Электроемкость. конденсаторы — справочник студента

«Физика — 10 класс»

При каком условии можно накопить на проводниках большой электрический заряд?

При любом способе электризации тел — с помощью трения, электростатической машины, гальванического элемента и т. д. — первоначально нейтральные тела заряжаются вследствие того, что некоторая часть заряженных частиц переходит от одного тела к другому. Обычно этими частицами являются электроны.

При электризации двух проводников, например от электростатической машины, один из них приобретает заряд +q, а другой -q. Между проводниками появляется электрическое поле и возникает разность потенциалов (напряжение).

С увеличением заряда проводников электрическое поле между ними усиливается.

В сильном электрическом поле (при большом напряжении и соответственно при большой напряженности) диэлектрик (например, воздух) становится проводящим. Возможен 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.

Электроемкость.

Напряжение U между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках (на одном +|q|, а на другом -|q|). Действительно, если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение.

• Поэтому отношение заряда q одного из проводников (на другом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда.
• Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды.
• Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.
• Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между ними:

Электроёмкость уединённого проводника равна отношению заряда проводника к его потенциалу, если все другие проводники бесконечно удалены и потенциал бесконечно удалённой точки равен нулю.

Чем меньше напряжение U между проводниками при сообщении им зарядов +|q| и -|q|, тем больше электроемкость проводников.

На проводниках можно накопить большие заряды, не вызывая пробоя диэлектрика. Но сама электроемкость не зависит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающего между ними напряжения.

Единицы электроемкости.

Формула (14.22) позволяет ввести единицу электроемкости.

Электроемкость двух проводников численно равна единице, если при сообщении им зарядов +1 Кли -1 Клмежду ними возникает разность потенциалов 1 В.

Эту единицу называют фарад (Ф); 1 Ф = 1 Кл/В.

Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф оказывается очень большой. Поэтому на практике часто используют доли этой единицы: микрофарад (мкФ) — 10-6 Ф и пикофарад (пФ) — 10-12 Ф.

Важная характеристика проводников — электроемкость. Электроемкость проводников тем больше, чем меньше разность потенциалов между ними при сообщении им зарядов противоположных знаков.

Конденсаторы.

Систему проводников очень большой электроемкости вы можете обнаружить в любом радиоприемнике или купить в магазине. Называется она конденсатором. Сейчас вы узнаете, как устроены подобные системы и от чего зависит их электроемкость.

Большой электроемкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. 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 (рис.14.33).

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 (рис.14.28). Поэтому почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно.

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полюсам источника напряжения, например к полюсам батареи аккумуляторов.

Можно также первую обкладку соединить 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 незаземленной обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Электроемкость конденсатора определяется формулой (14.22).

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь конденсатора и не влияют на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденсатора практически не зависит от наличия вблизи него каких-либо других тел.

Электроемкость плоского конденсатора.

Геометрия плоского конденсатора полностью определяется площадью S его пластин и расстоянием d между ними. От этих величин и должна зависеть емкость плоского конденсатора.

Чем больше площадь пластин, тем больший заряд можно на них накопить: q~S. С другой стороны, напряжение между пластинами согласно формуле (14.21) пропорционально расстоянию d между ними. Поэтому емкость

Кроме того, емкость конденсатора зависит от свойств диэлектрика между пластинами. Так как диэлектрик ослабляет поле, то электроемкость при наличии диэлектрика увеличивается.

Проверим на опыте зависимости, полученные нами из рассуждений. Для этого возьмем конденсатор, у которого расстояние между пластинами можно изменять, и электрометр с заземленным корпусом (рис.14.34).

Соединим корпус и стержень электрометра с пластинами конденсатора проводниками и зарядим конденсатор. Для этого нужно коснуться наэлектризованной палочкой пластины конденсатора, соединенной со стержнем.

Электрометр покажет разность потенциалов между пластинами.

Раздвигая пластины, мы обнаружим увеличение разности потенциалов. Согласно определению электроемкости (см. формулу (14.22)) это указывает на ее уменьшение. В соответствии с зависимостью (14.23) электроемкость действительно должна уменьшаться с увеличением расстояния между пластинами.

Вставив между обкладками конденсатора пластину из диэлектрика, например из органического стекла, мы обнаружим уменьшение разности потенциалов. Следовательно, электроемкость плоского конденсатора в этом случае увеличивается. Расстояние между пластинами d может быть очень малым, а площадь S — большой. Поэтому при небольших размерах конденсатор может иметь большую электроемкость.

Для сравнения: в отсутствие диэлектрика между обкладками плоского конденсатора при электроемкости в 1 Ф и расстоянии между пластинами d = 1 мм он должен был бы иметь площадь пластин S = 100 км2.

Последовательное и параллельное соединения конденсаторов. На практике конденсаторы часто соединяют различными способами. На рисунке 14.40 представлено последовательное соединение трёх конденсаторов.

Если точки 1 и 2 подключить к источнику напряжения, то на левую пластину конденсатора С1 перейдёт заряд +qy на правую пластину конденсатора СЗ — заряд -q.

Вследствие электростатической индукции правая пластина конденсатора С1 будет иметь заряд -q, а так как пластины конденсаторов С1 и С2 соединены и до подключения напряжения были электро нейтральны, то по закону сохранения заряда на левой пластине конденсатора С2 появится заряд +q и т. д. На всех пластинах конденсаторов при таком соединении будет одинаковый по модулю заряд:

1. q = q1 = q2 = q3.
2. Определить эквивалентную электроёмкость — это значит определить электроёмкость такого конденсатора, который при той же разности потенциалов будет накапливать тот же заряд q, что и система конденсаторов.
3. Разность потенциалов φ1 — φ2 складывается из суммы разностей потенциалов между пластинами каждого из конденсаторов:
4. φ1 — φ2 = (φ1 — φA) + (φA — φB) + (φB — φ2), или U = U1 + U2 + U3.
5. Воспользовавшись формулой (14.23), запишем:

На рисунке 14.41 представлена схема параллельно соединённых конденсаторов. Разность потенциалов между пластинами всех конденсаторов одинакова и равна:

• φ1 — φ2 = U = U1 = U2 = U3.
• Заряды на пластинах конденсаторов
• q1 = C1U, q2 = C2U, q3 = C3U.
• На эквивалентном конденсаторе ёмкостью Сэкв заряд на пластинах при той же разности потенциалов
• q = q1 + q2 + q3.
• Для электроёмкости, согласно формуле (14.23) запишем: CэквU = C1U + C2U + C3U, следовательно, Сэкв = C1+ С2 + С3, и в общем случае
• Различные типы конденсаторов.

В зависимости от назначения 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 (рис.14.35). Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить 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 (рис.14.36). Диэлектриком в них служит очень тонкая пленка оксидов, покрывающих одну из обкладок (полосу фольги). Другой обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электролита).

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

Назад в раздел «Физика — 10 класс, 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»

Источник: http://class-fizika.ru/10_a180.html

Электроёмкость. Конденсаторы

Изучение электрических явлений вы начали еще в восьмом классе, познакомившись с явлением электризации. Сегодня мы можем провести классический опыт. Возьмем две стеклянные банки разных размеров, предварительно изолировав их от земли. Поднесем к каждой из этих банок одинаковый заряженный шар на изолированной ручке.

Если теперь мы измерим потенциалы каждой из банок, с помощью электрометров, то убедимся, что эти потенциалы не равны. Это наводит на мысли о том, что на различных телах накопление заряда происходит по-разному. Другой опыт, который мы можем провести — это разноименно зарядить два проводника.

Как вы понимаете, с увеличением заряда, будет расти напряженность электрического поля между данными проводниками. При неизменном расстоянии между проводниками, с увеличением напряженности будет расти и разность потенциалов, то есть, электрическое напряжение.

При достаточно большом напряжении, диэлектрик становится проводящим (поскольку не существует идеальных диэлектриков). Возникает явление, которое называется пробоем диэлектрика: между проводниками проскакивает искра, в результате чего они разряжаются.

Это говорит нам о том, что чем меньше увеличивается напряжение с увеличением заряда, тем больший заряд можно накопить. Таким образом, мы можем заключить, что необходимо ввести физическую величину, которая характеризует способность накапливать электрический заряд.

Эта величина называется электроемкостью или просто емкостью.

Поскольку напряжение между двумя проводниками пропорционально напряженности электрического поля, а напряженность, в свою очередь, пропорциональна зарядам на проводниках, можно сделать вывод, что напряжение пропорционально зарядам на проводниках:

• Как мы уже сказали, чем меньше увеличивается напряжение с увеличением заряда, тем больший заряд можно накопить. Поэтому, определение электроемкости для двух проводников звучит так: электроемкость двух проводников — это отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между ними:
• Единицей измерения электроемкости является фарад (в честь Майкла Фарадея):

Как видно из формулы электроемкость двух проводников равна 1 Ф, если при сообщении им зарядов 1 Кл и –1 Кл, между ними возникает напряжение в 1 В.

Как мы уже говорили, заряд в 1 Кл — это очень большой заряд, поэтому, электроемкость в 1 Ф — тоже очень большая. На практике используются такие величины, как микрофарады и нанофарады.

Итак, мы дали определение электроемкости для двух проводников. Система проводников, используемых для накопления электрического заряда, называется конденсатором. Конденсатор состоит из двух проводников, которые разделены слоем диэлектрика.

Толщина диэлектрика должна быть невелика по сравнению с размерами проводников. Проводники в конденсаторе называются обкладками. В качестве обкладок часто используют очень тонкие металлические пластины, а в качестве диэлектрика — бумагу или воздух.

На сегодняшнем уроке мы рассмотрим плоский конденсатор. Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга.

Поле внутри такого конденсатора будет однородным. Для того, чтобы зарядить конденсатор, достаточно подключить его к полюсам источника тока. Накопив заряд, конденсатор может сам являться источником тока некоторое время. Но, надо сказать, что конденсатор разряжается очень быстро. Электроемкость плоского конденсатора характеризуется площадью пластин и расстоянием между этими пластинами:

Очевидно, что чем больше площадь пластин, тем больший заряд можно на них накопить. Тем не менее, чем больше расстояние между пластинами, тем выше напряжение между ними:

Поскольку электроемкость обратно пропорциональна напряжению, мы можем заключить, что чем больше расстояние между пластинами, тем меньше электроемкость плоского конденсатора:

Таким образом, мы выяснили, что электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними:

Конечно же, электроемкость зависит и от диэлектрика, который используется в конденсаторе, поэтому в формуле мы видим диэлектрическую проницаемость. Также, в формуле есть коэффициент пропорциональности, который называется электрической постоянной. Значение электрической постоянной соответствует диэлектрической проницаемости вакуума:

1. Конденсаторы классифицируются по нескольким признакам: по форме обкладок, по типу диэлектрика и по назначению.
2. В основном конденсаторы бывают трех форм: плоские, сферические и цилиндрические.
3. Также конденсаторы разделяют по типу диэлектрика на керамические, бумажные и электролитические конденсаторы.
4. Кроме этого, конденсаторы классифицируются по назначению.

Помимо конденсаторов с постоянной электроемкостью, существуют также конденсаторы, которые обладают переменной электроемкостью. В таком конденсаторе есть статор и ротор.

Вращая ротор, можно изменять суммарную площадь перекрываемую пластинами и, таким образом, изменять электроемкость. Конденсаторы с переменной емкостью широко используются в радиотехнике.

Например, изменяя емкость конденсатора, можно настраивать радиоприемник на нужную частоту (или, как мы говорим, на нужную волну).

Пример решения задачи.

Задача. Когда конденсатор с постоянной электроёмкостью зарядили от источника тока, напряжение между пластинами конденсатора составило 300 В. После этого, к конденсатору подключили лампочку, которая прогорела ровно 1,5 с, а потом погасла. Предполагая, что в течение этих полутора секунд, по лампочке проходил постоянный ток в 20 мА, определите электроёмкость данного конденсатора.

Источник: https://videouroki.net/video/67-eliektroiomkost-kondiensatory.html

Конденсаторы.Электроемкость конденсатора. Применение конденсаторов

План ответа

1. Определение конденсатора. 2. Обозначение. 3. Электроемкость конденсатора. 4. Электроемкость плоского конденсатора. 5. Соединение конденсаторов. 6. Применение конденсаторов.

Для накопления значительных количеств раз­ноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.Конденсатор — это система двух про­водников (обкладок), разделенных слоем диэлектри­ка, толщина которого мала по сравнению с размера­ми проводников.

Так, например, две плоские метал­лические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский кон­денсатор.

Если пластинам плоского конденсатора со­общить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность одной пласти­ны. Вне пластин напряженность равна нулю.

— конденсатор переменной емкости.

Электроемкостью конденсатора называют ве­личину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроем­кость обозначается С.

По определению С =q/U. Единицей электро­емкости является фарад (Ф). 1 фарад — это электроемкость такого конденсатора, напряжение между об­кладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 кулону.

• Электроемкость плоского конденсатора нахо­дится по формуле:
• С=εε0•S/d
• где ε0— электрическая постоянная, ε — диэлектри­ческая постоянная среды, S — площадь обкладки конденсатора, d — расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).

Если конденсаторы соединяются в батарею, то при параллельном соединении С0 =С1 + С2, (рис.).

При последовательном соединении 1/C0= 1/C1 + 1/С2 (рис.).

1. В зависимости от типа диэлектрика конденса­торы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.
2. Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования ее при быстром раз­ряде (фотовспышка), для разделения цепей постоян­ного и переменного токов, в выпрямителях, колеба­тельных контурах и других радиоэлектронных уст­ройствах.
3. Билет № 14

Силы и энергия межмолекулярного взаимодействия. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел. Опыт Штерна.

Межмолекулярные силы– силы взаимодействия между молекулами. Имеют электрическую природу, взаимодействие положительных и отрицательных зарядов.

• 

• F
• Силы отталкивания
• 0 do r

1. Сила молекулярного взаимодействия
2. Силы притяжения
3. График зависимости межмолекулярных сил от расстояния между молекулами
4. · do- поперечник молекулы, r- расстояние между центрами молекул.

· Если r = do, сила отталкивания равна силе притяжения. Сила взаимодействия молекул равна нулю.

· Если rdo сила отталкивания меньше силы притяжения. Молекулы притягиваются друг другу.

• Энергия молекул.
• Молекулы находятся в состоянии хаотического движения, молекулы взаимодействуют друг с другом, следовательно, они обладают кинетической и потенциальной энергией: .

· В газообразном состоянии потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежимо мала по сравнению с кинетической. Поэтому газы не имеют постоянной формы и объема, заполняют весь предоставленный им объем.

· В жидкостях величина потенциальной энергии приблизительно равна кинетической энергии. Поэтому в жидкости молекулы могут скачкообразно перемещаться относительно друг друга. Время “оседлой” жизни 10-8c. C ростом температуры это время уменьшается. Жидкость имеет свойство текучести: сохраняя объем легко меняет форму, принимая форму сосуда.

В твердых телах величина потенциальной энергии взаимодействия молекул значительно больше кинетической энергии. Поэтому в твердых телах молекулы не могут свободно перемещаться, образуют кристаллическую решетку. Твердые тела сохраняют форму и объем. В кристаллической решетке молекулы обладают наименьшей потенциальной энергией .

Опыт Штерна

О. Штерн, воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. К. Максвеллом распределение молекул газа по скоростям. Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла.

1. По графику можно было определить смещение для середины изображения щели и, соответственно, вычислить среднюю скорость движения атомов.
2. При Т2

Источник: https://cyberpedia.su/6xa6bc.html

Электроемкость. Конденсаторы и их соединение

Электроемкостьюсистемы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, – обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским.

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.

В целом ряде задач приближенно можно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками .

Но в других задачах пренебрежение полем рассеяния может привести к грубым ошибкам, так как при этом нарушается потенциальный характер электрического поля

• Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:
• Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R1 и R2 и длины L. Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:
• (Сферический и цилиндрический)

Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов. При параллельном соединении конденсаторов напряжения на конденсаторах одинаковы: U1 = U2 = U, а заряды равны q1 = С1U и q2 = C2U.

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом q = q1 + q2 при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует

1. Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.
2. При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.
3. Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

33.Электрическое поле в диэлектриках. Модели диэлектриков. Поляризация диэлектриков, вектор поляризации. Напряженность поля в диэлектриках.

Типы диэлектриков

Диэлектриками называются вещества, которые при обычных условиях практически не проводят электрический ток. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков ρ ~ 106 – 1015 Ом·м, тогда как у металлов ρ ~ 10-8 – 10-6 Ом·м.

Согласно представлениям классической физики, в диэлектриках в отличие от проводников, нет свободных носителей заряда – заряженных частиц, которые могли бы под действием электрического поля прийти в упорядоченное движение и образовать электрический ток проводимости.

Все молекулы диэлектрика электрически нейтральны: суммарный заряд всех ядер молекулы равен суммарному заряду электронов

Вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному, и равный расстоянию между ними, называется плечом диполя l. Вектор, совпадающий по направлению с плечом диполя и равный произведению заряда на плечо l, называется электрическим моментом диполя или дипольным моментом.

Диэлектрики подразделяются на три основные группы.

К полярным диэлектрикам (H2O, NH3, СО и др.) относятся вещества, молекулы которых имеют асимметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов не совпадают (положительный заряд ядер, и отрицательный заряд электронов находятся в различных точках пространства). Эти молекулы обладают постоянным дипольным моментом.

К неполярным диэлектрикам относят вещества (N2, CO2, H2 и др.), молекулы которых имеют симметричное строение, т.е. центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают, и их дипольный момент равен нулю.

Третью группу диэлектриков составляют вещества (NaCl, KCl, KBr и др.), молекулы которых имеют ионное строение.

Ионные кристаллы представляют собой пространственные решетки с правильным чередованием ионов разных знаков.

В этих кристаллах нельзя выделить отдельную молекулу, можно рассматривать как систему двух вдвинутых одна в другую ионных подрешеток. В таких диэлектриках дипольные моменты отсутствуют.

Во внешнем электрическом поле диэлектрик поляризуется. Диэлектрик поляризован, если он имеет результирующий дипольный момент отличный от нуля, а дипольные моменты молекул ориентированы по полю. Механизм поляризации различен для различных диэлектриков.

Электроннаяполяризация возникает в диэлектриках, состоящих из неполярных молекул. Если поместить диэлектрик во внешнее электрическое поле, то положительные заряды будут смещаться по направлению вектора напряженности электрического поля , а отрицательные – в противоположном направлении. В результате неполярные молекулы приобретут наведенный (индуцированный) дипольный момент, направленный вдоль внешнего поля, т.е. диэлектрик поляризуется (рис. 2.2). Дипольный момент молекул пропорционален напряженности внешнего поля

• , (2.1)
• Где α – поляризуемость молекулы, зависящая только от объема молекулы.
• Электронная поляризация:
• а) – внешнее поле отсутствует, б) – молекула диэлектрика
• во внешнем электрическом поле

Ионная поляризация возникает в диэлектриках с ионными кристаллическими решетками. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле подрешетки положительных ионов смещаются по направлению напряженности электрического поля Е, а отрицательные – против поля. В результате возникают индуцированные дипольные моменты, ориентированные по полю.

В целом процессы электронной и ионной поляризации сходны между собой.

Оба эти явления можно рассматривать как разновидность деформационной поляризации, представляющий собой сдвиг зарядов друг относительно друга. На деформационную поляризацию не оказывает влияния температура.

Данный вид поляризации не вызывает возникновения диэлектрических потерь и отличается большой скоростью установления состояния поляризации.

Ориентационная (дипольная) поляризация возникает в полярных диэлектриках (рис. 2.3). На каждый из зарядов диполя, внесенного в однородное электрическое поле с напряженностью , будут действовать равные по модулю силы и , направленные в противоположные стороны.

Они создадут момент сил М, стремящийся повернуть молекулу-диполь так, чтобы его дипольный момент совпадал по направлению с вектором напряженности электрического поля. Вектор момента сил равен или по модулю .

Таким образом, каждая молекула-диполь будет испытывать ориентирующее действие поля (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Ориентационная поляризация

Ориентационная поляризация связана с тепловым движением молекул и зависит от температуры. При повышении температуры уменьшается степень упорядоченности их ориентации.

1. Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной величиной, называемой поляризованностью, которая определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика.
2. где – суммарный дипольный момент всех молекул диэлектрика в объеме V, – дипольный момент одной молекулы.
3. Поляризованность изотропного диэлектрика любого типа связана с напряженностью поля соотношением
4. , (2.3)
5. где – диэлектрическая восприимчивость вещества, – электрическая постоянная.
6. Диэлектрическая восприимчивость вещества характеризует способность диэлектрика к поляризации.



Источник: https://infopedia.su/8×11993.html

Электрическая емкость. Конденсаторы

• Проводники и диэлектрики в электростатическом поле
• Вещества в природе можно разделить на проводники и диэлектрики.
• Основная особенность — наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.
• Типичные проводники — металлы.

Диэлектрическая проницаемость вещества

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки.

В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды.

Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды — индукционными зарядами.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности (vec{E}_0) внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности (vec{E}) полного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества (varepsilon).

[varepsilon=dfrac{vec{E}_0}{vec{E}}]

1. Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда (q) одного из проводников к разности потенциалов (Delta varphi) между ними:
2. [fbox{$C=dfrac{q}{Delta varphi}$}]
3. Единицы измерения: (displaystyle [ ext{Ф}]) (фарад).
4. Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, — обкладками.

Плоский конденсатор — система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

• Электроемкость плоского конденсатора
• Разность потенциалов (Delta varphi) между пластинами в однородном электрическом поле равна (Ed), где (d) — расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора:
• [C=dfrac{q}{Delta varphi}=dfrac{sigma S}{Ed}=dfrac{varepsilon_0S}{d}]
• Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в (varepsilon) раз:
• [fbox{$C=dfrac{varepsilon_0varepsilon S}{d}$}]

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач приближенно можно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

Для достижения нужной емкости или при напряжении, превышающем номинальное напряжение, конденсаторы, могут соединяться последовательно или параллельно. Любое же сложное соединение состоит из нескольких комбинаций последовательного и параллельного соединений.

• Последовательное соединение конденсаторов
  При последовательном соединении, конденсаторы подключены таким образом, что только первый и последний конденсатор подключены к источнику тока одной из своих пластин. Заряд одинаков на всех пластинах, но внешние заряжаются от источника, а внутренние образуются только за счет разделения зарядов ранее нейтрализовавших друг друга. При этом заряд конденсаторов в батарее меньше, чем, если бы каждый конденсатор подключался бы отдельно. Следовательно, и общая емкость батареи конденсаторов меньше.
  1. Напряжение на данном участке цепи соотносятся следующим образом:
  2. [fbox{$U=U_1+U_2$}]
  3. Зная, что напряжение конденсатора можно представить через заряд и емкость, запишем:
  4. [dfrac{q}{C}=dfrac{q}{C_1}+dfrac{q}{C_2}]
  5. Сократив выражение на (Q), получим формулу:
  6. [fbox{$dfrac{1}{C}=dfrac{1}{C_1}+dfrac{1}{C_2}$}]
  7. Откуда эквивалентная емкость батареи конденсаторов соединенных последовательно:
  8. [fbox{$C=dfrac{C_1C_2}{C_1+C_2}$}]
• • Параллельное соединение конденсаторов
  • При параллельном соединении конденсаторов напряжение на обкладках одинаковое, а заряды разные.
  • Величина общего заряда полученного конденсаторами, равна сумме зарядов всех параллельно подключенных конденсаторов. В случае батареи из двух конденсаторов:
  • [fbox{$q=q_1+q_2$}]
  • Так как заряд конденсатора
  • [q=CU]
  • А напряжения на каждом из конденсаторов равны, получаем следующее выражение для эквивалентной емкости двух параллельно соединенных конденсаторов
  • [CU=C_1U+C_2U]
  • [fbox{$C=C_1+C_2$}]

• По сути, расчет общей емкости конденсаторов схож с расчетом общего сопротивления цепи в случае с последовательным или параллельным соединением, но при этом, зеркально противоположен.

Энергия заряженного конденсатора

Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться на опыте. Если зарядить конденсатор и замкнуть его на лампочку, то (при условии того, что ёмкость конденсатора достаточно велика) лампочка ненадолго загорится. Следовательно, в заряженном конденсаторе запасена энергия, которая и выделяется при его разрядке.

Вычислим эту энергию: начнём с плоского воздушного конденсатора.

Ответим на такой вопрос: какова силу притяжения его обкладок друг к другу. Величины используем следующие: заряд конденсатора (q), площадь обкладок (S). Возьмём на второй обкладке настолько маленькую площадку, что заряд (q_0) этой площадки можно считать точечным. Данный заряд притягивается к первой обкладке с силой

1. [F_0 = q_0E_1,]
2. где (E_1) — напряжённость поля первой обкладки:
3. [E_1=dfrac{sigma}{2varepsilon_0}=dfrac{q}{2varepsilon_0S}]
4. Значит
5. [F_0=dfrac{qq_0}{2varepsilon_0S}]

Направлена эта сила параллельно линиям поля (т.е. перпендикулярно пластинам).

Результирующая сила (F) притяжения второй обкладки к первой складывается из всех этих сил (F_0), с которыми притягиваются к первой обкладке всевозможные маленькие заряды (q_0) второй обкладки.

При этом суммировании постоянный множитель (displaystyledfrac{q}{2varepsilon_0S}) вынесется за скобку, а в скобке просуммируются все (q_0) и дадут (q). В результате получим

[F=dfrac{q^2}{2varepsilon_0S}]

Предположим теперь, что расстояние между обкладками изменилось от начальной величины (d_1) до конечной величины (d_2). Сила притяжения пластин совершает при этом работу [A = F(d_1 -d_2)]

Знак правильный: если пластины сближаются ((d_2 < d_1)), то сила совершает положительную работу, так как пластины притягиваются друг к другу. Наоборот, если удалять пластины ((d_2 > d_1)), то работа силы притяжения получается отрицательной, как и должно быть.

• Получаем
• [A=dfrac{q^2}{2varepsilon_0S}(d_1-d_2)=dfrac{q^2d_1}{2varepsilon_0S}-dfrac{q^2d_2}{2varepsilon_0S}=dfrac{q^2}{2C_1}-dfrac{q^2}{2C_2}=W_1-W_2]
• Это можно переписать следующим образом: [A =-(W_2-W_1) =-Delta W,]
• где [fbox{$W=dfrac{q^2}{2C}$}, (1)]

Работа потенциальной силы (F) притяжения обкладок оказалась равна изменению со знаком минус величины (W). Это как раз и означает, что (W) — потенциальная энергия взаимодействия обкладок, или энергия заряженного конденсатора. Используя соотношение (q = CU), можно получить ещё две формулы для энергии конденсатора (проделать это самостоятельно).

1. [fbox{$W=dfrac{qU}{2}$}, (2)]
2. [fbox{$W=dfrac{CU^2}{2}$}, (3)]
3. Формулы (1)—(3) универсальны: они справедливы как для воздушного конденсатора, так и для конденсатора с диэлектриком.

Источник: https://physics.shkolkovo.net/theory/elektricheskaya_emkost_kondensatory

Электроемкость: конденсаторы, виды соединений, расчет емкости законом Гаусса

В статье мы расскажем про электроемкость, емкость конденсатора, про последовательное и параллельное соединение конденсаторов, а также как использовать закон Гаусса для расчета емкости конденсаторов с примерами и решениями.

Конденсатор (Электроемкость) –элемент, способный накапливать электромагнитную энергию в собственном электрическом поле, образуемом обкладками конденсатора. Обозначается – С. Напряжение и ток на его контактах связано зависимостью:

• Величина ёмкости измеряется в фарадах (Ф).
• 1 фарада – это величина такой ёмкости, на которой имеет место падение напряжения 1 вольт при наличии заряда в ёмкости 1 кулон.
• 1 фарада – очень большая величина, поэтому применяемые в технике конденсаторы имеют величины: — пикофарад – 10-12; нанофарад – 10-9; микрофарад – 10-6.
• Процессы, происходящие в конденсаторе на временном графике при подключении конденсатора к источнику прямоугольного однополярного сигнала, показаны на рисунке.

Из рисунка видно, что в момент подачи прямоугольного импульса источника тока (красный), напряжение на выводах конденсатора (фиолетовый) сначала равно нулю и с изменением времени увеличивается по экспоненте – конденсатор заряжается, а ток конденсатора (зелёный) наоборот сначала максимален, но потом по мере заряда уменьшается по экспоненте. При пропадании импульса, напряжение на выводах конденсатора уменьшается по экспоненте – конденсатор разряжается, а ток, изменивший полярность сначала максимален, и по мере разряда уменьшается из отрицательной области до нуля. Скорость изменения напряжения и тока зависит от значения ёмкости. Чем больше ёмкость, тем медленнее они изменяются (экспонента более вытянута по времени). Напряжение и ток на нагрузочном резисторе ведут себя одинаково, и изображены на временном графике оранжевым цветом. Их взаимосвязь описывается законом Ома.

Фактически, мы рассмотрели «четырёхполюсник» состоящий из конденсатора и резистора, который называют дифференцирующей цепочкой.

Дифференцирующая цепочка применяется для преобразования прямоугольных импульсов большой длительности в прямоугольные импульсы малой длительности. Чтобы, Вам было понятнее, дифференцирующая цепочка и преобразование импульса изображены на следующем рисунке.

Вслед за дифференцирующей цепочкой устанавливается пороговое устройство, не пропускающее через себя всё, что ниже по амплитуде установленного порога, с выхода порогового устройства, срезанные импульсы поступают на усилитель-ограничитель, который усиливает «кривой» импульс и ограничивая его амплитуду «сверху» пропускает его на выход.

Кроме функции преобразования прямоугольных импульсов, дифференцирующая цепочка может применяться в качестве фильтра высоких частот (ФВЧ). Конденсатор – инертный элемент.

Если к конденсатору с большой ёмкостью приложить переменное напряжение низкой частоты, в силу своей инертности, ёмкость будет не способной пропустить через себя ток, ведь конденсатору сначала надо будет зарядиться, а потом отдавать заряд.

Реактивное сопротивление конденсатора обозначается Xc или Zc и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление конденсатора связано с собственной ёмкостью и частотой тока выражением:

Из формулы видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Другими словами, чем выше частота, тем меньше реактивное сопротивление конденсатора.

Теперь представьте, что дифференцирующая цепь, это – описанный на сайте делитель напряжения, где вместо первого резистора выступает конденсатор.

А мы из формулы теперь знаем, что конденсатор легко пропускает высокие частоты – его сопротивление минимально и плохо пропускает низкие частоты – его сопротивление максимально.

В радиоэлектронике, когда рассчитывают частотные фильтры, то считают характеристикой фильтра – частоту среза, которая определяется как значение частоты сигнала, на котором амплитуда выходного сигнала уменьшается (затухает) до значения 0,7 от входного сигнала. Чтобы было понятнее, изображу это на рисунке.

То, что изображено, называется амплитудно-частотной характеристикой, или сокращённо — АЧХ. Для фильтра высоких частот соответствует АЧХ фиолетового цвета, и частота среза равная значению f2.

Зная, как рассчитывается делитель напряжения и реактивное сопротивление конденсатора на определённой частоте, Вы элементарно можете рассчитать простейший г-образный фильтр высокой частоты на конденсаторе и резисторе.

Временные графики, показанные на первом рисунке абсолютно справедливы для интегрирующей цепочки. Отличие заключается в том, что выходным элементом является не резистор, а конденсатор.

Поэтому, на выходе интегрирующей цепи будут не остроконечные дифференцированные импульсы (зелёного цвета), а импульсы напряжения, которое присутствует на выводах конденсатора (фиолетового цвета).

Ну а если дифференцирующая цепочка – это фильтр высоких частот, то интегрирующая цепочка – это фильтр низких частот (ФНЧ). И рассчитывается он так же, через делитель напряжения. Для фильтра низких частот соответствует АЧХ на рисунке — оранжевого цвета, и частота среза равная значению f1.

Cледует добавить, частотные фильтры, выполненные на конденсаторах и резисторах имеют пологую амплитудно-частотную характеристику. Другими словами у таких фильтров слабо выражен частотный срез. Более качественный срез имеют фильтры состоящие из конденсаторов и катушек индуктивности (дросселей), но об этом позже, когда изучим катушку индуктивности.

Емкость конденсатора

Как мы уже видели, изолированный проводник может накапливать электрический заряд. Однако на практике мы используем устройства, называемые конденсаторами, для хранения нагрузки.

 Конденсатор представляет собой систему из двух произвольно изолированных проводников, зарядка конденсатора состоит не в отдельной зарядке каждого из проводников, а в переносе заряда (одинакового на обоих проводниках, но с противоположными знаками) от одного проводника к другому.

Мы определяем электрическую емкость C конденсатора точно так же, как емкость изолированного проводника.

 Как будет видно далее, емкость такого конденсатора пропорциональна размеру поверхности пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, конденсатор большой емкости имеет большие поверхностные панели, которые расположены как можно ближе друг к другу.

 Простейшим таким конденсатором является плоский конденсатор, схематически показанный на рисунке ниже.

Пример двух конденсаторов, соединенных вместе, как показано на рисунке ниже (параллельно), может служить иллюстрацией постоянства заряда на крышках конденсаторов, не подключенных к источнику напряжения. Первоначально система нагрузки , которая охватывает один конденсатор заряда Q1 и на крышке второго заряда Q2.

Потенциал, на котором расположены верхние крышки, одинаков для обоих (крышки связаны с лампочкой). Когда мы начнем изменять расстояния между крышками одного из конденсаторов, то мы изменим его емкость — чем меньше зазор между крышками, тем больше емкость конденсатора.

 Поскольку общий заряд обоих конденсаторов неизменен, это изменение емкости вызовет перенос заряда между конденсаторами. Если конденсаторы заряжены достаточно большим зарядом, лампочка может светиться во время потока между крышками, образующими верхнюю пару.

 Энергия, необходимая для освещения лампы, исходит от работы, которую мы выполняем при перемещении крышки (верхняя и нижняя крышки заряжены противоположными знаками и поэтому притягиваются).

Схемы соединения конденсаторов

Существует множество различных схем соединения конденсаторов: последовательное подключение, параллельное, мостовое. И меняется абсолютно все показатели (Емкость, разность потенциалов, общая нагрузка) при различных видах подключения

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов, как показано на рисунке ниже, значения зарядов на всех крышках всех конденсаторов одинаковы.

Разность потенциала в последовательной цепи конденсаторов равно сумме разностей потенциалов на отдельных конденсаторах:

Следовательно, совокупная емкость С последовательной системы определяется по формуле

Параллельное соединение конденсаторов

В параллельном соединении конденсаторов

общая нагрузка Q, накопленная в системе, равна сумме зарядов на крышках всех конденсаторов.

Уменьшение потенциала одинаково на каждом из конденсаторов и, следовательно,

Следовательно, общая емкость C параллельной системы равна сумме емкостей всех конденсаторов.

Мостовое соединение конденсаторов

Последовательные и параллельные соединения не исчерпывают всех возможных конфигураций, которые могут быть получены при подключении конденсаторов. Мы сможем описать все возможные конфигурации только после завершения предыдущих соединений с мостовым соединением, схема которых показана на левом рисунке ниже.

Мы не можем напрямую заменить мостовые комбинации любой комбинацией последовательных и параллельных соединений. Чтобы рассчитать запасную емкость системы моста, используйте изменение треугольника конденсатора на эквивалентную звезду, как показано на среднем и правом рисунках выше.

Емкости между точками 1-2, 2-3 и 3-1, которые мы обозначаем как C 12, C23 и C31, должны быть одинаковыми в обеих конфигурациях. На основе значений емкости C1, C2 и C3 рассчитывают Cx, Cy и Cz. Условия равной емкости в обеих конфигурациях, для треугольника и для звезды, запишем как

После замены треугольника на звезду мостовое соединение исчезает, и на его месте мы получаем простую и удобную для вычисления комбинацию последовательных и параллельных конденсаторов.

Использование закона Гаусса для расчета емкости конденсаторов

Имея емкость конденсатора с заданной геометрией для расчета, мы используем следующую схему:

Мы исходим из определения емкости конденсатора. Вставьте разность потенциалов Vab в формулу, определяющую эту емкость. Нагрузка Q уменьшается.

но нам не хватает разности потенциалов Vab, которую мы находим из соотношения между полями E и V,

3. Однако сначала мы должны знать E, и для этого мы будем использовать универсальный инструмент, который является законом Гаусса:

Примеры закона Гаусса для расчета емкости конденсаторов

Закон Гаусса выполняется для каждой замкнутой поверхности А. Однако такую ​​поверхность следует выбирать так, чтобы интегрирование было как можно более простым.

 В примерах, представленных ниже, форма предложенной поверхности Гаусса для обсуждаемых случаев обозначена контуром, нарисованным пунктирной кривой.

 Расчеты выполнены в соответствии с представленной схемой и не содержат дополнительных пояснений. ε0 — электрическая проницаемость вакуума.

Плоский конденсатор

Отсюда мы получаем емкость для плоского конденсатора

Цилиндрический конденсатор

Отсюда мы получаем емкость для цилиндрического конденсатора:

Сферический конденсатор

Отсюда мы получаем емкость для сферического конденсатора:

Цель представленных примеров — показать, как схема расчета работает на практике. Вы должны помнить только образец для емкости плоского конденсатора, который часто будет использоваться в дальнейшем вашем обучении.

Энергия заряженного конденсатора

Энергия заряженного конденсатора U равна той работе, которую мы будем выполнять при зарядке. Вся энергия U содержится в электрическом поле между крышками конденсатора.

При зарядке конденсатора разность потенциалов между его крышками V (q) зависит от заряда q, который в настоящее время находится на крышках. Работа по переносу между крышками дополнительной нагрузки составляет

Энергия поля в конденсаторе, полностью заряженном зарядом Q, становится

или

Плотность энергии электрического поля

Плотность энергии электрического поля u будет рассчитываться путем деления энергии U на объем, занимаемый полем. Используя простую геометрию плоского конденсатора с площадью крышки A и расстояние между крышками d, мы находим значение u, действительное для поля E любой геометрии:

Источник: https://meanders.ru/kondensator.shtml