От чего зависит емкость конденсатора

Конденсатор предназначен для временного хранения электрической энергии в форме потенциальной энергии разделенных в пространстве положительных и отрицательных электрических зарядов, то есть в форме электрического поля в пространстве между ними. Соответственно электрический конденсатор включает в себя три главных составляющих компонента: две проводящие обкладки, на которых в заряженном конденсаторе находятся разделенные заряды, и слой диэлектрика, расположенный между обкладками.

Обкладки конденсатора, в зависимости от типа данного электротехнического изделия, могут быть изготовлены разнообразными способами, начиная от простых алюминиевых пластин, скрученных в рулон с бумажной прослойкой, заканчивая химически оксидированными обкладками или металлизированным слоем диэлектрика. В любом случае имеется слой диэлектрика и обкладки, между которыми он плотно закреплен — это и есть в принципе конденсатор.

В качестве диэлектрика может выступать бумага, слюда, полипропилен, тантал или другой подходящий электроизоляционный материал с необходимой диэлектрической проницаемостью и обладающий надлежащей электрической прочностью.

Так, энергия разделенных зарядов на обкладках конденсатора зависит не только от количества разделенных зарядов, но и от параметров его обкладок и диэлектрика, поскольку именно диэлектрик, поляризуясь, запасает энергию в форме электрического поля, напряженность которого и определяет разность потенциалов U между разделенными зарядами, находящимися на обкладках конденсатора.

Вместе с тем, чем больше площадь перекрытия обкладок A и чем больше абсолютная (и относительная) диэлектрическая проницаемость диэлектрика e — тем сильнее притягиваются друг к другу находящиеся на обкладках разделенные заряды — тем существеннее их потенциальная энергия — тем большее количество работы потребовалось бы источнику ЭДС на то, чтобы зарядить данный конденсатор.

Разделяя заряды в процессе переноса электронов с одной обкладки на другую, источник ЭДС совершает именно такой объем работы по зарядке конденсатора, количество которой будет тождественно энергии заряженного конденсатора.

Таким обрезом, энергия заряженного конденсатора, помимо количества перемещенного с обкладки на обкладку заряда, (оно то может быть разным) будет зависеть от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между обкладками d, от абсолютной диэлектрической проницаемости диэлектрика e.

Данные определяющие параметры конструкции конкретного конденсатора постоянны, их отношение в совокупности можно назвать емкостью конденсатора C. Тогда мы можем с уверенностью сказать, что емкость конденсатора C зависит от площади перекрытия обкладок A, от расстояния между ними d и от диэлектрической проницаемости диэлектрика e.

Зависимость емкости от данных параметров очень легко понять, если рассмотреть плоский конденсатор.

Чем больше площадь перекрытия его обкладок — тем больше емкость конденсатора, так как заряды взаимодействуют на большей площади.

Чем меньше расстояние между обкладками (по сути — толщина диэлектрической прослойки) — тем больше емкость конденсатора, потому что сила взаимодействия зарядов при их сближении увеличивается.

Чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками — тем больше емкость конденсатора, потому что больше напряженность электрического поля между обкладками.

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Урок 28. Электрическая ёмкость. Конденсатор

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Конденсатор – устройство для накопления электрического заряда.

Электроёмкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его обкладок.

Последовательное соединение – электрическая цепь не имеет разветвлений. Все элементы цепи включают поочередно друг за другом. При параллельном соединении концы каждого элемента присоединены к одной и той же паре точек.

Энергия конденсатора прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля внутри его:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения.

Основная и дополнительная литература по теме:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 321-330.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.- М.:Дрофа,2009. С. 97-100.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Конденсатор при переводе с латиницы означает, то что уплотняет, сгущает – устройство, предназначенное для накопления зарядов энергии электрического поля. Конденсатор состоит из двух одинаковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга. Главной характеристикой этого прибора, является его электроёмкость, которая зависит от площади его пластин, расстояния между ними и свойств диэлектрика.

Заряд конденсатора определяется – модулем заряда на любой одной из её обкладок. Заряд конденсатора прямо пропорционален напряжению между обкладками конденсатора. Коэффициент пропорциональности С называется электрической ёмкостью, электроёмкостью или просто ёмкостью конденсатора.

Электрической ёмкостью конденсатора называется физическая величина, которая численно равна отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Чем больше площадь проводников и чем меньше пространство заполняющего диэлектриком, тем больше увеличивается ёмкость обкладок конденсатора.

Измеряется электрическая ёмкость в Международной системе СИ в Фарадах. Эта единица имеет своё название в честь английского физика экспериментатора Майкла Фарадея который внёс большой вклад в развитие теории электромагнетизма. Один Фарад равен ёмкости такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение, равное одному Вольту, при сообщении заряда в один Кулон.

Электрическая ёмкость конденсаторов определяется их конструкцией, самыми простыми из них являются плоские конденсаторы.

Чем больше площадь взаимного перекрытия обкладок и чем меньше расстояние между ними, тем значительнее будет увеличение ёмкости обкладок конденсатора. При заполнении в пространство между обкладками стеклянной пластины, электрическая ёмкость конденсатора значительно увеличивается, получается, что она зависит от свойств используемого диэлектрика.

Электрическая ёмкость плоского конденсатора зависит от площади его обкладок, расстояния между ними, диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками и определяется по формуле:

где – электрическая постоянная.

Для того чтобы получить необходимую определённую ёмкость, берут несколько конденсаторов и собирают их в батарею применяя при этом параллельное, последовательное или смешанное соединения.

Энергия конденсатора равна половине произведения заряда конденсатора напряжённости поля и расстояния между пластинами конденсатора: u = Еd

Эта энергия равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин, это поле совершает положительную работу. При этом энергия электрического поля уменьшается:

Для любых конденсаторов энергия равна половине произведения электроёмкости и квадрата напряжения:

Примеры и разбор решения заданий:

1. Плоский конденсатор, расстояние между пластинами которого равно 3 мм, заряжен до напряжения 150 В и отключен от источника питания. Разность потенциалов между пластинами возросла до 300 В.

Электрическая ёмкость конденсатора определяется по формуле:

1.По условию разность потенциалов увеличилось в два раза. U₁ = 150В→ U₂ = 300В.

2.По условию d = 3 мм, если разность потенциалов увеличилось в два раза, по формуле соответственно и расстояние между пластинами увеличилось в два раза, и d =2·3 мм = 6 мм.

3.Расстояние между пластинами увеличилось в два раза.

2. Конденсатор электроёмкостью 20 мкФ имеет заряд 4 мкКл. Чему равна энергия заряженного конденсатора?

Энергия заряженного конденсатора W через заряд q и электрическую ёмкость С определяется по формуле:

Источник

От чего зависит ёмкость конденсатора: Размер, материал и расстояние

Сегодня попытаюсь рассказать от чего же завит зависит ёмкость конденсатора, не утверждаю что это будет самое лучшее объяснение но думаю понятней других. Данная статья предназначена для того чтобы понять смысл, без глубокого проникновения в детали. И так, поехали.

Конденсатор состоит из 2 обкладок, сделанных из металла, которые отделены друг от друга слоем диэлектрика. При этом его толщина намного меньше площади пластин.

Для зарядки он подключается к источнику постоянного тока. При этом на пластинах начинают быстро собираться противоположные по полярности, но идентичные по величине электрически заряженные частицы. Заряд (q, Кл) конденсатора, равен заряду, накопленному на одной из его обкладок.

В то же время, чем больше величина q, тем выше напряжение поля между его обкладками (U = ϕ₂ – ϕ_1, В). Таким образом отношение q / (ϕ₂ – ϕ₁) зависит исключительно от характеристик конкретного конденсатора.

Исход из этого, ёмкостью конденсатора является называется значение величины отношения q / U, которая показывает его возможность накапливать заряд.

Ёмкость конденсатора:

Чтобы найти, от чего завит ёмкость устройства, выразим разность потенциалов через действующую между обкладками напряжённость. Как известно, для обычного конденсатора, она будет равна:

Диэлектрическая проницаемость – это характеристика среды, характеризующая, во сколько раз уменьшается напряжённость электрического поля в веществе, по сравнению с вакуумом.

Исходя из этого:

Подставляя полученное значение в формулу, по которой определяется ёмкость конкретного конденсатора, получим:

Из полученной формулы видно, что ёмкость обычного конденсатора зависит от его геометрических размеров (расстояние между обкладками и площадью) и материалом, находящимся между пластинами.

Таким образом, чем меньше зазор между обкладками, тем больше ёмкость. Это происходит потому, что на небольшом расстоянии заряды сильнее взаимодействуют друг с другом. И положительные частицы на одной обкладке сильнее притягивают отрицательны частицы с другой пластины. При этом количество отрицательных частиц увеличивается, а значит увеличивается заряд. То же самое происходит и с положительными частицами на другой обкладке. При этом разность потенциалов остаётся той же, так дополнительной работы по перемещению заряженных частиц не выполняется.

При увеличении площади пластин ёмкость возрастает, так как заряженные частицы распределяются на большей площади. Значит на каждой из обкладок теперь можно накопить больше заряда, при этом разность потенциалов остаётся постоянной.

При использовании материала с большей диэлектрической проницаемостью напряжённость поля уменьшается, как это видно из определения. Так как напряжённость прямо пропорциональна разности потенциалов, то напряжение тоже становиться меньше. При этом заряд остаётся постоянным. Значит ёмкость конденсатора уменьшается.

Источник