Определение электроёмкости. Электроёмкость плоского конденсатора, проводящего шара. Формулы

Для заряженного тела или заряженной системы вводят параметр, характеризующий способность тела накапливать заряд, — электроёмкость. Стандартное обозначение — 

, единица измерения —  = Ф (Фарад). Электроёмкость численно равна отношению заряда тела/системы к потенциалу этого тела/системы. Для неизменной системы данный параметр является постоянным.

Формульно:

(1)

Рассчитаем в качестве примера электроёмкость шара радиуса 

.

Исходя из рассмотренного ранее потенциала шара:

(2)

Подставим (2) в (1):

(3)

Формула (3) представляет собой математический способ нахождения электроёмкости проводящего шара.

Ещё одной системой, в которой можно достаточно просто рассчитать электроёмкость, является плоский конденсатор. Для расчёта электроёмкости такой системы воспользуемся (1), знаниями о связи напряжённости электростатического поля и потенциала электростатического поля (4) и напряжённостью электростатического поля между двумя параллельными пластинами (5).

(4)

• где
  • — напряжённость электростатического поля,
  • — расстояние между взаимодействующими телами.

(5)

• где
  • — заряд пластины (обкладки конденсатора),
  • — площадь пластин конденсатора.

Тогда:

(6)

Выражение (6) является соотношением для поиска электроёмкости плоского конденсатора.

Вывод: Таким образом, задачи на поиск электроёмкости системы сводятся или к определению электроёмкости (1), или к рассмотрению конкретной системы: шар (3), плоский конденсатор (6).

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Электроёмкость конденсатора: формулы и история

Электроемкость конденсатора – физическая величина, характеризующая процесс заряда проводников, разделенных слоем диэлектрика. Используется многочисленными математическими расчетами, маркируется на корпусе изделия.

Формулы

Электроемкость конденсатора принято выражать через запасаемый заряд q при приложенном напряжении U подобным образом:

C = q/U.

Происхождение формулы – загадка. Известно только: из теоремы Гаусса по напряженности электрического поля найдем электроемкость конденсатора. Кто провел расчет, нигде не говорится. Физическая величина фарад изначально в системе СГС отсутствовала, в 1861 году ввела специальная комиссия, сформированная физиками.

По отдельным сведениям, впервые электроемкость конденсатора определил введший термины в обиход. Подразумеваем Алессандро Вольту. Поздние 70-е (XVIII века) ученый уделил исследованиям вопроса, установил: электроемкость можно выразить через накапливаемый заряд, приложенное к электродам напряжение.

Вдобавок удаётся часто встретить формулу электроемкости плоского конденсатора:

Авторы избегают судить, кто занимался расчетами выражения. Рассуждая логически, мало кого интересовала электроемкость плоского конденсатора до появления на свет изобретения Полака. Лейденские банки по-другому распределяют заряд. Рассуждения приводят к началу XX века. Возможно, вопросом занимались Тесла, Герц. С меньшей вероятностью – Попов.

Фамилии названы по критериям заинтересованности переменным током. Тесла изучал вопросы безопасности электричества, передачи на расстояние, конструировал двигатели. Герц и Попов исследовали антенны, заведомо настраиваются на некую длину волны, которую проще получить, применяя колебательный контур. Следовательно, ученые обязаны иметь представление об электроемкости конденсатора, катушках индуктивности.

Джеймс Максвелл, лорд Кельвин, Вильгельм Вебер много внимания уделяли совершенствованию единых систем измерения физических величин. Вероятно, кто-то приложил руку к исследованию конденсаторов. Ясно одно – в мировой истории естественных наук масса белых пятен, когда дело касается русскоязычных источников. Портал ВашТехник одним из первых начнёт публиковать новейшие исследования в области правильного понимания произошедших событий.

История

Нетерпеливым читателям докладываем: Алессандро Вольта ввел собственно термин емкости. Неизвестно точно, употреблял ли кто раньше, но в своей работе итальянский ученый, называя электрофорус конденсатором, одновременно применяет к нему термин емкости. Как сосуду, куда можно «налить» заряд из емкости. Конденсатором зовет за схожесть процесса с осаждением паров: понемногу наберем произвольное количество электричества. По большому счету, это верно.

Термин конденсатор

Исторически первым конденсатором считают лейденскую банку. Поныне ходят споры, кто изобрел прибор, поскольку оба ученых, увлеченных событиями, избегали ведения аккуратных записей. Бесспорно одно – электроемкость прибора измерить было нельзя, отсутствовало соответствующее понятие «электроемкость конденсатора».

Скрин печатного варианта трактата Вольты, 1782 год

Придумавший термин бессилен произнести слово раньше, нежели Алессандро Вольта в 1782 году, докладывая Королевскому Научному обществу изыскания в области электростатики, чтобы понять, откуда берется электричество. Известно, в течение следующих пяти лет Луиджи Гальвани откроет «животное электричество», приведшее Вольту прямиком к созданию первого элемента питания. Докладывая обществу, молодой ученый лишен упомянутых знаний, светило пытается понять, откуда появляется заряд. Рассуждает приблизительно так: «К настоящему времени немало свидетельств существования атмосферного электричества. Люди бессильны найти следы присутствия. Вероятно, означает: созданные электроскопы слишком слабы, неспособны уловить столь тонкую материю. Следовательно, требуется найти способ забрать из воздуха флюиды».

Выполняя сказанное, Алессандро Вольта предлагает приспособление, называемое электрофорусом (не путать с электрофорной машиной). Прибор захватывает флюиды атмосферного проводника (воздуха). Принцип служения Вольте напоминает процесс конденсации: собирает электричество.

Электрофорус

Запад электрофорус называет генератором емкостного типа. Указанное выше позволяет полагать: подобное определение прилепилось благодаря написанному Английскому Королевскому обществу Вольтой. Устройство придумано другим человеком – шведским физиком Джоном Кларком Вилке. Случилось двумя десятилетиями ранее – 1762 год.

Ныне считается, популярность прибору придал Вольта, называя любимца вечным генератором электричества. Тоже по сути правильно, тереть резину можно тысячелетиями. Больше «конденсатор» напоминает (см. рис.) здоровенную печать. Сверху, помимо основной центральной ручки, стоит боковая – снятия отрицательного потенциала. Видим три слоя:

1. Подложка необязательна, на нее наклеивается резина.
2. Тонкий слой резины служит телом электризации трением.
3. Сверху – тонкий лист металла, снабженный двумя рукоятками, одна (центральная) изолирована.

Внешний вид электрофоруса

Начав работы, нужно убрать «печать», натереть резину шерстью. Затем гладкий диск ставится обратно. Площадь соприкосновения с резиной невелика из-за присутствующих шероховатостей, положительный заряд приобретается нескоро. Нужно выждать. Оператор на короткий миг заземляет крышку боковой ручкой, снимая отрицательный заряд, снизу остается положительный. Прикасаясь одной рукой к металлу, можно слышать хорошо различимый треск. Резина после поднятия крышки несет избыток электронов, позволяющий повторить опыт несколько раз (верится с трудом, некоторые источники говорят о сотне повторений).

Разнимая тела, резким движением потянув изолирующую рукоятку, оператор получает статическое электричество. Изобретение революционное, примечательно, появилось в считанные годы после отмены закона охоты на ведьм. По заявлению Вольты, круг резины делается по возможности тонким, в пределах 50-й доли дюйма. Удается получить наилучший результат. Лист металла фактически становится пластиной. В противном случае долго придётся ждать наполнения объема проводника. В простонародье «конденсатор» называют резиновым пирогом. Пирогом, покрытым металлической начинкой.

Действительно ли электрофорус является неисчерпаемым источником энергии? В идеальных условиях, хотя верится с трудом. Отрицательный заряд резины поляризует металлическую пластину, создавая некий потенциал. Вытесненные на внешнюю поверхность электроны снимаются прикосновением заземлителя. Остается разнять составные части электрофоруса. Уничтожив положительный заряд прикосновением, услышав звук проскочившей искры, можно заново начинать опыт.

Электрофорус действительно напоминает конденсатор. После снятия лишнего отрицательного заряда превращается фактически в упомянутый прибор. Долго храниться конденсатор не может, поскольку электроны с резины понемногу будут стекать на металл. Устройство разрядится. Фактически резина, металл отделены друг от друга воздухом, служащим диэлектриком. Вместо резины используем различные полимеры, например, Тефлон.

Осталось заметить: во времена Вольты не знали методов избавления резины от статического заряда. «Обкладка» конденсатора могла долгое время хранить груз электронов. Вольта предлагает для разрядки поместить образец под солнечные лучи, либо поводить рядом горящей свечой. Через ионизированное пламя электроны покидают конденсатор. Сегодня понятно, достаточно вымыть резину, чтобы следов не осталось статического напряжения. Для работы потребуется вновь высушить.

Лейденская банка

Считается, что Феликс Савари обнаружил колебания резонансного контура. Разряжая лейденскую банку через витую нить меди, наблюдал беспорядочное снование стрелки компаса. 1826 год, когда Англия, Франция, Германия, частично Италия лихорадочно исследовали новое явление, привнесенное в научный мир Эрстедом.

Историю создания лейденской банки можно прочитать в соответствующем обзоре. Следует сказать, никто не пытался толком понять, какова электроемкость конденсатора. Не нужно по очевидным соображениям: лейденскую банку преимущественно использовали научные круги, решая специфические задачи. Опыт Феликса Савари надолго остался без внимания…

В 1842 году колебательным контуром, электроемкостью конденсатора занялся наш старый знакомый, сэр Джозеф Генри, изобретатель электромагнитного реле, любитель телеграфа. Изложил письменно после опробования заметок Савари практикой:

«Аномалия, остающаяся столь долго без объяснения, которая на первый взгляд представляется существующей наперекор нашей теории электричества и магнетизма, после тщательного изучения мною отнесена к доселе неизведанным явлениям. Разряд происходит странно (вразрез теории Франклина), ощущение, что, выходя из банки, флюид начинает странствовать взад-вперед. Увиденное принуждает признать: процесс начинается нормальным образом, затем происходит несколько смен направлений, каждый раз амплитуда становится меньше, пока движения затухнут вовсе. Судя по всему, феномен сегодня не может быть объяснен, физики встречались с ним (Савари), но оказались бессильны».

Очевидно, ученого совершенно не интересует электроемкость конденсатора – мысли поглощены аномалией, которую хотелось бы разведать. Пятью годами позже, ознакомившийся с отчетом Генри физик Гельмгольц на встрече Физического общества Берлина, говорит:

«Проводя электролиз, заметил необычные колебания. Такое ощущение, процесс колебаний продолжается, пока само vis viva не исчезнет навсегда, поглощенное суммарным сопротивлением цепи. Создается впечатление, по контуру текут два тока противоположных направлений, верх берет то один, то другой».

Конец спорам положил знаменитый Вильям Томсон, нареченный лорд Кельвин. Математически исследовав процесс, заявил: в цепи очевидно присутствуют две вещи: электроемкость конденсатора и индуктивность свернутой медной проволоки. Работа On Transient Electric Currents стала классической. Хотя лорд Томсон зовет индуктивность электродинамической емкостью, смысл формулы однозначный. Ученый первым заявил: энергия передается меж конденсатором и катушкой индуктивности, постепенно затухая на активном сопротивлении цепи.

Формула, приведенная на рисунке, дана в современных величинах, обозначения стандартные. С – электроемкость конденсатора, L – индуктивность катушки, q – величина заряда, I – ток цепи. Прочие символы относятся к операциям дифференцирования. Термин индуктивность введен намного позже – в 1886 году Оливером Хэвисайдом. Формула резонансной частоты, зависящей от электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, выведена Джеймсом Максвеллом в 1868 году.

Электроемкость конденсатора

Любой уединенный проводник может накапливать заряд qпропорционально своему потенциалу φ:.

С – это электроемкость проводника, численно равная величине заряда q, вызвавшей увеличение потенциала проводника φ на единицу.

Единица измерения в СИ: .

Электроемкость уединенного проводника изменяется в присутствии других проводников и диэлектриков. Устройства для накопления электрического заряда, неподверженное влиянию внешних тел, называют конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника (обкладки), разделенных диэлектриком, на которых могут накапливаться заряда разных знаков. Электроемкость конденсатора определяется по формуле:

и зависит только от параметров самого конденсатора – его формы, геометрических размеров и диэлектрической проницаемостидиэлектрика, находящегося между обкладками. Электроемкость плоского конденсатора:,

где ₀— электрическая постоянная вакуума,S- это площадь обкладок конденсатора,d- расстояние между обкладками.

Электроемкость шарового конденсатора радиуса R:

.

Электроемкость сферического конденсатора:

,

где R₁,R₂– радиусы внутренней и внешней обкладок.

Электроемкость цилиндрического конденсатора длиной l:

,

где R₁,R₂– радиусы внутренней и внешней обкладок.

При последовательном соединении конденсаторов (рис.3.3, а) заряд системы

, разность потенциалов, а общая емкость системы конденсаторов равна:.

При параллельном соединении конденсаторов (рис.3.3, б) заряд системы , разность потенциалов, а общая емкость системы конденсаторов равна:

.

Конденсатор накапливает между своими обкладками электрическую энергию

,

которая выделяется в проводнике при разрядке конденсатора.

Плотность энергии электрического поля напряженностью , созданного в среде с проницаемостью, равна:

.

Постоянный электрический ток

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц (от «+» к «-»).

Количественной характеристикой является сила тока I– это заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность в единицу времени

.

Единица измерения в СИ: .

Плотностью тока называется вектор , совпадающий с направлением электрического тока и численно равный отношению силы токаdIчерез малый элемент поверхности, расположенной нормально направлению тока, к площадиdS_nэтого элемента:.

Если направление и сила тока не меняются с течением времени, то ток называется постоянным. Для постоянного тока справедливо соотношение: .

Кулоновские силы взаимодействия между зарядами неспособны поддерживать ток в замкнутой цепи. Для этого необходимо наличие сил неэлектростатического происхождения (сторонние силы), которые поддерживают на концах проводника постоянную разность потенциалов, совершая работу над движущимися по цепи зарядами. Физическая величина, равная работе сторонних сил А

стнад единичным положительным зарядомq, называется электродвижущая сила (ЭДС):.

Единица измерения ЭДС с СИ:.

Величина, численно равная работе электростатических и сторонних сил, совершаемой при перемещении единичного положительного заряда на участке цепи 1-2, называется напряжением U

1,2на этом участке цепи ():

.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется однородным. Для него был установлен закон (закон Ома): сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению U:

,

где , аR- сопротивление участка. Величина сопротивления проводника зависит от свойств металла, формы и размеров проводника

,

где l— длина проводника,S– площадь поперечного сечения, ρ – удельное электрическое сопротивление. Единица измерения в СИ:.

Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры:

,

где ρ и ρ₀– удельные сопротивления при температуреt и 0ºС,- температурный коэффициент сопротивления.

Закон Ома для неоднородного участка цепи (на котором действуют сторонние силы):

.

Если цепь замкнута, то φ₁=φ₂, и.

При наличии в цепи нескольких проводников с разным сопротивлением R, общее сопротивление цепи рассчитывается с учетом их взаимного расположения.

При последовательном соединении проводников (рис.3.4, а) сила тока во всех проводниках одинакова , разность потенциалов, а общее сопротивление:.

При параллельном соединении проводников (рис. 3.4, б) сила тока в цепи будет находиться как сумма всех токов

, разность потенциалов на каждом проводнике будет одинакова, а общее сопротивление:

.

Работа, совершаемая силами электростатического поля и сторонними силами по перемещению заряда в проводнике, находится как:

.

Мощность тока: .

Мощность, выделяемая на однородном участке цепи: .

Ток короткого замыкания:.

Коэффициент полезного действия источника с сопротивлением r:

.

Количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении через него электрического тока, определяется по закону Джоуля — Ленца:

.

Электроемкость конденсатора: формулы и история

Электрический конденсатор является пассивным прибором, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрическим материалом. Приложение электрических потенциалов различного знака к проводящим пластинам приводит к приобретению ими заряда, который на одной пластине является положительным, а на другой отрицательным. При этом суммарный заряд равен нулю.

В данной статье рассмотрены вопросы истории и определение электроемкости конденсатора.

История изобретения

В октябре 1745 года немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст заметил, что электрический заряд может быть запасен, если соединить с помощью кабеля электростатический генератор и некоторый объем воды, находящийся в стеклянном сосуде. В этом эксперименте рука фон Клейста и вода являлись проводниками, а стеклянный сосуд — электрическим изолятором. После того как ученый коснулся металлической проволоки рукой, произошел мощный разряд, который был намного сильнее, чем разряд электростатического генератора. В результате фон Клейст сделал вывод о существовании запасенной электрической энергии.

В 1746 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел конденсатор, который назвал лейденской бутылкой в честь Лейденского университета, в котором работал ученый. Затем Даниэль Гралат увеличил электроемкость конденсатора, соединив несколько лейденских бутылок.

В 1749 году Бенджамин Франклин исследовал лейденский конденсатор и пришел к выводу, что электрический заряд запасается не в воде, как полагали до этого, а на границе воды и стекла. Благодаря открытию Франклина, лейденские бутылки стали изготавливать, покрывая внутреннюю и внешнюю поверхность стеклянных сосудов металлическими пластинами.

Развитие индустрии

Термин «конденсатор» ввел в употребление Алессандро Вольта в 1782 году. Изначально для изготовления изоляторов электрических конденсаторов использовали такие материалы, как стекло, фарфор, слюду и обычную бумагу. Так, радиотехник Гульельмо Маркони использовал для своих аппаратов-передатчиков фарфоровые конденсаторы, а для приемников — небольшие конденсаторы с изолятором слюды, которые были изобретены в 1909 году — до Второй мировой войны в США именно они были наиболее распространенными.

Первый электролитический конденсатор был изобретен в 1896 году и представлял собой электролит с алюминиевыми электродами. Бурное развитие электроники началось только после изобретения в 1950 году танталового миниатюрного конденсатора с твердым электролитом.

Во время Второй мировой войны в результате развития химии пластмасс стали появляться конденсаторы, в которых роль изолятора была отведена тонким полимерным пленкам.

Наконец, в 50-60 годах развивается индустрия суперконденсаторов, которые обладают несколькими рабочими проводящими поверхностями, благодаря чему электроемкость конденсаторов повышается на 3 порядка в сравнении с ее значением для обычных конденсаторов.

Понятие об электроемкости конденсатора

Электрический заряд, запасенный в пластине конденсатора, пропорционален напряжению электрического поля, которое существует между пластинами прибора. При этом коэффициент пропорциональности называется электроемкостью плоского конденсатора. В СИ (международная система единиц) электроемкость, как физическая величина, измеряется в фарадах. Один фарад — это такая электроемкость конденсатора, напряжение между пластинами которого равно 1 вольт при запасенном заряде в 1 кулон.

Электроемкость в 1 фарад является огромной, и на практике в электротехнике и электронике обычно пользуются конденсаторы с емкостями порядка пикофарада, нанофарада и микрофарада. Исключением являются только суперконденсаторы, которые состоят из активированного угля, благодаря чему увеличивается рабочая площадь прибора. Они могут достигать емкостей в тысячи фарадов и используются для питания прототипов электромобилей.

Таким образом, электроемкость конденсатора равна: C = Q₁/(V₁-V₂). Здесь C — электроемкость, Q₁ — электрический заряд, запасенный в одной пластине конденсатора, V₁-V₂ — разница между электрическими потенциалами пластин.

Формула для емкости плоского конденсатора имеет вид: C = e₀eS/d. Здесь e₀ и e — универсальная диэлектрическая постоянная и диэлектрическая постоянная материала изолятора S — площадь пластин, d — расстояние между пластинами. Эта формула позволяет понять, как изменится электроемкость конденсатора, если изменить материал изолятора, расстояние между пластинами или их площадь.

Виды используемых диэлектриков

Для изготовления конденсаторов используют различные типы диэлектриков. Наиболее популярными являются следующие:

1. Воздух. Эти конденсаторы представляют собой две пластины из проводящего материала, которые разделены прослойкой воздуха и помещены в стеклянный корпус. Электроемкость воздушных конденсаторов невелика. Обычно они используются в радиотехнике.
2. Слюда. Свойства слюды (способность разделяться на тонкие пластины и выдерживать высокие температуры) являются подходящими для ее использования в качестве изоляторов в конденсаторах.
3. Бумага. Для защиты от намокания используют парафинированную или лакированную бумагу.

Запасенная энергия

По мере того, как увеличивается разность потенциалов между пластинами конденсатора, прибор запасает электрическую энергию благодаря присутствию внутри него электрического поля. Если разность потенциалов между пластинами уменьшается, то конденсатор разряжается, отдавая энергию в электрическую цепь.

Математически электрическую энергию, которая запасена в конденсаторе произвольного типа, можно выразить следующей формулой: E = ½C(V₂-V₁)², где V₂ и V₁ — конечное и начальное напряжение между пластинами.

Заряд и разряд

Если конденсатор подсоединить в электрическую цепь с резистором и каким-либо источником электрического тока, тогда по цепи пойдет ток, и конденсатор начнет заряжаться. Как только он будет полностью заряжен, электрический ток в цепи прекратится.

Если заряженный конденсатор подсоединить параллельно резистору, то от одной пластины к другой через резистор потечет ток, который будет продолжаться до тех пор, пока прибор полностью не разрядится. В данном случае направление тока разряда будет противоположно направлению течения электрического тока, когда прибор заряжался.

Заряд и разряд конденсатора подчиняется экспоненциальной зависимости от времени. Например, напряжение между пластинами конденсатора при его разряде изменяется согласно следующей формуле: V(t) = V_ie^-t/(RC), где V_i — начальное напряжение на конденсаторе, R — электрическое сопротивление в цепи, t — время разряда.

Объединение в электрической цепи

Чтобы определить электроемкость конденсаторов, которые имеются в электрической цепи, следует вспомнить, что они могут объединяться двумя различными способами:

1. Последовательное соединение: 1/C_s = 1/C₁+1/C₂+…+1/C_n.
2. Параллельное соединение: C_s = C₁+C₂+…+C_n.

C_s — суммарная емкость n конденсаторов. Суммарная электроемкость конденсаторов определяется по формулам, аналогичным математическим выражениям для суммарного электрического сопротивления, только формула для последовательного соединения приборов справедлива для параллельного соединения резисторов и наоборот.

3.1.9 Конденсатор. Электроёмкость конденсатора. Электроёмкость плоского конденсатора

Видеоурок 1: Емкость конденсатора — Физика в опытах и экспериментах

Видеоурок 2: Емкость плоского конденсатора. Классификация конденсаторов

Лекция: Конденсатор. Электроёмкость конденсатора. Электроёмкость плоского конденсатора

Для определения понятия конденсатора, необходимо воспользоваться всеми знаниями по поводу проводников и диэлектриков, поскольку и те, и другие одновременно используются для изготовления конденсаторов.

Ёмкость конденсатора

Во время изучения понятия конденсаторов будем использовать термин «уединенный конденсатор». Он значит, что данное проводящее тело находится вне поля действия других тел. Рассмотрим проводник, у которого имеется какой-то определенный потенциал «фи». Данный потенциал является пропорциональным к величине заряда проводника. Данный коэффициент принято обозначать 1/С. В данном случае величина, что находится в знаменателе, является электрической ёмкостью имеющегося проводника.

Если рассматривать некоторый объемный шар в виде проводника, то его ёмкость можно определить по следующей формуле:

Эпсилон нулевое — это электрическая постоянная.

Судя из данной формулы, можно сделать вывод, что емкость сферического проводника зависит исключительно от внешнего диэлектрика, а также от радиуса сферы, то есть её размера. То есть, чем больше сфера, тем больше её емкость. Иными словами можно сказать, что ёмкость — это некая тара, которая вмещает в себя величину заряда.

Итак, 

Ёмкость — это некая ФВ, позволяющая определить величину заряда, необходимую для изменения потенциала проводника на 1 В.

Ёмкость измеряется в фарадах (Ф).

Самым главным для нас сферическим проводником является Земля. Посчитать её емкость достаточно просто. Если принять радиус за 6400 км, а окружающую диэлектрическую среду мы знаем — это воздух, то получим:

Плоский конденсатор

Самым простым примером для исследования конденсаторов являются плоские конденсаторы. Структура плоского конденсатора достаточно проста. Он состоит из двух металлических плоскостей (обкладок), которые параллельно расположены друг к другу, и располагаются на некотором расстоянии. Между данными пластинами имеется диэлектрик.

Самым простым примером плоского конденсатора является тот, у которого в виде диэлектрика воздух, то есть Ɛ = 1.

Обе обкладки имеют противоположный заряд -q, +q. Схематически конденсатор изображают следующим образом:

Следует отметить, что поле в конденсаторе показывается линиями, выходящими из положительно заряженной пластины, и входящими в отрицательно заряженную пластину.

Для определения его ёмкости следует воспользоваться следующей формулой:

Как уже говорилось раньше, ёмкость зависит исключительно от геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрика между пластинами.

Электроемкость конденсатора: формулы и история

Электрический конденсатор является пассивным прибором, который способен накапливать и сохранять электрическую энергию. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрическим материалом. Приложение электрических потенциалов различного знака к проводящим пластинам приводит к приобретению ими заряда, который на одной пластине является положительным, а на другой отрицательным. При этом суммарный заряд равен нулю.

В данной статье рассмотрены вопросы истории и определение электроемкости конденсатора.

История изобретения

В октябре 1745 года немецкий ученый Эвальд Георг фон Клейст заметил, что электрический заряд может быть запасен, если соединить с помощью кабеля электростатический генератор и некоторый объем воды, находящийся в стеклянном сосуде. В этом эксперименте рука фон Клейста и вода являлись проводниками, а стеклянный сосуд — электрическим изолятором. После того как ученый коснулся металлической проволоки рукой, произошел мощный разряд, который был намного сильнее, чем разряд электростатического генератора. В результате фон Клейст сделал вывод о существовании запасенной электрической энергии.

В 1746 году голландский физик Питер ван Мушенбрук изобрел конденсатор, который назвал лейденской бутылкой в честь Лейденского университета, в котором работал ученый. Затем Даниэль Гралат увеличил электроемкость конденсатора, соединив несколько лейденских бутылок.

В 1749 году Бенджамин Франклин исследовал лейденский конденсатор и пришел к выводу, что электрический заряд запасается не в воде, как полагали до этого, а на границе воды и стекла. Благодаря открытию Франклина, лейденские бутылки стали изготавливать, покрывая внутреннюю и внешнюю поверхность стеклянных сосудов металлическими пластинами.

Развитие индустрии

Термин «конденсатор» ввел в употребление Алессандро Вольта в 1782 году. Изначально для изготовления изоляторов электрических конденсаторов использовали такие материалы, как стекло, фарфор, слюду и обычную бумагу. Так, радиотехник Гульельмо Маркони использовал для своих аппаратов-передатчиков фарфоровые конденсаторы, а для приемников — небольшие конденсаторы с изолятором слюды, которые были изобретены в 1909 году — до Второй мировой войны в США именно они были наиболее распространенными.

Первый электролитический конденсатор был изобретен в 1896 году и представлял собой электролит с алюминиевыми электродами. Бурное развитие электроники началось только после изобретения в 1950 году танталового миниатюрного конденсатора с твердым электролитом.

Во время Второй мировой войны в результате развития химии пластмасс стали появляться конденсаторы, в которых роль изолятора была отведена тонким полимерным пленкам.

Наконец, в 50-60 годах развивается индустрия суперконденсаторов, которые обладают несколькими рабочими проводящими поверхностями, благодаря чему электроемкость конденсаторов повышается на 3 порядка в сравнении с ее значением для обычных конденсаторов.

Понятие об электроемкости конденсатора

Электрический заряд, запасенный в пластине конденсатора, пропорционален напряжению электрического поля, которое существует между пластинами прибора. При этом коэффициент пропорциональности называется электроемкостью плоского конденсатора. В СИ (международная система единиц) электроемкость, как физическая величина, измеряется в фарадах. Один фарад — это такая электроемкость конденсатора, напряжение между пластинами которого равно 1 вольт при запасенном заряде в 1 кулон.

Электроемкость в 1 фарад является огромной, и на практике в электротехнике и электронике обычно пользуются конденсаторы с емкостями порядка пикофарада, нанофарада и микрофарада. Исключением являются только суперконденсаторы, которые состоят из активированного угля, благодаря чему увеличивается рабочая площадь прибора. Они могут достигать емкостей в тысячи фарадов и используются для питания прототипов электромобилей.

Таким образом, электроемкость конденсатора равна: C = Q₁/(V₁-V₂). Здесь C — электроемкость, Q₁ — электрический заряд, запасенный в одной пластине конденсатора, V₁-V₂ — разница между электрическими потенциалами пластин.

Формула для емкости плоского конденсатора имеет вид: C = e₀eS/d. Здесь e₀ и e — универсальная диэлектрическая постоянная и диэлектрическая постоянная материала изолятора S — площадь пластин, d — расстояние между пластинами. Эта формула позволяет понять, как изменится электроемкость конденсатора, если изменить материал изолятора, расстояние между пластинами или их площадь.

Виды используемых диэлектриков

Для изготовления конденсаторов используют различные типы диэлектриков. Наиболее популярными являются следующие:

1. Воздух. Эти конденсаторы представляют собой две пластины из проводящего материала, которые разделены прослойкой воздуха и помещены в стеклянный корпус. Электроемкость воздушных конденсаторов невелика. Обычно они используются в радиотехнике.
2. Слюда. Свойства слюды (способность разделяться на тонкие пластины и выдерживать высокие температуры) являются подходящими для ее использования в качестве изоляторов в конденсаторах.
3. Бумага. Для защиты от намокания используют парафинированную или лакированную бумагу.

Запасенная энергия

По мере того, как увеличивается разность потенциалов между пластинами конденсатора, прибор запасает электрическую энергию благодаря присутствию внутри него электрического поля. Если разность потенциалов между пластинами уменьшается, то конденсатор разряжается, отдавая энергию в электрическую цепь.

Математически электрическую энергию, которая запасена в конденсаторе произвольного типа, можно выразить следующей формулой: E = ½C(V₂-V₁)², где V₂ и V₁ — конечное и начальное напряжение между пластинами.

Заряд и разряд

Если конденсатор подсоединить в электрическую цепь с резистором и каким-либо источником электрического тока, тогда по цепи пойдет ток, и конденсатор начнет заряжаться. Как только он будет полностью заряжен, электрический ток в цепи прекратится.

Если заряженный конденсатор подсоединить параллельно резистору, то от одной пластины к другой через резистор потечет ток, который будет продолжаться до тех пор, пока прибор полностью не разрядится. В данном случае направление тока разряда будет противоположно направлению течения электрического тока, когда прибор заряжался.

Заряд и разряд конденсатора подчиняется экспоненциальной зависимости от времени. Например, напряжение между пластинами конденсатора при его разряде изменяется согласно следующей формуле: V(t) = V_ie^-t/(RC), где V_i — начальное напряжение на конденсаторе, R — электрическое сопротивление в цепи, t — время разряда.

Объединение в электрической цепи

Чтобы определить электроемкость конденсаторов, которые имеются в электрической цепи, следует вспомнить, что они могут объединяться двумя различными способами:

1. Последовательное соединение: 1/C_s = 1/C₁+1/C₂+…+1/C_n.
2. Параллельное соединение: C_s = C₁+C₂+…+C_n.

C_s — суммарная емкость n конденсаторов. Суммарная электроемкость конденсаторов определяется по формулам, аналогичным математическим выражениям для суммарного электрического сопротивления, только формула для последовательного соединения приборов справедлива для параллельного соединения резисторов и наоборот.