Лекция по физике на тему : Электроемкость. Единицы ёмкости. Конденсаторы

1 Тема занятия: Электроемкость. Единицы ёмкости. Конденсаторы. Формула Лекция №4.   плоского конденсатора. Энергия конденсатора. Цель занятия: сформировать понятия электрической ёмкости, единицы ёмкости; изучить зависимость ёмкости от размеров проводника, диэлектрической проницаемости среды и расстояния между пластинами конденсатора. Воспитывать интерес к предмету, взаимопомощь. При   сообщении   проводнику   заряда   всегда   существует   некоторый предел,   более   которого   зарядить   тело   не   удастся.   Для   характеристики заряд   вводят способности   тела   накапливать   электрический   понятие электрической емкости. Емкостью уединенного проводника называют отношение его заряда к потенциалу: В   системе   СИ   емкость   измеряется   в   Фарадах   [Ф].   1   Фарад   – чрезвычайно большая емкость. Для сравнения, емкость всего земного шара значительно меньше одного фарада. Емкость проводника не зависит ни от его заряда, ни от потенциала тела. Аналогично, плотность не зависит ни от массы, ни от объема тела. Емкость зависит лишь от формы тела, его размеров и свойств окружающей его среды. Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина,   определяемая   как   отношение   заряда q одного   из   проводников   к разности потенциалов Δφ между ними: Величина электроемкости проводников зависит от формы и размеров проводников   и   от   свойств   диэлектрика,   разделяющего   проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле   оказывается   сосредоточенным   (локализованным)   лишь   в   некоторой области   пространства.   Такие   системы   называются конденсаторами,   а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками. 2 Простейший   конденсатор   –   система   из   двух   плоских   проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами   пластин   расстоянии   и   разделенных   слоем   диэлектрика.   Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами. Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи своей   поверхности   электрическое   поле,   модуль   напряженности   которого выражается   соотношением   уже   приводившимся   выше.   Тогда   модуль напряженности   итогового   поля   внутри   конденсатора,   создаваемого   двумя пластинами, равен: За   пределами   конденсатора,   электрические   поля   двух   пластин направлены в разные стороны, и поэтому результирующее электростатическое поле E = 0. Электроёмкость плоского конденсатора может быть рассчитана по формуле: Таким   образом,   электроемкость   плоского   конденсатора   прямо пропорциональна   площади   пластин   (обкладок)   и   обратно   пропорциональна расстоянию   между  ними.  Если   пространство   между  обкладками  заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз. Обратите внимание,   что S в   этой   формуле   есть   площадь   только   одной   обкладки конденсатора. Когда в задаче говорят о «площади обкладок», то имеют в виду именно эту величину. На 2 умножать или делить её не надо никогда. Еще   раз   приведем   формулу   для заряда   конденсатора.   Под   зарядом конденсатора понимают только заряд его положительной обкладки: Единицы ёмкости. Фар даа  (русское   обозначение: Ф; 3   международное   обозначение: F; ) —   единица   измерения электрической прежнее   название — фар дааа ёмкости в Международной   системе   единиц   (СИ),   названная   в   честь  [1]. 1 фарад равен ёмкости конденсатора, английского физика Майкла Фарадея   при   которой   напряжение 1 вольт: заряд   1 кулон создаёт   между   его   обкладками 1 Ф = 1 Кл / 1 В. Через   основные   единицы   системы   СИ фарад   выражается   следующим образом: Ф = А2 ∙ с4 ∙ кг−1 ∙ м−2. В   соответствии   с   правилами   СИ,   касающимися производных   единиц, названных   по   имени   учёных,   наименование   единицы   «фарад»   пишется со строчной   буквы,   а   её   обозначение —   с заглавной (Ф).   Такое   написание обозначения   сохраняется   и   в   обозначениях   производных   единиц, образованных   с   использованием   фарада.   Например,   обозначение   единицы измерения абсолютной   диэлектрической   проницаемости «фарад   на метр» записывается как Ф/м. В   Международную   систему   единиц   фарад   введён   решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, одновременно с принятием системы СИ в целом[2]. Фарад —   очень   большая   ёмкость   для   уединённого   проводника: ёмкостью 1 Ф обладал бы уединённый металлический шар, радиус которого равен   13 радиусам   Солнца (ёмкость   же   шара   размером   с Землю, используемого   как   уединённый   проводник,   составляла   бы   около   710 микрофарад). Конденсаторы. Конденс тораа  (от лат. condensare —   «уплотнять»,   «сгущать»   или от лат. condensatio —   «накопление») — двухполюсник с   определённым   или переменным   значением ёмкости накопления заряда и энергии электрического поля.   4  [1] и   малой проводимостью;   устройство   для Конденсатор   является   пассивным   электронным   компонентом.[⇨] В простейшем   варианте   конструкция   состоит   из   двух   электродов   в   форме пластин   (называемых обкладками),   разделённых диэлектриком,   толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр   или   параллелепипед   со   скруглёнными   четырьмя   рёбрами   (из­за намотки). Ёмкость конденсатора измеряется в фарадах. Конструкция конденсатора Конденсатор   является   пассивным   электронным   компонентом.   В простейшем   варианте   конструкция   состоит   из   двух   электродов   в   форме пластин   (называемых обкладками),   разделённых диэлектриком,   толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр   или   параллелепипед   со   скруглёнными   четырьмя   рёбрами   (из­за намотки). Свойства конденсатора Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения   его   в   цепь  (происходит   заряд   или   перезаряд   конденсатора),  по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течёт, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания   переменного   тока   посредством   циклической   перезарядки конденсатора, замыкаясь так называемым током смещения. 5 В   методе   гидравлических   аналогий конденсатор —   это   гибкая мембрана, вставленная в трубу. Анимация демонстрирует мембрану, которая растягивается   и   сокращается   под   действием   потока   воды,   что   аналогично заряду и разряду конденсатора под действием электрического тока. С   точки   зрения метода   комплексных   амплитуд конденсатор   обладает комплексным импедансом При   изменении   частоты   изменяются   диэлектрическая   проницаемость   влияния   паразитных   параметров — диэлектрика   и   степень собственной индуктивности и   сопротивления   потерь.   На   высоких   частотах как любой рассматривать конденсатор     можно     последовательный колебательный контур, образуемый ёмкостью собственной индуктивностью  и сопротивлением потерь. При   конденсатор   в   цепи   переменного   тока   ведёт   себя   как катушка индуктивности.   Следовательно,   конденсатор   целесообразно   использовать лишь на частотах, на которых его сопротивление носит ёмкостный характер. Обычно максимальная рабочая частота конденсатора примерно в 2—3 раза ниже резонансной. Конденсатор может накапливать электрическую энергию.  Формула плоского конденсатора. Конденсатор ­   электрический   прибор,   состоящий   из   двух проводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика. Конденсаторы служат для накопления зарядов с целью их отдачи в нужный момент времени, а также в цепях переменного тока для деления зарядов (параллельное соединение) и для   деления   напряжения   (последовательное   соединение).  ­   обозначение   конденсатора   на   схеме. 6 ­   емкость   конденсатора   (С). Если   его   пластины   образуют   параллельные   плоскости,   то   его называют плоским.  ­   емкость плоского конденсатора. Зависит от площади его пластин S; от расстояния между его пластинами d; от материала,   заполняющего   пространство   между   пластинами ε.   При изготовлении   конденсатора большой   емкости стремятся   сделать большое S при малом d, а также заполнить его пространство веществами с большим ε. Не напряжения U и зависит от заряда q.   от       Формулы,   где   встречается   С:  ­ энергия заряженного конденсатора 7 ­ формула Томсона для периода электромагнитных колебаний в колебательном контуре LC. Энергия конденсатора. Энергия конденсатора. Ее же называют энергией электрического поля внутри   конденсатора.   Опыт   показывает,   что   заряженный   конденсатор содержит   запас   энергии.   Энергия   заряженного   конденсатора   равна   работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор. Существует   три   эквивалентные   формы   записи   формулы   для   энергии конденсатора   (они   следуют   одна   из   другой   если   воспользоваться соотношением q = CU): Особое   внимание   обращайте   на   фразу:   «Конденсатор   подключён   к источнику». Это означает, что напряжение на конденсаторе не изменяется. А фраза «Конденсатор зарядили и отключили от источника» означает, что заряд конденсатора не изменится. 8 Решение задач. 1.Определите толщину диэлектрика конденсатора, электроёмкость  которого 1400 пФ, площадь покрывающих друг друга пластин 14 см2, если  диэлектрик – слюда. 2.Определить электроёмкость батареи конденсаторов, если C1=0,1мкФ,  С2=0,4мкФ и С3=0,52 мкФ