Конденсатор

Як вам відомо, навколо заряджених тіл існує електричне поле, яке володіє енергією.

А чи можна накопичувати заряди і енергію електричного поля? Пристроєм, що дозволяє накопичувати заряди, є конденсатор (від лат. Condensare – згущення). Найпростіший плоский конденсатор складається з двох однакових металевих пластин – обкладок, що знаходяться на невеликій відстані один від одного і розділених шаром діелектрика, наприклад повітря (рис. 83). Товщина діелектрика в порівнянні з розмірами обкладок невелика.

Продемонструємо на досвіді здатність конденсатора накопичувати заряди. Для цього дві металеві пластини підключимо до різних полюсів електрофорної машини (рис. 84). Пластини отримають однакові по модулю, але різні за знаком заряди. Виникне електричне поле. Електричне поле конденсатора практично зосереджено між пластинами всередині конденсатора.

Після відключення електрофорної машини заряди на пластинах і електричне поле між ними збережуться.

Якщо обкладки зарядженого конденсатора з’єднати провідником, то по провіднику деякий час буде проходити струм. Значить, заряджений конденсатор є джерелом струму.

Залежно від діелектрика конденсатори бувають декількох типів: з твердим, рідким і газоподібним діелектриком. Їх розрізняють і за формою обкладок: плоскі, циліндричні, сферичні та ін. (Рис. 85).

Властивість конденсатора накопичувати електричні заряди характеризується електроємних, або ємністю. Для того щоб зрозуміти, від чого залежить ця фізична величина, звернемося до досвіду.

Дві металеві пластини, укріплені на ізолюючих підставках паралельно один одному, з’єднаємо з електрометром. Одну з пластин з’єднаємо зі стрижнем електрометрії, іншу заземлені, з’єднавши з корпусом приладу (рис. 86, а). Наелектризованим кулею торкнемося зовнішнього боку пластини А, тим самим повідомивши їй позитивний заряд + q. Під дією електричного поля пластини А в пластині В станеться перерозподіл зарядів: негативні заряди розташуються на внутрішній стороні пластини. Із землі прийдуть вільні електрони, щоб нейтралізувати позитивні заряди на зовнішній стороні пластини В. Таким чином, на пластині В виникне рівний по величині негативний заряд -q.

Стрілка електрометра відхилиться від нульового положення. За допомогою однаково заряджених куль продовжимо передавати конденсатору заряди послідовно рівними порціями. Ми помітимо, що при збільшенні заряду в 2, 3, 4 рази відповідно в 2, 3, 4 рази збільшаться показання електрометрії, т. Е. Збільшиться напруга між пластинами конденсатора. Причому відношення заряду до напруги залишатиметься постійним:

Величина, вимірювана відношенням заряду однієї з пластин конденсатора до напруги між пластинами, називається Електроємність конденсатора.

Електроємність конденсатора обчислюється за формулою:

C = q / U

За одиницю ємності в СІ приймається фарад (Ф), назву дано на честь англійського фізика Майкла Фарадея. Електроємність конденсатора дорівнює одиниці, якщо при повідомленні йому заряду 1 Кл виникає напруга 1В.

1 Ф – це дуже велика ємність, тому на практиці використовують микрофарад (мкФ) і пикофарад (пФ).

1 мкФ = 10-6 Ф; 1 пФ = 10-12 Ф.

З’ясуємо, від чого залежить ємність кондесатора. Для цього візьмемо конденсатор з пластинами, що мають велику площу (рис. 86, б). Повторимо досвід. Відношення заряду до напруги і в цьому випадку залишається постійним

але відношення заряду до напруги тепер більше, ніж у першому досвіді, т. е. С1> С. Чим більше площа пластин, тим більше ємність конденсатора.

Ще раз виконаємо перший досвід, але тепер змінимо відстань між пластинами (рис. 86, в). Зі зменшенням відстані між пластинами зменшується напруга між ними. При зменшенні відстані між пластинами конденсатора при незмінному заряді ємність конденсатора збільшується.

Проробимо ще один досвід. Встановимо пластини конденсатора А і В на деякій відстані один від одного. Пластину А зарядимо. Зауважимо показання електрометрії, коли між пластинами знаходиться повітря. Розмістимо між пластинами лист з оргскла або інший діелектрик (рис. 86, г). Ми помітимо, що напруга між пластинами зменшиться. Отже, ємність конденсатора залежить від властивостей внесеного діелектрика.

При внесенні діелектрика ємність конденсатора збільшується.

Конденсатор, як і будь-яке заряджене тіло, володіє енергією. Перевіримо це на досвіді. Зарядимо конденсатор і подсоединим до нього електричну лампочку. Лампочка яскраво спалахне. Це свідчить про те, що заряджений конденсатор має енергію. Енергія конденсатора перетворюється у внутрішню енергію нитки розжарювання лампи і проводів. Для того щоб зарядити конденсатор, потрібно було зробити роботу з розділення позитивних і негативних зарядів. Відповідно до закону збереження енергії, вчинена робота А дорівнює енергії конденсатора Е, т. Е.

А = Е,

де Е – енергія конденсатора.

Роботу, яку здійснює електричне поле конденсатора, можна знайти за формулою:

А = qUcp,

де Uср – це середнє значення напруги.

Оскільки в процесі розрядки напруження не залишається постійним, необхідно знайти середнє значення напруги:

Uср = U / 2; тоді А = qUср = qU / 2,
так як q = CU, то А = CU2 / 2.

Значить, енергія конденсатора ємністю С дорівнюватиме:

W = CU2 / 2

Конденсатори можуть тривалий час накопичувати енергію, а при розрядці вони віддають її майже миттєво. Властивість конденсатора накопичувати і швидко віддавати електричну енергію широко використовується в електротехнічних і електронних пристроях, в медичній техніці (рентгенівська техніка, пристрої електротерапії), при виготовленні дозиметрів, аерофотозніманні.

питання

Для чого служать конденсатори?
Що характеризує електроємність конденсатора?
Що прийнято за одиницю електроємності в СІ?
Від чого залежить електроємність конденсатора?
Вправа 38

Пластини плоского конденсатора під’єднують до джерела напруги в 220 В. Ємність конденсатора дорівнює 1,5 • 10-4 мкФ. Чому буде дорівнює заряд конденсатора?
Заряд плоского конденсатора дорівнює 2,7 • 10-2 Кл, його ємність 0,01 мкФ. Знайдіть напругу між обкладинками конденсатора.
завдання

Використовуючи Інтернет, знайдіть, як був влаштований перший конденсатор – лейденська банку. Виготовте її.
Підготуйте виступ про історію створення конденсатора.

Посилання на основну публікацію