Kurdami grandines, praktikuodami radijo elektroniką, turite susidoroti su daugybe terminų. Ir vienas iš svarbiausių komponentų yra kondensatoriai. Jie patys savaime nėra labai įdomūs, mums svarbiau yra jų funkcijos. Pavyzdžiui, čia yra kondensatoriaus elektros energija. Kas čia? Taip yra dėl to, kad elektrinis laukas, kuris yra tarp kondensatoriaus plokščių, pats turi energijos. Taigi jo įtampa yra proporcinga naudojamai įtampai. Pažvelkime išsamiau ir su daugybe formulių.
Įkrauto kondensatoriaus energija
Kondensatoriaus plokštės turi elektrinę talpą (E). Juose taip pat yra du elektros krūviai: -з ir +з. Tada tarp plokščių esanti įtampa (N) bus lygi:
- N=w/e
Visos šios lygties dalys buvo aptartos aukščiau, o jei susipainiojate, perskaitykite dar kartą, kol suprasite. Be to nebus įmanoma toliau skaityti straipsnio medžiagos, kad ji būtų įsisavinta. Šios žinios būtinos norint suprasti, kaip veikia kondensatoriaus lauko energija.
Tačiau prietaisas laikui bėgant išsikrauna. Ką su tuo daryti? Kai įvyksta iškrovos procesas, tarp jo plokščių esanti įtampa sumažės tiesiogiai proporcingai įkrovimui nuo pradinės vertės iki nulio. Formulės išraiškoje ši lygtis atrodys taip:
- N av =N/2=z/2*E
Bet dar turime darbą A, kurį atlieka elektrinis laukas kondensatoriaus iškrovimo metu. Formulės vaizde viskas atrodo taip:
- A=z*N av =(z*N)/2=(E*N2)/2
Tačiau tuo pat metu kyla klausimas: kokia bus kondensatoriaus, kurio elektrinė talpa E, potenciali energija, kuri įkraunama iki H vertės? Atsakymą į šį klausimą galime pateikti pagal šią lygtį:
- PE=A=(E*N 2)/2=z 2 /(2*E)=(z*N)/2
Čia turėtumėte suprasti, kad kondensatoriaus energija priklauso nuo elektrinis laukas, kuris egzistuoja tarp jo plokščių ir yra jo savininkas. Ir iš to galime daryti išvadą, kad jis taip pat yra proporcingas įtempimo kvadratui. Norėdami prisiminti, kokia yra įkrauto kondensatoriaus energija, galite išmokti kitą mokyklos taisyklę. Arba dar tiksliau būtų sakyti – atgaivink juo atmintį. Kondensatoriaus energija yra lygi darbui, kurį atlieka elektrinis laukas, kai prietaiso plokštės suartinamos. Tai taip pat prilygsta darbui, kuris atliekamas siekiant atskirti neigiamus ir teigiamus krūvius, kurie yra būtini tolesniam įrenginio įkrovimui. Tai kaip pavyzdys mokykliniame fizikos kurse.
Elektrinė talpa
Viduje ankstesnis skyrius straipsnyje buvo paminėtas toks žodis. Atsižvelgiant į jo svarbą, analizuodami situaciją su kondensatoriumi galite suprasti, ką reiškia šis žodis. Taigi, elektros talpa:
- Naudojamas kondensatoriaus gebėjimui kaupti elektros krūvį apibūdinti.
- Tai priklauso nuo daugelio parametrų:
- Iš kondensatoriaus geometrinių matmenų.
- Iš savo formos.
- Iš vietos diagramoje.
- Iš elektros aplinkos, kurioje yra pats kondensatorius, savybių.
- Nepriklauso nuo įkrovos ir įtampos verčių.
Elektrinė talpa matuojama Faradais (praktikoje taip pat pridedamas priešdėlis mikro, nes kondensatoriaus tūris paprastai yra mažas).
Lauko energija ir formulė
Jis yra maždaug lygus kondensatoriaus viduje esančio elektrinio lauko stiprio kvadratui.
Energijos tankis matuojamas pagal formulę:
Ką daugiau apie tai galima pasakyti? Šis efektas yra sumuojamas su kitais ir gali sudaryti viso įrenginio, kurio dalis yra kondensatorius, elektrinį lauką.
Išvada
Taigi straipsnyje buvo atsižvelgta į kondensatoriaus energiją, taip pat į jo sukuriamą lauką. Taip pat būtina atsižvelgti į tai, kad kitos elektros grandinių dalys taip pat turi tam tikrą energiją ir gali turėti teigiamą poveikį konkretaus įrenginio įkrovimo laipsniui. Jei kondensatorius yra už grandinių ribų ir jo nenaudoja, bet yra netoliese, tada jis palaipsniui įkraunamas. Šio fakto tikrumą labai lengva patikrinti namuose, jei turite reikiamą matavimo įrangą. Norėdami tai padaryti, turite pastatyti patį kondensatorių prie televizoriaus, radijo ar kompiuterio ir įrašyti įkrovos vertę, kurią parodys matavimo įranga. Dėl šios savybės kondensatoriaus energija gali keistis net ir be tiesioginio matomo ryšio su maitinimo šaltiniu.
Atskirai izoliuoto laidininko elektrinė talpa (talpa) C yra fizikinis dydis, lygus laidininko krūvio pokyčio q ir jo potencialo pokyčio santykiui f: C = Dq/Df.
Vienišo laidininko elektrinė talpa priklauso tik nuo jo formos ir dydžio, taip pat nuo jį supančios dielektrinės terpės (e). SI talpos vienetas vadinamas Faradu. Faradas (F) yra tokio izoliuoto laidininko talpa, kurios potencialas padidėja 1 voltu, kai jam perduodamas 1 kulono krūvis. 1 F = 1 C/1 V.
Kondensatorius yra dviejų skirtingai įkrautų laidininkų sistema, atskirta dielektriku (pavyzdžiui, oru). Kondensatorių savybė kaupti ir kaupti elektros krūvius bei su tuo susijusį elektrinį lauką apibūdinama dydžiu, vadinama kondensatoriaus elektrine talpa. Kondensatoriaus elektrinė talpa lygi vienos iš plokščių Q krūvio ir tarp jų esančios įtampos U santykiui: C = Q/U.
Priklausomai nuo plokščių formos, kondensatoriai yra plokšti, sferiniai ir cilindriniai. Šių kondensatorių talpų skaičiavimo formulės pateiktos lentelėje.
Kondensatorių prijungimas prie baterijų. Praktiškai kondensatoriai dažnai jungiami į baterijas – nuosekliai arba lygiagrečiai.
At lygiagretus ryšys visų plokščių įtampa yra vienoda U1 = U2 = U3 = U = e, o akumuliatoriaus talpa lygi atskirų kondensatorių C = C1 + C2 + C3 talpų sumai.
Su nuoseklia jungtimi visų kondensatorių plokščių įkrova yra vienoda Q1 = Q2 = Q3, o akumuliatoriaus įtampa lygi atskirų kondensatorių U = U1 + U2 + U3 įtampų sumai.
Visos nuosekliai sujungtų kondensatorių sistemos talpa apskaičiuojama iš santykio: 1/C = U/Q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.
Serijiniu būdu sujungtų kondensatorių banko talpa visada yra mažesnė nei kiekvieno iš šių kondensatorių atskirai. Elektrostatinio lauko energija. Įkrauto plokščiojo kondensatoriaus Ek energija lygi darbui A, kuris buvo sunaudotas jį įkraunant arba atliktas jį iškraunant. A = CU2/2 = Q2/2С = QU/2 = Eк. Kadangi kondensatoriaus įtampą galima apskaičiuoti iš santykio: U = E*d, kur E yra lauko stiprumas tarp kondensatoriaus plokščių, d yra atstumas tarp kondensatoriaus plokščių, tada įkrauto kondensatoriaus energija yra lygus: Eк = CU2/2 = ee0S/2d*E2* d2 = ee0S*d*E2/2 = ee0V*E2/2, kur V – tarpo tarp kondensatoriaus plokščių tūris. Įkrauto kondensatoriaus energija sutelkta jo elektriniame lauke.
|
Kondensatoriaus tipas |
Formulė talpos apskaičiavimui |
Pastabos |
Scheminė iliustracija |
|
Plokščiasis kondensatorius |
S - plokštės plotas; d yra atstumas tarp plokščių. | ||
|
Sferinis kondensatorius |
C = 4 pee0R1R2 / (R2 - R1) |
R2 ir R1 yra išorinio ir vidinio pamušalo spinduliai. | |
|
Cilindrinis kondensatorius |
C = 2 pee0h/ln (R2/R1) |
h yra cilindrų aukštis. |
Kaip ir bet kuri įkrautų kūnų sistema, kondensatorius turi energijos. Apskaičiuokite įkrauto energiją plokščias kondensatorius su vienodu lauku viduje nėra sunku. Įkrauto kondensatoriaus energija. Norint įkrauti kondensatorių, reikia atskirti teigiamus ir neigiamus krūvius. Pagal energijos tvermės dėsnį šis darbas lygus kondensatoriaus energijai. Tai, kad įkrautas kondensatorius turi energijos, gali būti patikrintas iškraunant jį per grandinę, kurioje yra kaitrinė lempa, skirta kelių voltų įtampai ( 14.37 pav). Kai kondensatorius išsikrauna, lemputė mirksi. Energija iš kondensatoriaus paverčiama šilumos ir šviesos energija.
Išveskime plokščio kondensatoriaus energijos formulę. Lauko stiprumas, sukurtas vienos iš plokščių krūvio, yra lygus E/2, Kur E-lauko stiprumas kondensatoriuje. Vienodame vienos plokštelės lauke yra krūvis q, paskirstytas ant kitos plokštės paviršiaus ( 14.38 pav). Pagal (14.14) formulę krūvio potencinei energijai vienodame lauke energijos kondensatorius yra lygus:
Kur q- kondensatoriaus įkrova ir d- atstumas tarp plokščių. Nes Ed=U, Kur U yra potencialų skirtumas tarp kondensatoriaus plokščių, tada jo energija yra lygi:
Ši energija lygi darbui, kurį atliks elektrinis laukas, kai plokštės bus suartintos. Pakeitę potencialų skirtumą arba krūvį formulėje (14.25), naudodami kondensatoriaus talpos išraišką (14.22), gauname:
W=qU/2=q^2/ 2C=CU^2/ 2
Galima įrodyti, kad šios formulės galioja bet kuriam kondensatoriui, o ne tik plokščiam. Elektrinio lauko energija. Pagal trumpojo nuotolio veikimo teoriją visa įkrautų kūnų sąveikos energija yra sutelkta šių kūnų elektriniame lauke. Tai reiškia, kad energija gali būti išreikšta pagrindine lauko charakteristika - įtampa. Kadangi elektrinio lauko stiprumas yra tiesiogiai proporcingas potencialų skirtumui ( U = Red, tada pagal formulę W=qU/2=q^2/ 2C=CU^2/ 2
kondensatoriaus energija yra tiesiogiai proporcinga jo viduje esančio elektrinio lauko stiprio kvadratui: W~E^2. Kondensatorių pritaikymas. Kondensatoriaus elektrinės talpos priklausomybė nuo atstumo tarp jo plokščių naudojama kuriant vieną iš kompiuterių klaviatūrų tipų. Kiekvieno klavišo gale yra viena kondensatoriaus plokštelė, o po klavišais esančioje plokštėje – kita. Paspaudus klavišą keičiasi kondensatoriaus talpa. Prie šio kondensatoriaus prijungta elektroninė grandinė paverčia signalą į atitinkamą kodą, kuris perduodamas kompiuteriui. Kondensatoriaus energija dažniausiai nėra labai didelė – ne daugiau kaip šimtai džaulių. Be to, jis tarnauja neilgai dėl neišvengiamo įkrovos nuotėkio. Todėl įkrauti kondensatoriai negali pakeisti, pavyzdžiui, baterijų kaip šaltinių elektrinis energijos. Tačiau tai visiškai nereiškia, kad kondensatoriai, kaip energijos kaupimo įrenginiai, nebuvo praktiškai pritaikyti. Jie turi vieną svarbus turtas: Kondensatoriai gali kaupti energiją daugmaž ilgą laiką, o iškraunami per mažos varžos grandinę, energiją atpalaiduoja beveik akimirksniu. Ši savybė plačiai naudojama praktikoje. Naudota blykstės lemputė nuotraukos, valgo elektros šokas kondensatoriaus iškrovimas, iš anksto įkrautas specialia baterija. Kvantinių šviesos šaltinių - lazerių sužadinimas atliekamas naudojant dujų išlydžio vamzdį, kurio blyksnis įvyksta, kai išsikrauna didelės elektrinės talpos kondensatorių bankas. Tačiau kondensatoriai daugiausia naudojami radijo inžinerijoje. Kondensatoriaus energija yra proporcinga jo elektrinei talpai ir įtampos tarp plokščių kvadratui. Visa ši energija sutelkta elektriniame lauke. Lauko energija yra proporcinga lauko stiprumo kvadratui.
8 paskaita. Elektrinio lauko energija
Elektrinio lauko energijos sąvoka yra neatsiejamai susijusi su jos kaupimo ir vartojimo sąvokomis. Iš to išplaukia, kad reikėtų atsižvelgti ir į šios energijos kaupimo įrenginius – elektrinius kondensatorius. Labai svarbu, kad moksleiviai suprastų, kiek energijos galima sukoncentruoti santykinai mažame šiuolaikinio kondensatoriaus tūryje. Ypač svarbūs yra eksperimentai, parodantys, kuriuose procesuose ši energija gali būti panaudota praktiniams poreikiams.
Elektrinės talpos ir kondensatorių tyrimas leidžia palyginti primityvius, bet iš esmės svarbius elektrostatikos metodus su šiuolaikinių elektrinių matavimo prietaisų galimybėmis. Tai visų pirma apima kasdieniame gyvenime plačiai naudojamus skaitmeninius multimetrus, kurie leidžia išmatuoti pikofaradų vienetų talpas. Todėl pirmiausia galite įvertinti talpą ir dielektrinę konstantą naudodami elektrostatinius metodus, o tada tiksliau išmatuoti šiuos kiekius naudodami multimetrą.
Įdomi metodologinė problema – pagrįsti pavienio laidininko elektrinės talpos sampratos įvedimo galimybes ir parengti optimalią šios sąvokos formavimo metodiką.
Vargu ar pavyks fizikos pamokose iki galo suformuluoti elektrinio lauko energijos sampratą. Todėl specialaus ugdymo klasėse būtinas užklasinis mokinių tyrimas.
8.1. Vienišo laidininko elektrinė talpa
Atlikdami savo tyrimus, studentai, žinoma, pastebėjo, kad laidininkai gali kaupti ir kaupti elektros krūvius. Šiai laidininkų savybei būdinga elektrinė talpa. Išsiaiškinkime, kaip nuo jo krūvio priklauso pavienio laidininko potencialas. Potencialas gali būti matuojamas begalybės taško atžvilgiu. Praktiškai patogiau matuoti įkrautų kūnų potencialą žemės atžvilgiu.
Ant elektrometro strypo uždėsime tuščiavidurį laidų rutulį ir prijungsime elektrometro korpusą prie žemės. Elektrometrą naudosime kaip elektrostatinį voltmetrą, matuojantį rutulio potencialą žemės atžvilgiu arba, kas yra tas pats, potencialų skirtumą tarp rutulio ir žemės. 
Naudodami bandomąjį rutulį, paliesdami elektros šaltinio laidininką, perkelsime tam tikrą krūvį rutulio viduje q. Elektrostatinio voltmetro adata nukryps, parodydama tam tikrą potencialą. Pakartokime eksperimentą, duodami tuščiavidurio rutulio krūvį 2 q, 3q... Pastebime, kad voltmetro adata nukrypsta, rodydama reikšmes 2, 3...
Taigi įkrovos santykis K laidus kūnas jo potencialui išlieka pastovus ir charakterizuoja elektros talpa dirigentas:
Pakeiskime tuščiavidurį elektrometro rutulį kitu, pavyzdžiui, mažesnio dydžio, ir pakartokime eksperimentą. Pastebime, kad skirdami jam tuos pačius mokesčius q, 2q, 3q, ... voltmetras rodo vertes, kurios didėja proporcingai įkrovimui, bet yra didesnės nei ankstesnėje eksperimentų serijoje. Tai reiškia pajėgumą C = K/ šis rutulys mažesnis.
SI sistemoje elektrinė talpa išreiškiama faradai: 1 F = 1 C/1 V.
8.2. Sferinio laidininko elektrinė talpa
Tegul terpėje su dielektrine konstanta yra sferinis laidininkas, kurio spindulys R. Jei potencialas begalybėje laikomas lygiu nuliui, tada įkrautos sferos potencialas
Tada sferos su spinduliu elektrinė talpa R Yra 
Taigi pavienio laidžiojo rutulio talpa yra proporcinga jo spinduliui.
Paprasti eksperimentai rodo, kad kūnai, turintys elektros krūvį, gali būti laikomi pavieniais, jei juos supantys kūnai nesukelia reikšmingo krūvio persiskirstymo.
8.3. Kondensatorius
Iš dviejų lygiagrečiai esančių identiškų laidžių plokščių padarykime kondensatorių ir prijungkime jį prie voltmetro funkciją atliekančio elektrometro. Ant elektrometro strypo uždėkite tuščiavidurę laidžią sferą. Vieną iš plokštelių įkraukime bandomuoju kamuoliuku, perkeldami į ją krūvį q iš elektrifikuoto ebonito lazdelės ar kito elektros šaltinio. Tokiu atveju voltmetras parodys tam tikrą įtampą U tarp plokščių.
Mes perkelsime vienodus krūvius tuščiavidurės sferos viduje, taigi ir ant kondensatoriaus plokštės. Tokiu atveju pamatysime, kad voltmetro rodmenys padidėja vienodomis reikšmėmis. Tai reiškia, kad dviejų laidžių plokščių sistema turi talpą
ir gali atlikti kondensatoriaus – elektros krūvio kaupiklio – funkciją. Pabrėžkime tai čia q– vienos iš kondensatoriaus plokštelių įkrovimas.
8.4. Lygiagrečiojo plokštelinio kondensatoriaus talpa
Teoriškai apskaičiuokime plokščiojo kondensatoriaus elektrinę talpą. Lauko stiprumas, kurį sukuria viena iš jo plokščių 
kur yra paviršiaus krūvio tankis plokštėje. Pagal superpozicijos principą elektrinio lauko stipris tarp kondensatoriaus plokščių yra dvigubai didesnis (žr. 5.7 tyrimą): 
Kadangi laukas yra vienodas, potencialų skirtumas tarp plokščių, esančių atstumu d vienas nuo kito, lygūs 
Taigi lygiagrečiojo plokštės kondensatoriaus talpa yra:
Patvirtinkime teoriją eksperimentu. Norėdami tai padaryti, mes surinksime plokščią kondensatorių, įkrausime jį ir prijungsime plokštes prie elektrostatinio voltmetro. Palikdami nepakitusią kondensatoriaus įkrovą, pakeisime likusius jo parametrus, stebėdami voltmetrą, kurio rodmenys yra atvirkščiai proporcingi kondensatoriaus talpai:
Didėjantis atstumas d tarp kondensatoriaus plokščių proporcingai padidėja įtampa tarp jų, o tai reiškia kondensatoriaus talpą SU ~ 1/d. Perkeldami plokštes viena kitos atžvilgiu taip, kad jos liktų lygiagrečios, padidinsime plokščių persidengimo plotą S. Tuo pačiu metu įtampa tarp jų mažėja tiek pat, t.y. Kondensatoriaus talpa didėja: SU ~ S. Tarpą tarp plokštelių užpildykime dielektriku su dielektrine konstanta ir pažiūrėkime, kad voltmetro rodmenys sumažės koeficientu, t.y. SU ~ .
Kadangi sistemos įkrova išliko nepakitusi, galime daryti išvadą, kad kondensatoriaus talpa yra tiesiogiai proporcinga plokščių persidengimo plotui, atvirkščiai proporcinga atstumui tarp jų ir priklauso nuo terpės savybių, t.y. SU ~ S/d, kas patvirtina (8.2) formulę. Elektrinės konstantos 0 reikšmė gaunama matuojant eksperimentais U, q, d, S, o talpos apskaičiavimas vieną kartą pagal (8.1) formulę, o kitą kartą – pagal (8.2) formulę.
8.5. Lygiagretus kondensatorių prijungimas
Sujungiant du kondensatorius lygiagrečiai su talpomis SU 1 ir SU 2 įtampos ant jų yra vienodos ir lygios U, ir mokesčiai q 1 ir q 2 yra skirtingi. Akivaizdu, kad bendras akumuliatoriaus įkrovimas yra lygus kondensatorių įkrovų sumai q = q 1 + q 2, ir jo talpa:
(8.3)
8.6. Kondensatorių nuoseklus jungimas
Prie dviejų nuosekliai sujungtų kondensatorių baterijos prijungiame elektrostatinį voltmetrą su tuščiaviduriu rutuliu. Suteikime pirmojo kondensatoriaus, prijungto prie voltmetro, plokštelei įkrovą + q. Dėl indukcijos antroji šio kondensatoriaus plokštė įgis įkrovą - q, o antrojo kondensatoriaus, prijungto prie jo laidininku, plokštė yra krūvis + q. Dėl to abu kondensatoriai turės tą patį įkrovą q. Šiuo atveju kondensatorių įtampos skiriasi. Akivaizdu, kad kiekvieno kondensatoriaus įtampų suma yra lygi bendrai akumuliatoriaus įtampai:
Bet U = q/SU, U 1 = q/SU 1 , U 2 = q/SU 2, todėl akumuliatoriaus talpa nustatoma pagal formulę
8.7. Lygiagretaus plokštelinio kondensatoriaus energija
Suteikime įkrovą vienai iš plokščiojo kondensatoriaus plokščių q tokia vertė, kad potencialų skirtumas tarp plokščių taptų lygus U. Jei atstumas tarp plokščių d, tada elektrinio lauko stiprumas kondensatoriuje E = U/d.
Viena iš kondensatoriaus plokščių su įkrovimu q yra vienodame elektriniame lauke, kurį sukuria antroji intensyvumo plokštė E/2, todėl ją veikia traukos jėga prie antrosios plokštės f = qE/2. Potencialaus krūvio energija qšiame lauke yra lygus darbui, kurį atlieka elektrinis laukas, kai kondensatoriaus plokštės suartėja:
Į šią lygybę pakeičiant vertę Ed = U ir naudojant (8.1) formulę, mes nustatome, kad elektrinio lauko energija tarp kondensatoriaus plokščių: 
(8.5)
8.8. Savavališko kondensatoriaus energija
Gauta formulė galioja ne tik plokščiam kondensatoriui, bet ir apskritai bet kuriam kondensatoriui. Iš tiesų, tam tikros talpos kondensatoriaus įtampa yra tiesiogiai proporcinga jo įkrovimui U = q/C. Jei mokestis pasikeitė nedidele suma q, tada elektrinis laukas suveikė A = Uq. Pilnas darbas laukas akivaizdžiai lygus plotui po grafiku:
Situacija nepasikeis, jei vietoj kondensatoriaus naudosite atskirą laidininką. Jo potencialas (santykis su begalybe) yra = q/С, todėl elektrinio lauko energija
8.9. Kondensatoriuje sukauptos energijos eksperimentinis nustatymas
Mes išmatuosime kondensatoriaus energiją pagal šiluminis efektas. Į mėgintuvėlį įdėkite ploną metalinę spiralę. Mėgintuvėlį uždarome kamščiu su kapiliariniu vamzdeliu, kurio viduje yra vandens lašelis. Mes turime dujų termometras- prietaisas, kuriame lašo poslinkis mėgintuvėlyje yra proporcingas mėgintuvėlyje išsiskiriančios šilumos kiekiui. Per dviejų metalinių rutuliukų iškrovimo tarpą prie spiralės prijungsime kondensatorių, o lygiagrečiai su juo sujungsime elektrometrą su tuščiaviduriu rutuliuku. Kondensatoriui įkrauti naudosime bet kokį elektros šaltinį ir metalinį rutulį ant izoliacinės rankenos.
Įkraukime kondensatorių iki tam tikros įtampos ir, suartindami rutulius, iškraukime per spiralę. Tokiu atveju vamzdžio lašas pasislinks tam tikru atstumu. Kadangi iškrovimas vyksta greitai, oro kaitinimo mėgintuvėlyje procesą galima laikyti adiabatiniu, t.y. vyksta be šilumos mainų su aplinka.
Palaukite, kol oras mėgintuvėlyje atvės ir lašas grįš į pradinę padėtį. Padidinkime įtampą du, o paskui tris kartus. Po iškrovų lašas pasislinks atitinkamai keturis ir devynis kartus didesniu atstumu nei buvo pradinis. Pakeiskime kondensatorių kitu, kurio talpa dvigubai didesnė, ir įkraukime iki pradinės įtampos. Tada iškrovimo metu lašas pajudės dvigubai toliau.
Taigi patirtis patvirtina (8.5) formulės pagrįstumą. W = CU 2/2, pagal kurį kondensatoriuje sukaupta energija yra proporcinga jo talpai ir įtampos kvadratui.
8.10. Elektrinio lauko energijos tankis
Elektrinio lauko energiją tarp kondensatoriaus plokščių išreikškime tokia formule, kad joje nebūtų dydžių, charakterizuojančių patį kondensatorių, o liktų tik lauką apibūdinantys dydžiai. Akivaizdu, kad tai galima pasiekti tik vienu būdu: apskaičiuoti lauko energiją tūrio vienetui. Kadangi įtampa per kondensatorių U = Red, o jo talpa šias išraiškas pakeitus formule (8.5), gaunama:
Didumas Sd reiškia tūrį V elektrinis laukas kondensatoriuje. Todėl elektrinio lauko energijos tankis 
yra proporcinga jo įtempimo kvadratui.
8.1 tyrimas. Lygiagrečiojo plokštės kondensatoriaus talpos matavimas naudojant multimetrą
Informacija. Pastaraisiais metais atsirado daugybė įvairių tipų skaitmeninių multimetrų. Šie prietaisai iš esmės leidžia matuoti įtampą, srovę, varžą, temperatūrą, talpą, induktyvumą, nustatyti tranzistorių parametrus. Multimetru išmatuojamų dydžių sąrašas nustatomas pagal multimetro tipą. Dabar mus domina multimetrai, galintys matuoti talpą; Tai apima, pavyzdžiui, M890G ir DT9208A tipų įrenginius. Tikslumo dėlei toliau kalbėsime apie pastarąjį įrenginį.
Problema. Kaip eksperimentiškai patvirtinti teoriškai gautos kondensatoriaus talpos formulės pagrįstumą?
Pratimas. Sukurkite demonstracinį eksperimentą, kuris leis klasėje patvirtinti (8.2) formulės pagrįstumą plokščiojo kondensatoriaus talpai su oro dielektriku.
Vykdymo variantas. 
Iš elektrostatiniame komplekte esančių apvalių plokščių surinkite plokščią kondensatorių ir prijunkite prie jo multimetrą. Naudodami liniuotę išmatuokite plokščių skersmenį ir atstumą tarp jų. Naudodami (8.2) formulę, apskaičiuokite kondensatoriaus talpą ir palyginkite gautą vertę su išmatuota. Atliekant demonstracinį eksperimentą, gali būti gauti tokie rezultatai, pavyzdžiui: kondensatoriaus plokščių skersmuo D= 0,23 m, atstumas tarp plokščių d= 0,01 m, talpa apskaičiuojama pagal formulę: 
multimetras rodo tą pačią reikšmę.
Pakeiskite atstumą tarp plokščių, kondensatoriaus plokščių persidengimo sritį ir įdėkite tarp jų įvairius dielektrikus. Tokiu atveju atitinkamai pasikeičia multimetru išmatuotos kondensatoriaus talpos vertės. Kartu su mokiniais išanalizuokite eksperimento rezultatus ir padarykite išvadą dėl (8.2) formulės pagrįstumo.
8.2 tyrimas. Dielektrinės konstantos nustatymas talpos matavimo metodu
Pratimas. Skaitmeniniu multimetru nustatykite įvairių medžiagų dielektrines konstantas.
Vykdymo variantas. Surinkite plokščią kondensatorių su oro dielektriku, išmatuokite atstumą d tarp plokščių ir talpyklos SU 0 kondensatorius. Išmatuokite storį l plokštumai lygiagreti dielektrinė plokštė, atsargiai įkiškite dielektriką tarp plokščių ir multimetro ir išmatuokite talpą SU. Pagal formulę 
Apskaičiuokite medžiagos dielektrinę konstantą. Papasakokite mokiniams, kaip gaunama ši formulė. Išmatuokite stiklo, organinio stiklo, vinilo plastiko, tekstolito, polietileno ir kt. dielektrines konstantas. Palyginkite gautas vertes su lentelės vertėmis.
Tyrimas 8.3. Kondensatorių lygiagrečios ir nuoseklios jungtys
Pratimas. Skaitmeniniu multimetru patvirtinkite lygiagrečiai ir nuosekliai sujungtų kondensatorių talpos formulių (8.3) ir (8.4) galiojimą.
Vykdymo variantas. 
Pasirinkite radijo kondensatorius, kurių talpa nuo dešimčių pikofaradų iki dešimčių nanofaradų, ir naudokite multimetrą jų talpai nustatyti. Atkreipkite dėmesį, kad išmatuotos vertės, kaip taisyklė, nesutampa su nurodytomis ant kondensatorių korpusų. Tai paaiškinama tuo, kad leistina radijo kondensatorių talpos paklaida siekia 20%. Lygiagrečiai sujunkite kondensatorius, išmatuokite gautą talpą ir įsitikinkite, kad ji lygi kiekvieno kondensatoriaus talpų sumai. Tada sujunkite kondensatorius nuosekliai ir įsitikinkite, kad gautos talpos atvirkštinė vertė yra lygi prijungtų kondensatorių talpų atvirkštinių dydžių sumai.
Mokiniams gali būti pateikiamos kiekybinės užduotys įvairių kondensatorių baterijų talpai apskaičiuoti, o po to sprendimas išbandyti realiame eksperimente.
8.4 tyrimas. Elektros lauko darbai
Pratimas. Kai įkrautas kūnas iškeliamas į šviesą, ant paviršiaus guli rutuliai, jie pradeda šokinėti. Naudodamiesi šiuo reiškiniu, eksperimentiškai parodykite, kad darbas, kurį atlieka elektrinis laukas judinant krūvį, yra proporcingas potencialų skirtumui, kurį praėjo šis krūvis: A = qU.
Vykdymo variantas. 
Pritvirtinkite stacionarų plokščią elektrodą horizontaliai šalia plastikinio butelio dugno, o judantį elektrodą lygiagrečiai jam virš jo. Prie butelio sienelės priklijuokite skalę su milimetrų padalomis. Tarp elektrodų įdėkite putplasčio rutulį, apvyniotą plona aliuminio folija. Prijunkite elektrodus prie aukštos įtampos šaltinio. Kai įtampa yra prijungta prie elektrodų, rutulys pradės atšokti. Padidindami įtampą, priverskite rutulį šokinėti į aukštį h, lygus atstumui d tarp elektrodų. Šiuo atveju darbas, kurį atlieka elektrinis laukas, norint perkelti įkrautą rutulį A = qU = mgh. Padvigubinkite įtampą ir patikrinkite aukštį h taip pat padvigubės. Iš savo patirties padarykite išvadą.
Atkreipkite dėmesį, kad potencialų skirtumas išreiškiamas elektrinio lauko stiprumu pagal formulę U = Red. Kadangi pagal eksperimentines sąlygas h = d, tada nuo apatinio elektrodo atsiskyręs rutulys veikiamas pastovios modulio jėgos iš elektrinio lauko F = Eq = mg.
8.5 tyrimas. Elektrostatinis variklis
Pratimas. Elektrostatinio variklio darbiniam modeliui sukurti naudokite elektrinio vėjo fenomeną (žr. 7.7 tyrimą).
Vykdymo variantas. Pirmasis elektrostatinį variklį pagamino vienas iš elektros doktrinos pradininkų, iškilus amerikiečių mokslininkas B. Franklinas. Taip vadinamas Franklino ratas galima bet kurioje fizikos klasėje (nuotrauka aukščiau).
Namuose moksleiviai gali pasigaminti paprasčiausią tokio variklio modelį, jei ant vieno iš pjezoelektrinio šaltinio elektrodų uždeda iš aliuminio folijos išpjautą „Segner“ rato formos figūrą (nuotrauka žemiau). Periodiškai paspausdami šaltinio svirtį, jie galės nustatyti susidariusį Franklino ratą į nuolatinį sukimąsi.
Nuotraukoje matomas kur kas galingesnis elektrostatinis variklis, galintis pasukti net ventiliatoriaus sparnuotė. Prietaisas sumontuotas ant plastikinio butelio.
8.6 tyrimas. Įkrauto kondensatoriaus energija
Pratimas. Mokiniai ilgai prisimins kondensatoriaus gebėjimą kaupti elektros energiją, jei prieš akis surinks kondensatorių ir pademonstruos jo veikimą. Pasiūlykite paprastą metodą, kaip pasigaminti tokį kondensatorių, kuris patrauktų moksleivių vaizduotę.
Vykdymo variantas. Paruoškite dvi duraliuminio plokštes, kurių matmenys, pavyzdžiui, 15-15 cm. Iš storos plastikinės plėvelės išpjaukite maždaug 20-20 cm dydžio stačiakampį ir, įdėję jį tarp plokščių, surinkite kondensatorių. Įjunkite aukštos įtampos šaltinį, nustatykite įtampą iki 10 kV ir, suartindami šaltinio elektrodus, parodykite tarp jų šokinėjančią kibirkštį. Tada iš to paties šaltinio, esant tokiai pat įtampai, įkraukite kondensatorių, surinktą ant demonstravimo stalo. Iškraukite kondensatorių ir parodykite, kad susidaro daug galingesnė kibirkštis nei iškraunant tarp šaltinio elektrodų. Atkreipkite dėmesį, kad dirbant su kondensatoriais reikia laikytis saugos taisyklių.
8.7 tyrimas. Galvaninių elementų baterija
Problema. Mokiniai yra susipažinę su atskirais galvaninių elementų elementais ir baterijomis, plačiai naudojamais kasdieniame gyvenime. Moksleiviai žino, kad šie įrenginiai pasižymi įtampa ir gali gaminti elektros srovę. Tačiau šių šaltinių įtampa neviršija kelių voltų, o elektrostatikoje naudojama tūkstančių ir dešimčių tūkstančių voltų įtampa. Todėl galvaninių šaltinių elektrodų krūviai praktiškai nepasireiškia. Kaip galime eksperimentiškai įrodyti, kad galvaninių elementų baterijų gnybtuose iš tikrųjų yra elektros krūvių, kurių fizinė prigimtis yra tokia pati kaip ir elektrostatiniuose eksperimentuose?
Pratimas. Atlikite eksperimentą, kad aptiktumėte krūvius galvaninių elementų akumuliatoriaus gnybtuose ir nustatytumėte jų ženklą.
Vykdymo variantas. 
Elektrometrų komplekte yra diskinis kondensatorius, kurį sudaro du 100 mm skersmens metaliniai diskai, kurių darbiniai paviršiai padengti plonu lako sluoksniu. Viename iš diskų yra laikiklis, skirtas tvirtinti prie elektrometro strypo, antrasis yra su izoliacine rankena.
Naudodami nurodytą įrangą ir vadovaudamiesi nuotrauka, atlikite užduotį.
8.8 tyrimas. Įkrauto kondensatoriaus energijos įvertinimas
Informacija. 2.7 tyrime buvote įsitikinę, kad elektrinio lauko energiją galima įvertinti pagal kaitrinės lempos blyksnį, atsirandantį, kai iškraunami lauką sukuriantys įkrauti kūnai. Išties iškrovos metu stacionarių krūvių potencinė energija virsta judančių krūvių kinetine energija, krūviai neutralizuojami, laukas išnyksta. Laisvųjų krūvių judėjimas išilgai laidininko sukelia jo įkaista.
Pratimas. Paruoškite dvi 4,5 V baterijas, du 1000 μF talpos elektrolitinius kondensatorius, skirtus darbinė įtampa ne žemesnė kaip 12 V, ir keturios lemputės žibintuvėliui, kurios įtampa 1 V. Įrodykite, kad įkrauto kondensatoriaus energija yra proporcinga jo talpai ir įtampos kvadratui.
Klausimai savikontrolei
1. Kokia laidininko ir laidininkų sistemos elektrinės talpos sampratos įvedimo ir formavimo metodika?
2. Kaip demonstraciniame eksperimente galima pagrįsti plokščiojo kondensatoriaus talpos formulės pagrįstumą?
3. Kaip tikslinga tiesiogiai klasėje parodyti medžiagos dielektrinės konstantos nustatymo metodo esmę?
4. Pasiūlyti elektros lauko energijos tankio sampratos įvedimo ir formavimo metodiką.
5. Parengti tiriamųjų užduočių seriją, skirtą studentams eksperimentiškai pagrįsti elektrostatinių variklių konstrukciją.
6. Išvardykite ryškiausius eksperimentus, rodančius kondensatorių elektros energijos kaupimąsi.
7. Kaip įrodyti, kad kasdieniame gyvenime naudojamos galvaninių elementų baterijos iš esmės nesiskiria nuo elektrostatinių elektros šaltinių?
8. Kokie eksperimentai gali patvirtinti, kad kondensatoriuje sukaupta energija yra proporcinga jo talpai ir įtampos kvadratui?
Literatūra
Butikovas E.I., Kondratjevas A.S. Fizika: vadovėlis. vadovas: 3 knygose. Knyga 2. Elektrodinamika. Optika. – M.: Fizmatlit, 2004 m.
Parodomasis fizikos eksperimentas vidurinėje mokykloje vidurinė mokykla. T. 2. Elektra. Optika. Atomo fizika: Red. A. A. Pokrovskis. – M.: Išsilavinimas, 1972 m.
Mayeris V.V., Mayer R.V. Elektra. Edukacinis tyrimas: Mokytojų ir mokinių biblioteka. – M.: FML, 2007 m.
Šilovas V.F. Dėl prioritetinių priemonių materialiniam ir techniniam fizikos kabineto atnaujinimui. – Ugdomoji fizika, 2000, № 4.
Norint teisingai atvaizduoti kondensatoriaus veikimą, būtina tiksliai žinoti jo veikimą. Būtent jų savybės yra šių specialių prietaisų veikimo pagrindas. Vienas iš veikimo rodiklių yra įkrauto kondensatoriaus energija, kurios formulė gana tiksliai apibūdina šį procesą. Be to, jūs turite žinoti, kas iš tikrųjų yra įprastas standartinis kondensatorius.
Kondensatoriaus konstrukcija ir veikimo principas
Pavadinimas kondensatorius turi lotyniškas šaknis, reiškiančias kondensaciją arba kondensaciją. Jis turi du polius ir turi talpą su kintamu arba pastovią vertę. Išskirtinis bruožas Kondensatorius yra jo nereikšmingas laidumas. Šis prietaisas atlieka pagrindinę funkciją, susijusią su tam tikro krūvio ir elektros energijos kaupimu.
Kondensatorius priklauso pasyviųjų elektroninių komponentų kategorijai. Tipiškas dizainas apima du plokštelių pavidalo elektrodus, atskirtus dielektriku. Jo storis yra žymiai mažesnis nei plokščių, kurios vadinamos plokštėmis. Praktiniuose kondensatoriuose plokštės ir elektrodai susideda iš daugelio sluoksnių. Paprastai jie keičiasi juostelių pavidalu, susuktų į gretasienį arba cilindrą.
At DC, įkrovimas ir įkrovimas įvyksta, kai prie grandinės yra prijungtas kondensatorius. Išjungus juo neteka srovė. Grandinėse kintamoji srovė, ciklinio įkrovimo metu atliekami virpesiai, o uždarymas atliekamas naudojant poslinkio srovę.
Kondensatoriaus energijos vertė
Visų pirma, būtina atsižvelgti į tokią sąvoką kaip elektrinė talpa. Įprastoje naršyklėje šis parametras beveik nenaudojamas. Labiausiai tinka įkrautam kondensatoriui, kuris savo esme yra ir laidininkas ar net laidininkų sistema. Priklausomai nuo talpos, nustatoma įkrauto kondensatoriaus energija, kurios formulė atspindi jo vertę.
Beveik kiekvienas kondensatorius, jį įkrovus, pradeda turėti energijos. Viskas, ką jums reikia padaryti, tai įjungti lemputę, kad pamatytumėte, kaip ji užsidega. trumpam laikui. Tai rodo, kad yra tam tikrų energijos atsargų, kurios išsiskiria iškrovos metu. Jis atsiranda kaip potenciali energija, su kuria kondensatoriaus plokštės sąveikauja viena su kita. Šios plokštės turi priešingus krūvius, kurie gali pritraukti viena kitą.
Energijos vertė priklauso nuo įkrovos dydžio, tinklo įtampos ir kitų veiksnių. Kuo daugiau, tuo didesnė energija.