Електроємність. Енергія електричного поля

Електроємність. Електроємність плоского конденсатора

Електроємність відокремленого провідника (С) – фізична величина, яка характеризує здатність провідника накопичувати заряд і дорівнює відношенню електричного заряду qвідокремленого провідника до його потенціалу φ.

Одиниця електроємності в СІ – фарад: [С] = 1 Ф.

Пристрій, що являє собою систему з двох провідних обкладок, розділених шаром діелектрика, товщина якого є малою порівняно з розмірами обкладок, називають конденсатором.

Електроємність конденсатора – скалярна фізична величина, яка характеризує здатність конденсатора накопичувати заряд і дорівнює відношенню значення заряду однієї з обкладок конденсатора до різниці потенціалів між цією обкладкою і сусідньою.

а - зовнішній вигляд конденсатора; б - схематичне зображення; в - умовне позначення.

Електроємність конденсатора визначається за формулами

де q – заряд даного конденсатора, U – напруга між обкладками, яка в даному випадку дорівнює різниці потенціалів між ними.

Конденсатор, який складається з двох паралельних металевих пластин (обкладок), розділених шаром діелектрика, називають плоским. Електроємність плоского конденсатора обчислюють за формулою

де ε0 = 8,85 ·10-12 Ф/м – електрична стала; ε – діелектрична проникність діелектрика; S – площа пластини конденсатора; d – відстань між пластинами.

Конденсатор

За формою обкладок конденсатори бувають: плоскі, циліндричні, сферичні, рулонні та інші

Плоский конденсатор

Циліндричний конденсатор

Сферичний конденсатор

Сфера

Демонстрація найпростішого конденсатора в вигляді паралельних пластин. Діелектриком між пластинами може бути повітря, рідина, або твердий матеріал (діелектрик).

Приклади маркування конденсаторів

Вакуумний конденсатор сталої ємності (12 пФ, 20 кВ)

Керамічний конденсатор сталої ємності

Конденсатор поверхневого монтажу (SMD) на платі, макрофотографія

Оксидно-електролітичний конденсатор

Керамічний конденсатор підналаштування

Сучасні електролітичні конденсатори. Завдяки частковим надрізам на верхніх кришках електролітичних конденсаторів в більшості випадків вдається уникнути вибуху при виході конденсатора з ладу.

З’єднання конденсаторів

У багатьох випадках, щоб створити потрібну електроємність, конденсатори з'єднують у групу, яка називається батареєю.

Послідовним називають таке з'єднання конденсаторів, за якого негативно заряджена обкладка попереднього конденсатора з'єднана з позитивно зарядженою обкладкою наступного. У разі послідовного з'єднання на всіх обкладках конденсаторів будуть однакові за модулем заряди, відповідно однаковими будуть і потенціали обкладок, з'єднаних між собою провідниками.

Для послідовного з'єднання електроємність батареї менша від найменшої з електроємностей окремих конденсаторів.

Паралельним називається з'єднання конденсаторів, за якого всі позитивно заряджені обкладки приєднані до одного провідника, а негативно заряджені — до іншого. У цьому разі напруги на всіх конденсаторах однакові й дорівнюють U, а заряд на батареї дорівнює сумі зарядів на окремих конденсаторах, qб= q1 + q2 + ... + qn, звідки CбU = C1U + C2U + ... + CnU. Після скорочення отримуємо формулу для обчислення електроємності батареї паралельно з'єднаних конденсаторів, Сб = C1 + C2 + ... + Cn. Для паралельного з'єднання електроємність батареї більша, ніж найбільша з електроємностей окремих конденсаторів.

Послідовне і паралельне з’єднання конденсаторів

Енергія електричного поля

Енергія Wp зарядженого до напруги U конденсатора, який має електроємність С і заряд q, дорівнює

Використання конденсаторів у техніці

Конденсаторам знаходиться використання практично у всіх галузях електротехніки.

Конденсатори використовуються як фільтри при перетворенні змінного струму на постійний.

При з'єднанні конденсатора з котушкою індуктивності утворюється коливальний контур, який використовується у пристроях прийому-передачі.

За допомогою конденсаторів можна отримувати імпульси великої потужності, наприклад, у фотоспалахах.

Оскільки конденсатор здатний довгий час зберігати заряд, то його можна використовувати як елемент пам'яті. Цей принцип використовує динамічна оперативна пам'ять.

Завдання для самостійного дослідження

Лабораторія конденсаторів: Основи

Опис

Дізнайтеся, як працює конденсатор! Змініть розмір пластин і відстань між ними. Змініть напругу і подивіться на плати. Перегляньте електричне поле та вимірюйте напругу. Підключіть заряджений конденсатор до лампи та спостерігайте за розрядженням контуру RC.

Навчальні цілі

  • Поясніть співвідношення між напругою, зарядом, енергією, що зберігається, та ємністю.

  • Передбачте, як змінюється ємність, коли змінюється площа пластини або відстань між пластинами.

  • Опишіть, як заряд проходить з конденсатора в лампочку