Конденсатор — урок. Физика, 9 класс.

Конденсатор — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля (от лат. kondensator — «уплотнять», «сгущать»).

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых металлических пластин — обкладок — и  слоя диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами пластин.

 

 

На схемах электрических цепей  конденсатор обозначается:  .

 

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полюсам источника тока. При зарядке обе обкладки получают заряды, равные по модулю, но противоположные по знаку. Под зарядом конденсаторов понимают модуль заряда одной из его обкладок. Свойство конденсатора накапливать электрический заряд характеризуется физической величиной — электроёмкостью.

Электроёмкость  обозначается буквой \(C\) и определяется по формуле:

C=qU, где  \(q\) — заряд конденсатора, \(U\) — напряжение между обкладками конденсатора.

                

Электроёмкость конденсатора зависит от площади перекрытия пластин и расстояния между ними, а также от свойств используемого диэлектрика:

 

C∼Sd, где \(S\) — площадь каждой обкладки, \(d\) — расстояние между обкладками.

 

За единицу электроёмкости в СИ принимается Фарад (Ф).   

Она названа в честь Майкла Фарадея — английского физика. \(1\) Фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд \(1\) Кулон создаёт между его обкладками напряжение \(1\) Вольт:  1 Фарад=1 Кулон1 Вольт.

 

 

\(1\) Ф — это очень большая ёмкость для конденсатора. Чаще всего конденсаторы имеют электроёмкость, равную дольным единицам Ф: микрофарад (мкФ) — 10−6Ф,  пикофарад (пФ) — 10−12 Ф.

 

Для получения требуемой ёмкости конденсаторы соединяют в батареи.

 

Если конденсаторы соединены параллельно, то общая ёмкость равна сумме ёмкостей: Cоб=C1+C2+C3.

 

Если конденсаторы соединены последовательно, то общая ёмкость будет равна: 1Cоб=1C1+1C2+1C3.

 

  

При зарядке конденсатора внешними силами совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов. По закону сохранения энергии работа внешних сил равна энергии поля конденсатора. При разрядке конденсатора за счёт этой энергии может быть совершена работа. Энергия конденсатора есть не что иное, как энергия заключённого внутри него электрического поля.

Энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по формуле: Eэл=q22C.

Из формулы видно, что энергия конденсатора данной электроёмкости тем больше, чем больше его заряд.

Источники:

Учебник А. В. Перышкин, Е. М. Гутник  «Физика. 9 класс».

https://electrosam.ru/  Виды конденсаторов.

https://elektronchic.ru/  Электронщик.

https://ru.wikipedia.org  Википедия.

Ёмкость конденсатора | Все формулы

Сообщение от администратора:

Ребята! Кто давно хотел выучить английский?
Переходите по моей ссылке и получите два бесплатных урока в школе английского языка SkyEng! 
Занимаюсь там сам — очень круто. Прогресс налицо.

В приложении можно учить слова, тренировать аудирование и произношение.

Попробуйте. Два урока бесплатно по моей ссылке!
Жмите СЮДА

Электрическая ёмкость — характеристика проводника (конденсатора), мера его способности накапливать электрический заряд.

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), которые разделены диэлектриком. На емкость конденсатора не должны влиять окружающие тела, поэтому проводникам придают такую форму, чтобы поле, которое создается накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: 1) две плоские пластины; 2) две концентрические сферы; 3) два коаксиальных цилиндра. Поэтому в зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, сферические и цилиндрические.

Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончаются на другой, поэтому свободные заряды, которые возникают на разных обкладках, равны по модулю и противоположны по знаку. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (φ1 — φ2) между его обкладками

Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

1) по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;

2) по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;

3) по типу диэлектрика — воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и т.д.

Так же есть:

Энергия конденсатора:

Ёмкость цилиндрического конденсатора :

Ёмкость плоского конденсатора :

Емкость сферического конденсатора :

В формуле мы использовали :

— Электрическая ёмкость (ёмкость конденсатора)

— Заряд

— Потенциал проводника (Напряжение)

— Потенциал

— Относительная диэлектрическая проницаемость

— Электрическая постоянная

— Площадь одной обкладки

— Расстояние между обкладками

Формула заряда конденсатора, q

По назначению конденсатор можно сравнить с батарейкой. Но имеется принципиальное отличие в работе данных элементов. Существуют отличия в предельной емкости и скорости зарядки конденсатора и батарейки.

Формула заряда конденсатора

Величина заряда конденсатора (q) связана с его емкостью (C) и разностью потенциалов (U) между его обкладками как:

   

где q – величина заряда одной из обкладок конденсатора, а – разность потенциалов между его обкладками.

Электроемкость конденсатора — это величина, которая зависит то размеров и устройства конденсатора.

Заряд на пластинах плоского конденсатора равен:

   

где – электрическая постоянная; – площадь каждой (или наименьшей) пластины; – расстояние между пластинами; – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, который находится между пластинами конденсатора.

Заряд на обкладках цилиндрического конденсатора вычисляется при помощи формулы:

   

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки.

Заряд на обкладках сферического конденсатора найдем как:

   

где – радиусы обкладок конденсатора.

Заряд конденсатора связан с энергией поля (W) внутри него:

   

Из формулы (6) следует, что заряд можно выразить как:

   

Рассмотрим последовательное соединение из N конденсаторов ( рис. 1).

   

Здесь (рис.1) положительная обкладка одного конденсатора соединяется с отрицательной обкладкой следующего конденсатора. При таком соединении, обкладки соседних конденсаторов создают единый проводник. У всех конденсаторов, соединенных последовательно на обкладках имеются равные по величине заряды.

При параллельном соединении конденсаторов (рис.2), соединяют обкладки, имеющие заряды одного знака. Суммарный заряд соединения (q) равен сумме зарядов конденсаторов.

   

Примеры решения задач по теме «Заряд конденсатора»

параллельное, последовательное соединение, батарея. Виды проводника, формулы. тесты, схема

Физика->Электричество->электроемкость, конденсаторы->

Тестирование онлайн

• Электроемкость. Основные понятия

• Электроемкость, конденсаторы

Электроемкость

Электроемкость — это скалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд

Электроемкость зависит от формы проводника! Поэтому для каждого вида существует своя формула расчета электроемкости.

Электроемкость шара

Конденсатор

Конденсатор — это система, состоящая из двух или более проводников.

Плоский конденсатор — две параллельные металлические пластины (обкладки), между которыми находится диэлектрик.

В быту можно встретить подобные конденсаторы

На схеме конденсатор обозначается следующим образом (запомнить выделенное обозначение)

Электроемкость плоского конденсатора

Используя общую формулу нахождения электроемкости, можно получить

Поле между обкладками конденсатора однородно, поэтому напряжение можно определить как

Батарея конденсаторов

Несколько конденсаторов, соединенных вместе, образуют батарею конденсаторов.

Различают последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов

Движение заряженной частицы в конденсаторе

Конденсаторы, теория и примеры задач

Для того чтобы уединенный проводник имел большую емкость, он должен обладать большими размерами. В жизни требуются тела малых и очень малых размеров, которые могли бы накопить существенный заряд, при небольших потенциалах (относительно других тел), то есть иметь большую емкость. Такие устройства называют конденсаторами.

Определение конденсатора

Причем проводники (обкладки конденсатора) должны иметь такую форму и быть расположены так по отношению друг к другу, что поле, создаваемое данной системой, было в основном расположено в ограниченной области пространства.

Основной характеристикой конденсатора служит электроемкость (C). Электрическая емкость конденсатора – это взаимная емкость принадлежащих ему обкладок:

   

q – величина заряда на обкладке; – разность потенциалов между обкладками.

Формулы емкости основных типов конденсаторов

Емкость конденсатора зависит от формы, размеров, расположения обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика (), который находится между обкладками.

Плоский конденсатор имеет обкладки в виде плоских проводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика. Его емкость рассчитывают в соответствии с формулой:

   

где – электрическая постоянная; S – площадь каждой (или наименьшей) пластины; d – расстояние между пластинами.

Цилиндрический конденсатор представляется собой две соосных (коаксиальных) цилиндрические проводящие поверхности, разного радиуса, пространство между которыми заполняет диэлектрик. Электрическая емкость цилиндрического конденсатора вычисляют как:

   

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки. По формуле (3) вычисляют емкость коаксиального кабеля.

Сферическим конденсатором называют конденсатор, обкладками которого являются две концентрические сферические проводящие поверхности, пространство между ними заполнено диэлектриком. Емкость такого конденсатора находят как:

   

где – радиусы обкладок конденсатора. В том случае, если , то можно считать, что , тогда, мы имеем:

   

так как – площадь поверхности сферы, и если обозначить , то получим формулу для емкости плоского конденсатора. При малой величине зазора между обкладками сферического и цилиндрического конденсаторов (в сравнении с их радиусами), можно перейти к расчету емкости при помощи выражения для плоского конденсатора.

Электрическую емкость для линии из двух проводов находят как:

   

где d – расстояние между осями проводов; R – радиус проводов; l – длина линии.

Еще одной важной характеристикой конденсатора является пробивное напряжение. Пробивное напряжение – это такая разность потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой диэлектрика. Эта величина зависит от толщины, свойств и формы диэлектрика, расположенного между обкладками конденсатора.

Примеры решения задач

Конденсатор | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Электроемкость тела, как и его потен­циал, трудно определить однозначно. Для этого необходимо создать условия, при ко­торых полностью исключалось бы влияние окружающих тел. В реальных условиях ок­ружающие тела влияют на исследуемое те­ло, изменяя его потенциал и емкость.

Укрепим на стержне заземленного элект­рометра металлический шар и сообщим ему определенный заряд. Стрелка электрометра отклонится от положения равновесия и по­кажет значение потенциала шара относи­тельно земли. Поднесем к шару металли­ческую пластину, соединенную проволокой с землей (рис. 4.63). Показания электрометра уменьшатся. Поскольку заряд шара не из­менился, то уменьшение потенциала свиде­тельствует об увеличении электроемкости шара. Изменения потенциала и соответственно емкости будут наблюдаться в случае изменения расстояния между шаром и пла­стиной.

Таким образом, определяя емкость отдель­ного тела, необходимо учитывать размеще­ние всех окружающих тел.

Рис. 4.63. Влияние заземленной метал­лической пластины на емкость шара

Поскольку практически этого сделать не­возможно, то используют устройство, кото­рое называется конденсатором. Простейшей для изучения и расчетов является система из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

Конденсатор — это система из двух про­водников, разделенных диэлектриком.

Размеры этих пластин (длина и ширина) намного больше расстояния между ними. Электрические свойства такой системы про­водников не зависят от размещения окружа­ющих тел. Если пластинам сообщить разно­именные заряды, то они разместятся на внутренних поверхностях пластин вследст­вие взаимного притяжения.

Соответственно и поле заряженных пла­стин будет сосредоточено в пространстве между пластинами. Это можно объяснить на основе принципа суперпозиции полей.

На рис. 4.64 показана структура элект­рического поля пластины, заряженной поло­жительным зарядом. Силовые линии парал­лельные и направлены в противоположные от пластины направления.

Рис. 4.64. Электрическое поле положи­тельно заряженной металлической пла­стины

Рис. 4.65. Электрическое поле отрица­тельно заряженной металлической пла­стины

На рис. 4.65 — подобная структура элект­рического поля отрицательно заряженной пластины. Силовые линии параллельные, а направление — противоположное предшест­вующему (рис. 4.64).

Если пластины разместить на расстоянии d, намного меньшем, чем линейные разме­ры пластин, то в пространстве между ними силовые линии обеих пластин будут иметь одинаковое направление (рис. 4.66), а потому напряженность электрического поля бу­дет равна сумме напряженностей обоих полей:

E’ = Е₁ + E₂.

Вне пластин линии напряженности име­ют противоположное направление, а потому

E’ = E₁ — E₂.

Поскольку E₁ = E₂, то E’ = 0 (рис. 4.67). Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 4.66. Электрическое поле двух раз­ноименно заряженных пластин

Рис. 4.67. Напряженность электрического поля за пределами заряженного конден­сатора равна нулю

Конденсатор может накапливать значи­тельный заряд даже при небольшой раз­ности потенциалов между пластинами. В случае отдельного тела большой заряд со­здает большой потенциал, который приво­дит к автоэлектронной эмиссии или «стеканию зарядов».

Емкость конденсатора в отличие от ем­кости отдельного тела определяется разно­стью потенциалов между обкладками.

C = Q / (φ₁ — φ₂) = Q / Δφ.

где Q — заряд одной из пластин; (φ₁ — φ₂) — разность потенциалов между пластинами.

Для измерения емкости конденсатора ис­пользуется 1 фарад:

1Ф = 1 Кл/ 1 В.

На этой странице материал по темам:

• Конденсатор физические законы

• Сообщение по физике применение конденсатора

• Почему емкость конденсатора не зависит от окружающих тел

• Кратко о конденсаторе (физика)

• Конденсатор физическое явление

Вопросы по этому материалу:

• Как устроен конденсатор?

• Какое главное свойство конденсатора?

• Почему емкость конденсатора не зависит от влияния окружающих тел?

Типы конденсаторов, теория и примеры

Определение и типы конденсаторов

Причем проводники (обкладки конденсатора) имеют такую форму и расположены так, по отношению друг к другу, что поле, создаваемое данной системой, в основном расположено во внутренней области пространства конденсатора. У реального конденсатора обкладки не являются полностью замкнутыми, однако, следует отметить, что приближение к идеальной картине довольно большое. На практике независимости внутреннего поля между обкладками конденсатора от внешних полей достигают тем, что пластины конденсатора располагают на очень малом расстоянии. В таком случае заряды находятся на внутренних поверхностях обкладок.

Основное назначение конденсатора состоит в накоплении электрического заряда. Способность конденсатора накапливать заряд связана с основной характеристикой конденсатора электроемкостью (C). Электрическая емкость конденсатора – это взаимная емкость принадлежащих ему обкладок:

   

q – величина заряда на обкладке; – разность потенциалов между обкладками. Емкость конденсатора зависит от размеров и устройства конденсатора.

Подходы к классификации конденсаторов могут быть разными. Выделяют, например:

1. Конденсаторы имеющие постоянную или переменную емкость, подстроечные конденсаторы.
2. Тип диэлектрика, заполняющий пространство между обкладками конденсатора, может влиять на то, к какому типу отнесут тот или иной конденсатор. (Электролит – электролитический конденсатор (см. раздел «Электролитический конденсатор»), воздух – воздушный конденсатор, тефлон – тефлоновый конденсатор и т.д).
3. Керамические (подробно о керамических конденсаторах см. раздел «Керамические конденсаторы»), пластиковые, металлические конденсаторы в зависимости от материала, который применяется в изготовлении корпуса конденсатора
4. Плоские, цилиндрические, шаровые (сферические) конденсаторы в соответствии с геометрией (строением) конденсатора.

Кроме этого конденсаторы можно разделить по их предназначению (см., например раздел «Пусковой конденсатор»), способу монтажа (для печатного, навесного, поверхностного монтажа; с защелкивающимися выводами; выводами под винт), принципам защиты от внешних воздействий (с защитой и без нее; изолированные и неизолированные; уплотненные и герметизированные).

Типы конденсаторов в разделе общая физика

В задачах по общей физике рассматривают обычно три типа конденсаторов: плоские, цилиндрические и сферические. Кроме того могут варьироваться типы диэлектрика между обкладками.

Для расчета емкости плоского конденсатора применяют формулу:

   

где – электрическая постоянная; S – площадь каждой (или наименьшей) пластины; d – расстояние между пластинами.

Емкость плоского конденсатора, содержащего N слоев диэлектрика (толщина i-го слоя равна , диэлектрическая проницаемость i-го слоя , определяется как:

   

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора вычисляют как:

   

где l – высота цилиндров; – радиус внешней обкладки; – радиус внутренней обкладки.

Емкость сферического (шарового) конденсатора находят по формуле:

   

где – радиусы обкладок конденсатора.

Примеры решения задач