Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора
Материалы к уроку
Конспект урока
Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора
Как накопить электрические заряды? Решая эту задачу, профессор Мушенбрук из города Лейдена в 1745 году использовал стеклянную банку, наполненную водой. Он опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины и, взяв банку в правую руку, попросил помощника вращать шар машины. После того как в банке накопилось достаточно зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец».
При любом способе заряжения проводников первоначально нейтральные тела заряжаются вследствие того, что некоторая часть заряженных частиц переходит от одного тела к другому. Обычно этими частицами являются электроны. Между проводниками появляется электрическое поле и возникает разность потенциалов, то есть напряжение. С увеличением напряжения электрическое поле между проводниками усиливается. В сильном электрическом поле, то есть при большом напряжении диэлектрик, например, воздух становится проводящим. Наступает так называемый пробой диэлектрика: между проводниками проскакивает искра, и они разряжаются. Чем меньше увеличивается напряжение между проводниками с увеличением их зарядов, тем больший заряд можно на них накопить.
Введем физическую величину, характеризующую способность двух проводников накапливать электрический заряд. Эту величину называют электроемкостью. Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним.
Электроемкость определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды. Электроемкость двух проводников равна единице, если при сообщении им зарядов +1 кулон и -1 кулон между ними возникает разность потенциалов 1 вольт. Эту единицу называют фарад (Ф).
Радиус земли равен 6400 км. Электроемкость Земли равна семь десятых милифарад. 1 фарад- это огромная величина.
Систему проводников очень большой электроемкости можно обнаружить в любом радиоприемнике, можно купить в магазине. Называется она конденсатором. Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.
Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Если заряды пластин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на отрицательно заряженной. Поэтому почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.
Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полюсам источника напряжения, например, к полюсам батареи аккумуляторов. Можно также соединить одну обкладку с полюсом батареи, у которой другой полюс заземлен, а вторую обкладку конденсатора заземлить. Тогда на заземленной обкладке останется заряд, противоположный по знаку и равный по модулю заряду другой обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю. Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.
Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь конденсатора и не влияют на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденсатора почти не зависит от наличия вблизи него каких-либо других тел. Геометрия плоского конденсатора полностью определяется площадью (эс) S его пластин и расстоянием (дэ) d между пластинами. От этих величин и должна зависеть емкость плоского конденсатора. Кроме того, емкость зависит от свойств диэлектрика между пластинами. Так как поле в диэлектрике ослабевает, то электроемкость при наличии диэлектрика увеличивается.
Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов. При параллельном соединении конденсаторов напряжения на конденсаторах одинаковы, а заряды равны произведению электроемкостей на заряд обкладок. Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости (цэ) C, заряженный зарядом, равным сумме зарядов каждого конденсатора при напряжении между обкладками равном (у) U. Отсюда следует, что при параллельном соединении конденсаторов электроемкость системы равна сумме электроемкостей каждого конденсатора.
При последовательном соединении одинаковыми оказываются заряды обоих конденсаторов, а напряжения на них равны отношению заряда к электроемкости конденсатора. Следовательно, при последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.
Условное изображение конденсатора в схемах электрических цепей такого:
конденсатор постоянной емкости, конденсатор переменной емкости.
В зависимости от назначения конденсаторы делятся по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, бумажные, керамические;
по форме обкладок: плоские, сферические, цилиндрические, желудевые, пальчиковые;
по величине емкости: постоянные, переменные электролитические.
Конденсаторы имеют различное устройство. Обычный технический бумажный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изолированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Полоски и ленты туго свернуты в пакет небольшого размера.
В радиотехнике широко применяют конденсаторы переменной электроемкости. Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входит одна в другую. При этом меняются площади перекрывающихся частей пластин и, следовательно, их электроемкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.
Значительного увеличения электроемкости за счет уменьшения расстояния между обкладками достигают в так называемых электролитических конденсаторах. Диэлектриком в них служит очень тонкая пленка оксидов, покрывающих одну из обкладок (полосу фольги). Второй обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества – электролита.
В радиотехнике применяются слюдяные конденсаторы небольшой ёмкости (от десятков до десятков тысяч пикофарад). В них листки станиоля прокладываются слюдой так, что все нечётные листки станиоля, соединённые вместе, образуют одну обкладку конденсатора, тогда как чётные листки образуют другую обкладку. Внешний вид и отдельные части такого конденсатора показаны на рисунке. Эти конденсаторы могут работать при напряжениях от сотен до тысяч вольт.
В последнее время слюдяные конденсаторы в радиотехнике начали заменять керамическими. Диэлектриком в них служит специальная керамика. Обкладки керамических конденсаторов изготавливаются в виде слоя серебра, нанесённого на поверхность керамики и защищённого слоем лака. Керамические конденсаторы изготавливаются на ёмкости от единиц до сотен пикофарад и на напряжении от сотен до тысяч вольт.
Рассмотрим цилиндрический и шаровой конденсаторы. Электроемкость как цилиндрического конденсатора так и шарового пропорциональна отношению площади основания (эс) S к расстоянию между внешней и внутренней обкладкой (дэ) d .
Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. 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. При разрядке конденсатора лампа вспыхивает. Энергия конденсатора превращается в другие формы: тепловую, световую.
Напряженность поля, созданного зарядом одной из пластин, равна (е пополам) E/2, где (е) E - напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд (кю) q , распределенной по поверхности другой пластины. Следовательно, энергия конденсатора равна половине произведения заряда конденсатора, напряженности поля и расстояния между пластинами конденсатора. Так как произведение напряженности поля и расстояния между обкладками равна напряжению, то его энергия равна половине произведения заряда конденсатора на подаваемое напряжение. Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин вплотную.
Для любого конденсатора энергия равна половине произведения электроемкости и квадрата напряжения.
Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна разности потенциалов, то и энергия конденсатора прямо пропорциональна напряженности электрического поля внутри его.
Приближение к проводнику другого проводника увеличивает их емкость. Помещение проводника в диэлектрик увеличивает его емкость. Эти свойства конденсатора рассмотрим на опыте.
К электрометру присоединены два металлических диска, разделенные воздухом – газообразным диэлектриком. Зарядим левую из них при помощи заряженной палочки. Благодаря явлению электростатической индукции, правый диск тоже зарядится. На протяжении опыта оба заряда будут постоянными. Вспомним, что электрометр измеряет электрическое напряжение. Сблизив диски, обнаружим, что показания электрометра уменьшаются. Раздвинем диски и обнаружим, что показания электрометра, то есть электрическое напряжение возрастает. Внесем между дисками пластмассовую пластину – твердый диэлектрик. Электрическое напряжение на дисках падает.
Ответим на вопрос: каким образом изменяется энергия, напряженность электрического поля, напряжение, заряд и емкость конденсатора при увеличении расстояния между его обкладками?
Если конденсатор остается подключенным к источнику напряжения, то напряжение по условию не изменяется, а все остальные вышеперечисленные величины уменьшаются. Если же конденсатор зарядили и отключили от источника напряжения, то напряженность поля не изменяется, электроемкость падает, напряжение и энергия поля возрастают.
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 они имеют одно важное свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при разрядке через цепь малого сопротивления они отдают энергию почти мгновенно. Именно это свойство используют широко 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 разряде батареи конденсаторов большой электроемкости. Однако основное применение конденсаторы находят в радиотехнике.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ