Как вам известно, вокруг заряженных тел существует электрическое поле, которое обладает энергией.
А можно ли накапливать заряды и энергию электрического поля? Устройством, позволяющим накапливать заряды, является конденсатор (от лат. condensare - сгущение). Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых металлических пластин - обкладок, находящихся на небольшом расстоянии друг от друга и разделённых слоем диэлектрика, например воздуха (рис. 83). Толщина диэлектрика в сравнении с размерами обкладок небольшая.
Рис. 83. Простейший конденсатор и его обозначение на схеме
Продемонстрируем на опыте способность конденсатора накапливать заряды. Для этого две металлические пластины подключим к разным полюсам электрофорной машины (рис. 84). Пластины получат одинаковые по модулю, но разные по знаку заряды. Возникнет электрическое поле. Электрическое поле конденсатора практически сосредоточено между пластинами внутри конденсатора.
Рис. 84. Зарядка конденсатора от электро-форной машины
После отключения электрофорной машины заряды на пластинах и электрическое поле между ними сохранятся.
Если обкладки заряженного конденсатора соединить проводником, то по проводнику некоторое время будет проходить ток. Значит, заряженный конденсатор является источником тока.
В зависимости от диэлектрика конденсаторы бывают нескольких типов: с твёрдым, жидким и газообразным диэлектриком. Их различают и по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и др. (рис. 85).
Рис. 85. Различные типы конденсаторов
Свойство конденсатора накапливать электрические заряды характеризуется электроёмкостью , или ёмкостью. Для того чтобы понять, от чего зависит эта физическая величина, обратимся к опыту.
Две металлические пластины, укреплённые на изолирующих подставках параллельно друг другу, соединим с электрометром. Одну из пластин соединим со стержнем электрометра, другую заземлим, соединив с корпусом прибора (рис. 86, а). Наэлектризованным шаром коснёмся внешней стороны пластины А, тем самым сообщив ей положительный заряд +q. Под действием электрического поля пластины А в пластине В произойдёт перераспределение зарядов: отрицательные заряды расположатся на внутренней стороне пластины. С земли придут свободные электроны, чтобы нейтрализовать положительные заряды на внешней стороне пластины В. Таким образом, на пластине В возникнет равный по величине отрицательный заряд -q.
Рис. 86. Зависимость ёмкости конденсатора от площади, расстояния между пластинами, диэлектрика между пластинами
Стрелка электрометра отклонится от нулевого положения. С помощью одинаково заряженных шаров продолжим передавать конденсатору заряды последовательно равными порциями. Мы заметим, что при увеличении заряда в 2, 3, 4 раза соответственно в 2, 3, 4 раза увеличатся показания электрометра, т. е. увеличится напряжение между пластинами конденсатора. Причём отношение заряда к напряжению будет оставаться постоянным:
Величина, измеряемая отношением заряда одной из пластин конденсатора к напряжению между пластинами, называется электроёмкостью конденсатора .
Электроёмкость конденсатора вычисляется по формуле:
За единицу ёмкости в СИ принимается фарад (Ф), название дано в честь английского физика Майкла Фарадея. Электроёмкость конденсатора равна единице, если при сообщении ему заряда 1 Кл возникает напряжение 1В.
1 Ф - это очень большая ёмкость, поэтому на практике используют микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).
1 мкФ = 10 -6 Ф; 1 пФ = 10 -12 Ф.
Выясним, от чего зависит ёмкость кондесатора. Для этого возьмём конденсатор с пластинами, имеющими большую площадь (рис. 86, б). Повторим опыт. Отношение заряда к напряжению и в этом случае остаётся постоянным
но отношение заряда к напряжению теперь больше, чем в первом опыте, т. е. С1 > С. Чем больше площадь пластин, тем больше ёмкость конденсатора .
Ещё раз проделаем первый опыт, но теперь изменим расстояние между пластинами (рис. 86, в). С уменьшением расстояния между пластинами уменьшается напряжение между ними. При уменьшении расстояния между пластинами конденсатора при неизменном заряде ёмкость конденсатора увеличивается .
Проделаем ещё один опыт. Установим пластины конденсатора А и В на некотором расстоянии друг от друга. Пластину А зарядим. Заметим показания электрометра, когда между пластинами находится воздух. Разместим между пластинами лист из оргстекла или другой диэлектрик (рис. 86, г). Мы заметим, что напряжение между пластинами уменьшится. Следовательно, ёмкость конденсатора зависит от свойств внесённого диэлектрика.
При внесении диэлектрика ёмкость конденсатора увеличивается .
Конденсатор, как и любое заряженное тело, обладает энергией. Проверим это на опыте. Зарядим конденсатор и подсоединим к нему электрическую лампочку. Лампочка ярко вспыхнет. Это свидетельствует о том, что заряженный конденсатор обладает энергией. Энергия конденсатора превращается во внутреннюю энергию нити накаливания лампы и проводов. Для того чтобы зарядить конденсатор, нужно было совершить работу по разделению положительных и отрицательных зарядов. В соответствии с законом сохранения энергии, совершённая работа А равна энергии конденсатора Е, т. е.
где Е - энергия конденсатора.
Работу, которую совершает электрическое поле конденсатора, можно найти по формуле:
где Uср - это среднее значение напряжения.
Поскольку в процессе разрядки напряжение не остаётся постоянным, необходимо найти среднее значение напряжения:
Uср = U/2; тогда А = qU ср = qU/2,
так как q = CU, то А = CU 2 /2.
Значит, энергия конденсатора ёмкостью С будет равна:
Конденсаторы могут длительное время накапливать энергию, а при разрядке они отдают её почти мгновенно. Свойство конденсатора накапливать и быстро отдавать электрическую энергию широко используется в электротехнических и электронных устройствах, в медицинской технике (рентгеновская техника, устройства электротерапии), при изготовлении дозиметров, аэрофотосъёмке.
Вопросы
- Для чего служат конденсаторы?
- Что характеризует электроёмкость конденсатора?
- Что принято за единицу электроёмкости в СИ?
- От чего зависит электроёмкость конденсатора?
Упражнение 38
- Пластины плоского конденсатора подсоединяют к источнику напряжения в 220 В. Ёмкость конденсатора равна 1,5 10 -4 мкФ. Чему будет равен заряд конденсатора?
- Заряд плоского конденсатора равен 2,7 10 -2 Кл, его ёмкость 0,01 мкФ. Найдите напряжение между обкладками конденсатора.
Задание
- Используя Интернет, найдите, как был устроен первый конденсатор - лейденская банка. Изготовьте её.
- Подготовьте выступление об истории создания конденсатора.
1. 250В. 2. 55В. 3. 10В. 4. 45В.
Вопрос2.
Как называют разряд, возникающий в газовой трубке при низких давлениях?
1. Дуговой. 2. Тлеющий. 3. Искровой. 4. Коронный. 5. Плазма.
Вопрос3.
Как называется процесс испускания электронов нагретым металлическим катодом?
1. Электролиз. 2. Электролитическая диссоциация.
3. Термоэлектронная эмиссия. 4. Ударная ионизация.
Вопрос 4.
Чему равна ЭДС индукции в проводнике длиной 2 м, движущемся в магнитном поле с
В = 10 Тл со скоростью 5 м/с вдоль линий магнитной индукции.
1. 0В. 2. 10 В. 3. 50 В. 4. 100 В.
Вопрос 6.
Определить индуктивность катушки, если при прохождении по ней электрического тока силой 5 А, около катушки возникает магнитный поток 100 Вб.
1. 4 Гн. 2. 5 Гн. 3. 20 Гн. 4. 100 Гн.
Вопрос 7.
Чему равна энергия магнитного поля катушки с L = 200 мГн при силе тока в ней равной 5А?
1. 0,025 Дж. 2. 0,25 Дж. 3. 2,5 Дж. 4. 25 Дж.
Вопрос 9.
При вращении рамки в магнитном поле на ее концах возникает ЭДС, изменяющаяся со временем по закону: е = 10 sin 8 t. Чему равно максимальное значение ЭДС,если все величины в уравнении даны в системе СИ?
1. 4 В. 2. 5 В. 3. 8 В. 4. 10 В.
Вопрос 10.
Действующее значение напряжения на участке цепи переменного тока равно 100 В. Чему примерно равно амплитудное значение напряжения на этой участке?
1. 100 В. 2. Примерно 142 В. 3. 200 В. 4. Примерно 284 В.
Вопрос 11.
Колебательный контур подключен к: источнику переменного тока. При каком условии возникает резонанс в этом колебательном контуре?
1. Если частота источника переменного тока меньше частоты собственных
2. Если частота источника переменного тока равна частоте собственных колебаний
колебательного контура.
3. Если частота источника переменного тока больше частоты собственных
колебаний колебательного контура.
Вопрос 12.
На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?
1. На создании магнитного поля движущимися электрическими зарядами.
2. На создании электрического поля движущимися электрическими зарядами.
3. На явлении электромагнитной индукции.
Вопрос 13.
Куда будут направлены линии напряженности вихревого электрического поля при увеличении магнитного поля?
Вопрос 14.
Передающий и приемный вибраторы Герца расположены взаимно перпендикулярно. Возникнут ли колебания в приемном вибраторе?
1.Да, очень сильные. 2. Да, но слабые. 3. Не возникнут.
Вопрос 15.
Какое устройство в приемнике А. С. Попова служит чувствительным индикатором электромагнитных волн?
1. Антенна. 2. Когерер. 3. Электромагнит.
4. Заземление. 5. Катушка. 6. Батарея питания.
Вопрос 16.
Почему воздушный зазор между якорем и индуктором генератора стремятся сделать как можно меньшим?
1. Чтобы уменьшить размеры генератора.
2. Чтобы увеличить рассеяние магнитного поля.
3. Чтобы уменьшить рассеяние магнитного поля.
Вопрос 17.
Какое из перечисленных излучений имеет самую низкую частоту?
1. Ультрафиолетовые лучи. 2. Инфракрасные лучи.
3. Видимый свет. 4. Радиоволны.
Вопрос 19.
Детекторный радиоприемник принимает сигналы от радиостанции, работающей на волне
30 м. Какова частота колебаний в колебательном контуре радиоприемника?
1.10^ -7 Гц. 2.10^7 Гц. 3. 9*10^9 Гц.
Вопрос 20.
Какие радиоволны дают самую надежную радиосвязь при достаточной мощности передающей радиостанции?
1. Длинные волны. 2. Средние волны. 3.Короткие волны. 4. Ультракороткие волны.
1. Через проводник за 10 минут про протекает заряд 3000 Кл электричества. Определите силу тока в проводнике.2. Определите силу тока в цепи, включенной под напряжение 127 В, если сопротивление цепи 24 Ом.
3. Начертите схему электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных источника тока, лампы накаливания, двух резисторов и ключа. Как включить в эту цепь вольтметр, чтобы измерить напряжение на лампе?
4. Определите напряжение на концах проводника, удельное сопротивление которого 0,1 Ом*мм2(в квадрате)/м, если его длинна 3м, поперечное сечение 0,05 мм2 (в квадрате), а сила тока в нём 0,5 А. В
помогите пожалуйста1. скоростной лифт весом 15,7 кН поднимается со скоростью 1 м/с. какую мощность потребляет электрический двигатель, приводящий в движение лифт? определите силу тока, если напряжение в сети 220 В , а к.п.д. двигателя 92 ?
2. на картинках.
3.какое количество теплоты выделит нагреватель,работающий под напряжением 120 В , если его элемент выполнен из никелина длиной 50 м и сечением 0,6 мм^2 за 20 мин работы?
4.электродвигатель с механической мощностью 3,3 кВт и к.п.д. 85% работает от сети с напряжением 220 В. определите силу тока и сопротивление?
Одними из наиболее часто используемых электронных компонентов являются конденсаторы . И в этой статье нам предстоит разобраться, из чего они состоят, как работают и для чего применяются 🙂
Давайте, в первую очередь, рассмотрим устройство конденсаторов , а затем уже плавно перейдем к их основным видам и характеристикам, а также к процессам зарядки/разрядки. Как видите, нам сегодня предстоит изучить много интересных моментов 😉
Итак, простейший конденсатор представляет из себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу и разделенные слоем диэлектрика. Причем расстояние между пластинами должно быть намного меньше, чем, собственно, размеры пластин:
Такое устройство называется плоским конденсатором , а пластины – обкладками конденсатора . Стоит уточнить, что здесь мы рассматриваем уже заряженный конденсатор (сам процесс зарядки мы изучим чуть позже), то есть на обкладках сосредоточен определенный заряд. Причем наибольший интерес представляет тот случай, когда заряды пластин конденсатора одинаковы по модулю и противоположны по знаку (как на рисунке).
А поскольку на обкладках сосредоточен заряд, между ними возникает электрическое поле, изображенное стрелками на нашей схеме. Поле плоского конденсатора, в основном, сосредоточено между пластинами, однако, в окружающем пространстве также возникает электрическое поле, которое называют полем рассеяния. Очень часто его влиянием в задачах пренебрегают, но забывать о нем не стоит 🙂
Для определения величины этого поля рассмотрим еще одно схематическое изображение плоского конденсатора:
Каждая из обкладок конденсатора в отдельности создает электрическое поле:
Выражение для напряженности поля равномерно заряженной пластины выглядит следующим образом:
Здесь – это поверхностная плотность заряда: . А – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора. Поскольку площадь пластин конденсатора у нас одинаковая, как и величина заряда, то и модули напряженности электрического поля, равны между собой:
Но направления векторов разные – внутри конденсатора вектора направлены в одну сторону, а вне – в противоположные. Таким образом, внутри обкладок результирующее поле определяется следующим образом:
А какая же будет величина напряженности вне конденсатора? А все просто – слева и справа от обкладок поля пластин компенсируют друг друга и результирующая напряженность равна 0 🙂
Процессы зарядки и разрядки конденсаторов.
С устройством мы разобрались, теперь разберемся, что произойдет, если подключить к конденсатору источник постоянного тока. На принципиальных электрических схемах конденсатор обозначают следующим образом:
Итак, мы подключили обкладки конденсатора к полюсам источника постоянного тока. Что же будет происходить?
Свободные электроны с первой обкладки конденсатора устремятся к положительному полюсу источника, в связи с чем на обкладке возникнет недостаток отрицательно заряженных частиц и она станет положительно заряженной. В то же время электроны с отрицательного полюса источника тока переместятся ко второй обкладке конденсатора, в результате чего на ней возникнет избыток электронов, соответственно, обкладка станет отрицательно заряженной. Таким образом, на обкладках конденсатора образуются заряды разного знака (как раз этот случай мы и рассматривали в первой части статьи), что приводит к появлению электрического поля, которое создаст между пластинами конденсатора определенную . Процесс зарядки будет продолжаться до тех пор, пока эта разность потенциалов не станет равна напряжению источника тока, после этого процесс зарядки закончится, и перемещение электронов по цепи прекратится.
При отключении от источника конденсатор может на протяжении длительного времени сохранять накопленные заряды. Соответственно, заряженный конденсатор является источником электрической энергии, это означает, что он может отдавать энергию во внешнюю цепь. Давайте создадим простейшую цепь, просто соединив обкладки конденсатора друг с другом:
В данном случае по цепи начнет протекать ток разряда конденсатора
, а электроны начнут перемещаться с отрицательно заряженной обкладки к положительной. В результате напряжение на конденсаторе (разность потенциалов между обкладками) начнет уменьшаться. Этот процесс завершится в тот момент, когда заряды пластин конденсаторов станут равны друг другу, соответственно электрическое поле между обкладками пропадет и по цепи перестанет протекать ток. Вот так и происходит разряд конденсатора, в результате которого он отдает во внешнюю цепь всю накопленную энергию.
Как видите, здесь нет ничего сложного 🙂
Емкость и энергия конденсатора.
Важнейшей характеристикой является электрическая емкость конденсатора – физическая величина, которая определяется как отношение заряда конденсатора одного из проводников к разности потенциалов между проводниками:
Емкость изменяется в Фарадах, но величина 1 Ф является довольно большой, поэтому чаще всего емкость конденсаторов измерятся в микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ).
А поскольку мы уже вывели формулу для расчета напряженности, то давайте выразим напряжение на конденсаторе следующим образом:
Здесь у нас – это расстояние между пластинами конденсатора, а – заряд конденсатора. Подставим эту формулу в выражение для емкости конденсатора:
Если в качестве диэлектрика у нас выступает воздух, то во всех формулах можно подставить
Для запасенной энергии конденсатора справедливы следующие выражения:
Помимо емкости конденсаторы характеризуются еще одним параметром, а именно величиной напряжения, которое может выдержать его диэлектрик. При слишком больших значениях напряжения электроны диэлектрика отрываются от атомов, и диэлектрик начинает проводить ток. Это явление называется пробоем конденсатора, и в результате обкладки оказываются замкнутыми друг с другом. Собственно, характеристикой, которая часто используется при работе с конденсаторами является не напряжение пробоя, а рабочее напряжение – то есть величина напряжения, при которой конденсатор может работать неограниченно долгое время, и пробоя не произойдет.
В общем, мы рассмотрели сегодня основные свойства конденсаторов, их устройство и характеристики, так что на этом заканчиваем статью, а в следующей мы будем обсуждать различные варианты соединений конденсаторов, так что заходите на наш сайт снова!
