, но и видеть то, что происходит за много километров от них, что это не вызывает ни малейшего удивления. Чтобы понять физические процессы, лежащие в основе передачи и приема звука и изображения, сначала следует познако­миться с таким важным устройством, как конденсатор.

Конденсатор (от лат. condensator— тот, кто уплотняет, сгущает) — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсаторы состоят из двух или более близко расположенных друг к другу проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, причем толщина слоя диэлектрика между проводниками значительно меньше размеров самих проводников.

При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников.

На рисунке показано, как обозначается конденсатор на схемах электрических цепей.

Существуют разные способы зарядки конденсатора. Можно, на­пример, соединить его обкладки с источником постоянного напряже­ния.

При этом обкладки конденсатора заряжаются равными по величине, но противоположными по знаку зарядами. Под зарядом конденсатора понимается модуль заряда одной из его обкладок.

Опыт показывает, что заряд конденсатора прямо пропорциона­лен напряжению между его обкладками.

Коэффициент пропорциональности называется электриче­ской емкостью (электроемкостью или просто емкостью) конденсатора.

Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Единица электроемкости в СИ — Ф (фарад) — получила свое на­звание в честь Майкла Фарадея, внесшего большой вклад в развитие электромагнетизма.

1 Фарад равен емкости такого конденсатора, между обкладками которого возникает напряжение 1 Вольт при сообщении конденсатору заряда 1 Кулон.

Опыты показывают, что чем больше площадь перекрытия пластин и чем меньше расстояние между ними, тем больше емкость плоского конденсатора.

При внесении в пространство между обкладками стеклянной пластины емкость конденсатора увеличивается, следовательно, она зависит и от свойств используемого диэлектрика.

Исходя из опытных данных, можно вывести математическую зависимость емкости плоского конденсатора:

Где  — диэлектрическая постоянная;  — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — это площадь обкладки конденсатора; d — расстояние между ними.

В ряде случаев для получения требуемой емкости несколько кон­денсаторов соединяют в батареи, применяя при этом параллельное, последовательное и смешанное соединения.

При параллельном соединении конденсаторов одни обкладки соединяются в один узел, другие — в другой. Общий заряд равен алгебраической сумме зарядов каждой из обкладок отдельных конденсаторов.

Так как соединенные обкладки представляют собой один проводник, то потенциалы всех соединенных в один узел обкладок одинаковы и разность потенциалов между обкладками всех конденсаторов одинакова.

Так как заряд конденсатора прямо пропорционален разности потенциалов, то емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Понятно, что емкость батареи из n одинаковых параллельно соединенных кон­денсаторов определяется как произведение емкости одного конденсатора, на количество конденсаторов в батарее.

При последовательном соединении конденсаторов потенциал соединенных между собой обкладок конденсаторов одинаков. Если сообщить одной из обкладок первого конденсатора заряд плюс q, то у второй обкладки будет заряд минус q, у соседней обкладки второго конденсатора заряд плюс q и т.д. Следовательно, заряд на всех конденсаторах будет одинаков.

Напряжение же будет равно сумме напряжений на всех конденсаторах.

Из того, что напряжение на обкладках конденсатора прямо пропорционально заряду и обратно пропорциональна емкости, следует, что величина, обратная емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов.

Емкость батареи из n одинаковых последовательно соединенных кон­денсаторов равна отношению емкости одного конденсатора к количеству конденсаторов в батарее.

Известно, что заряженные тела созда­ют в пространстве вокруг себя электриче­ское поле и взаимодействуют друг с дру­гом посредством этих полей. Силовой характеристикой электрического поля служит напря­женность Е.

Напряженность — это физическая векторная величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

Для получения наглядного представления о величине и направ­лении напряженности электрического поля в любой точке простран­ства пользуются вообра­жаемыми линиями, которые мы назвали линиями напря­женности или силовыми линиями электрического поля.

Касательные к этим линиям в любой их точке совпадают с вектором напря­женности в этой точке. Там, где напряженность поля больше, ли­нии гуще.

Линии напряженности электрического поля начинаются на поло­жительных зарядах и либо уходят в бесконечность, и заканчиваются на отрицательных зарядах.

Обратите внимание, что линии поля плоского конденсатора параллельны и располо­жены на одинаковом расстоянии друг от друга. Значит поле такого конденсатора однородно.

При зарядке конденсатора внешними силами совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов. По закону сохранения энергии работа внешних сил равна энергии поля конден­сатора. При разрядке конденсатора за счет этой энергии может быть совершена работа.

Убедимся в этом на опыте. Соберем электрическую цепь из источника пос­тоянного тока, конденсатора, лампы и переключателя. Чтобы зарядить конденсатор, подключим его и источни­ку тока, поставив переключатель в поло­жение 1. Через некоторое время переве­дем переключатель в положение 2, замкнув цепь с конденсатором и лампой.

В результате разрядки конденсатора через лампу пройдет ток, и можно увидеть кратковременную вспышку. При вспышке раскаленная током нить накала лампы выделяет энергию в виде света и тепла. Значит, потенциальная энергия электрического поля конденсатора преобразовалась во внутреннюю энергию нити накала и излучилась в виде света и тепла.

Энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по формуле:

Из этой формулы следует, что энергия конденсатора данной емкости тем больше, чем больше его заряд.

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

– по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;

– по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;

– по типу диэлектрика — бумажные, керамические, электролитические и т.д.

На рисунке представлены бумажный, электролитический и керамический конденсаторы.

В бумажном конденсаторе обкладками служат две одинаковые бумажные ленты из металлической фольги, между которыми в качестве диэлектрика проложена лента из парафинированной бумаги. Все три ленты плотно скручены в рулон и помещены в металличе­ский корпус. При сравнительно небольших габаритах бумажный конденсатор обладает довольно большой емкостью за счет большой площади пластин.

В оксидно-электролитическом конденсаторе диэлектриком явля­ется очень тонкая оксидная пленка, нанесенная на металлическую пластину, являющуюся одной из обкладок. Роль второй обкладки играет электролит, контактирующий с металлическим корпусом.

В миниатюрных керамических конденсаторах тонкий проводящий слой (обкладки) наносят на керамический цилиндр (изолятор). Необхо­димо знать, что чем тоньше изоляция, тем меньшее напряжение она выдерживает. Поэтому на корпусе конденсатора обычно указывается его номинальное напряжение. Указывается также емкость конденсатора.

Конденсаторы применяют, например, в лампах-вспышках, лазерах и других устройствах. Широкое применение они нашли в радиотехнике.

В радиотехнических устройствах часто используются конден­саторы переменной емкости. Изменение емкости втаком конденсаторе достигается изменением площади перекрытия обкладок. Он состоит из системы неподвижных пластин — статора и системы подвижных пластин — ротора, которые поворотом руч­ки можно вращать вокруг оси. Для увеличения емкости пластины ротора вдвигают в пространство между пластинами статора, увели­чивая площадь перекрытия; для уменьшения емкости пластины вы­двигают.

Основные выводы:

– Конденсатор— это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

– Под зарядом конденсатора понимается модуль заряда одной из его обкладок.

– Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

– Единица электроемкости в СИ — фарад.

– Конденсаторы классифицируются по следующим признакам и свойствам:

– по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;

– по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;

– по типу диэлектрика — бумажные, керамические, электролитические и т.д.

Виды конденсаторов, теория и примеры задач

Определение и основные виды конденсаторов

Любой конденсатор состоит из двух металлических обкладок, которые разделяет диэлектрик. Допустим, что обкладками конденсатора являются две замкнутые металлические оболочки: наружная и внутренняя. При этом внутренняя обкладка полностью окружена наружной. В таком случае электрическое поле внутри этой системы абсолютно не зависимо от внешних электрических полей. Заряды, распределенные по поверхностям данных обкладок, обращенных одна к другой по теореме Фарадея, будут равны по модулю и противоположны по знаку. Описанная выше картина для реального конденсатора является приближенной, так как его обкладки не являются полностью замкнутыми, однако, следует отметить, что приближение к идеальной картине довольно большое. На практике независимости внутреннего поля внутри конденсатора от внешних полей добиваются тем, что пластины конденсатора располагают на очень малом расстоянии. Тогда заряды будут находится на внутренних поверхностях обкладок.

Основной характеристикой конденсатора является его емкость (C):

   

q – заряд одной из обкладок конденсатора, – разность потенциалов между обкладками конденсатора. Емкость конденсатора – величина зависящая только от размеров, устройства конденсатора.

Конденсаторы делят по разным параметрам. Так, например, существуют:

1. Конденсаторы с постоянной и переменной емкостью и подстроечные.
2. Конденсаторы с различным типом диэлектрика (электролит, поликарбонат, воздух, тефлон и тд).
3. По типу материала корпуса: керамические, пластиковые, металлические.
4. В соответствии с геометрическим строением (плоские, цилиндрические, шаровые (сферические) конденсаторы).

Кроме этого конденсаторы можно разделить по их предназначению, способу монтажа (для печатного, навесного, поверхностного монтажа; с защелкивающимися выводами; выводами под винт), принципам защиты от внешних воздействий (с защитой и без нее; изолированные и неизолированные; уплотненные и герметизированные).

В задачах по общей физике рассматривают обычно три типа конденсаторов: плоские, цилиндрические и сферические. Кроме того могут варьироваться типы диэлектрика между обкладками.

Формулы емкости базовых видов конденсаторов

Емкость плоского конденсатора:

   

Емкость цилиндрического конденсатора:

   

где l – высота цилиндров; – радиус внешнего цилиндра; – радиус внутреннего цилиндра. По формуле (3) вычисляют емкость коаксиального кабеля.

Емкость сферического конденсатора:

   

где – радиусы обкладок конденсатора.

Примеры решения задач

Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов

Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов

«Физика — 10 класс»

Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией.
Вычислить энергию заряженного плоского конденсатора с однородным полем внутри него несложно.

Энергия заряженного конденсатора.

Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов.
Согласно закону сохранения энергии эта работа равна энергии конденсатора.
В том, что заряженный конденсатор обладает энергией, можно убедиться, если разрядить его через цепь, содержащую лампу накаливания, рассчитанную на напряжение в несколько вольт (рис.14.37).
При разрядке конденсатора лампа вспыхивает.
Энергия конденсатора превращается в тепло и энергию света.

Выведем формулу для энергии плоского конденсатора.

Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна Е/2, где Е — напряженность поля в конденсаторе.
В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по поверхности другой пластины (рис.14.38).

Согласно формуле (14.14) для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:

где q — заряд конденсатора, а d — расстояние между пластинами.

Так как Ed=U, где U — разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную.

Если заряд на пластинах остаётся постоянным, при сближении пластин поле совершает положительную работу:

При этом энергия электрического поля уменьшается.

Заменив в формуле (14.25) разность потенциалов или заряд с помощью выражения (14.22) для электроемкости конденсатора, получим:

Можно доказать, что эти формулы справедливы для любого конденсатора, а не только для плоского.

Энергия электрического поля.

Согласно теории близкодействия вся энергия взаимодействия заряженных тел сконцентрирована в электрическом поле этих тел.
Значит, энергия может быть выражена через основную характеристику поля — напряженность.

Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна разности потенциалов (U=Ed), то согласно формуле

энергия конденсатора прямопропорциональна квадрату напряженности электрического поля внутри него:

.

Применение конденсаторов.

Зависимость электроемкости конденсатора от расстояния между его пластинами используется при создании одного из типов клавиатур компьютера.
На тыльной стороне каждой клавиши располагается одна пластина конденсатора, а на плате, расположенной под клавишами, — другая.
Нажатие клавиши изменяет емкость конденсатора.
Электронная схема, подключенная к этому конденсатору, преобразует сигнал в соответствующий код, передаваемый в компьютер.

Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей.
К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда.
Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторы в качестве источников электрической энергии.

Но это совсем не означает, что конденсаторы как накопители энергии не получили практического применения.
Они имеют одно важное свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при разрядке через цепь с малым сопротивлением они отдают энергию почти мгновенно.
Именно это свойство широко используют на практике.

Лампа-вспышка, применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатора, заряжаемого предварительно специальной батареей.
Возбуждение квантовых источников света — лазеров осуществляется с помощью газоразрядной трубки, вспышка которой происходит при разрядке батареи конденсаторов большой электроемкости.

Однако основное применение конденсаторы находят в радиотехнике.

Энергия конденсатора пропорциональна его электроемкости и квадрату напряжения между пластинами. Вся эта энергия сосредоточена в электрическом поле. Энергия поля пропорциональна квадрату напряженности поля.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»