Как мы уже видели (см. § 80), проводник, обладающий большой электроемкостью, должен иметь очень большие размеры. Например, уединенный металлический шар емкостью в имеет радиус Можно, однако, создать такую систему, состоящую из проводников, разделенных диэлектриками, которая будет обладать большой емкостью при малых размерах. Такого рода электрическая система называется конденсатором. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин - обкладок, разделенных тонким слоем диэлектрика (рис. 167). Обкладкам этого конденсатора, называемого плоским, сообщаются разноименные равные по величине заряды.
В соответствии с формулой (31) емкость С плоского конденсатора равна отношению заряда одной из его обкладок к разности потенциалов этих обкладок:
Введем обозначения: расстояние между обкладками конденсатора, площадь каждой обкладки, - поверхностная плотность заряда обкладки, диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между обкладками. При малом значении можно считать поле внутри конденсатора однородным. Тогда, учитывая, что напряженность поля равна по величине градиенту потенциала, можно написать
или, учитывая формулу (18) и наличие диэлектрика,
Подставляя последнее выражение в формулу (51) и учитывая, что получим формулу емкости плоского конденсатора:
Из этой формулы следует, что емкость плоского конденсатора тем больше, чем больше площадь обкладок и диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей их, и чем меньше расстояние между обкладками.
Практически конденсатор обычно изготовляют из двух тонких, узких и длинных лент металлической фольги, проложенных очень тонкой лентой пропарафинированной бумаги. Получающаяся трехслойная полоса свертывается плотным рулоном. Такой конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает емкостью (металлический шар такой же емкости имел бы радиус В конденсаторах переменной емкости применяются обычно газообразные и жидкие диэлектрики.
В связи с тем, что вне конденсатора электрическое поле отсутствует (см. § 77), заряженный конденсатор не может индуцировать заряды на расположенных по соседству с ним проводниках. Поэтому соседние проводники не влияют на емкость конденсатора. Конденсаторы находят широкое применение в электротехнике.
Несколько конденсаторов можно объединить в батарею. Определим емкость конденсаторной батареи при параллельном и последовательном соединениях конденсаторов.
У всех параллельно соединенных конденсаторов разность потенциалов на обкладках одинакова и равна так как обкладки соединены проводником (рис. 168, а). Сумма одноименных зарядов на обкладках Емкость такой батареи равна
где емкость первого конденсатора, емкость второго конденсатора и
У последовательно соединенных конденсаторов (рис. 168, б) заряды всех обкладок одинаковы по величине и равны а разность потенциалов
Емкость такой батареи
где величина, обратная емкости первого конденсатора, величина, обратная емкости второго конденсатора, и т. д. Поэтому
Небезынтересно отметить, что орган для накапливания электрической энергии, имеющийся в некоторых рыб (электрический скат, электрический угорь и др.), представляет собой батарею конденсаторов значительной емкости, находящуюся под довольно высоким напряжением и развивающую при разряде большую мощность (у электрического угря напряжение достигает 1000 В, а разрядная мощность Эта батарея состоит из тонких чередующихся слоев проводящей (нервной) и непроводящей (соединительной) ткани. Электроэнергия вырабатывается нервной системой спинного мозга.
С помощью плоского конденсатора американский физик Милликен в 1909 г. впервые осуществил экспериментальное определение величины заряда электрод на Идея опыта Милликена состояла в следующем. Между горизонтально расположенными пластинами плоского конденсатора приложена разность
потенциалов измеряемая вольтметром V (рис. 169). Расстояние между пластинами нижняя пластина заряжена отрицательно. В пространство между пластинами вбрызгиваются посредством пульверизатора мельчайшие капельки жидкого масла, а воздух в этом пространстве ионизируется ультрафиолетовыми лучами. Образующиеся ионы могут присоединяться («прилипать») к масляным капелькам. В результате многие из капелек оказываются электрически заряженными.
На отрицательно заряженные капельки действуют две силы: направленная вниз сила тяжести
и направленная вверх электрическая сила
где масса капельки, ее заряд, напряженность электрического поля, ускорение силы тяжести. Наблюдая за одной из таких капелек с помощью микроскопа и изменяя посредством потенциометра разность потенциалов, можно подобрать такое значение , при котором капелька неподвижно повиснет в воздухе. Это означает, что по величине
Так как очень мелкие капельки практически шарообразны (см. § 59), то массу наблюдаемой капельки можно определить из очевидного соотношения
где диаметр капельки, измеряемый с помощью микроскопа плотность масла. Подставив в формулу (56) выражение массы (57) и выражение напряженности поля (52), получим соотношение
позволяющее рассчитывать величину заряда
На основе многочисленных измерений Милликен установил, что заряд оказывается всегда или равным, или кратным некоторому элементарному заряду т. е. заряду электрона.
Рассмотрим два заряженных проводника. Предположим, что все силовые линии, начинающиеся на одном из них, заканчиваются на другом. Для этого, разумеется, они должны иметь равные и противоположные по знаку заряды. Такая система двух проводящих тел называется конденсатором.
Примеры конденсаторов. Примерами конденсаторов могут служить две концентрические проводящие сферы (сферический, или шаровой, конденсатор), две параллельные плоские проводящие пластины при условии, что расстояние между ними мало по сравнению с размерами пластин (плоский конденсатор), два коаксиальных проводящих цилиндра при условии, что их длина велика по сравнению с зазором между цилиндрами (цилиндрический конденсатор).
Два проводника, образующие конденсатор, называются его обкладками.
Рис. 41. Электрическое поле в сферическом, плоском и цилиндрическом конденсаторах
Во всех таких системах при сообщении обкладкам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов электрическое поле практически целиком заключено в пространстве между обкладками (рис. 41). Внешний вид некоторых используемых в технике конденсаторов показан на рис. 42.
Основная характеристика конденсатора - электроемкость или просто емкость С, определяемая как отношение заряда одной из
обкладок к разности потенциалов т. е. к напряжению, между ними:
Распределение зарядов на обкладках будет одинаковым независимо от того, большой или малый заряд им сообщен. Это значит, что напряженность поля, а следовательно, и разность потенциалов между обкладками, пропорциональны сообщенному конденсатору заряду. Поэтому емкость конденсатора не зависит от его заряда.
Рис. 42. Устройство, внешний вид и условные обозначения на электрических схемах некоторых конденсаторов
В вакууме емкость определяется исключительно геометрическими характеристиками конденсатора, т. е. формой, размерами и взаимным расположением обкладок.
Единицы емкости. В СИ за единицу электроемкости принят фарад Емкостью 1 Ф обладает конденсатор, между обкладками которого устанавливается напряжение 1 В при сообщении заряда 1 Кл:
В абсолютной электростатической системе единиц СГСЭ электроемкость имеет размерность длины и измеряется в сантиметрах:
На практике обычно приходится иметь дело с конденсаторами, емкость которых значительно меньше 1 Ф. Поэтому используются доли этой единицы - микрофарад (мкФ) и пикофарад . Соотношение между фарадом и сантиметром легко установить, учитывая, что
Электроемкость и геометрия конденсатора. Зависимость емкости конденсатора от его геометрических характеристик легко проиллюстрировать простыми опытами. Воспользуемся для этого электрометром, подключенным к двум плоским пластинам, расстояние между которыми можно изменять (рис. 43). Чтобы заряды пластин были одинаковы и все поле было сосредоточено только между ними, следует заземлить вторую пластину и корпус электрометра. Отклонение стрелки электрометра пропорционально напряжению между обкладками. Если сдвигать или раздвигать пластины конденсатора, то при неизменном заряде напряжение будет соответственно уменьшаться или увеличиваться: емкость тем больше, чем меньше расстояние между пластинами. Аналогично можно убедиться в том, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин. Для этого можно просто сдвигать пластины при неизменном зазоре между ними.
Рис. 43. Емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами
Емкость плоского конденсатора. Получим формулу для емкости плоского конденсатора. Поле между его обкладками однородно за исключением небольшой области вблизи краев пластин. Поэтому напряжение между обкладками равно произведению напряженности поля Е на расстоянии между ними: Для нахождения напряженности поля Е можно воспользоваться формулой (1) § 6, которая связывает Е вблизи поверхности проводника с поверхностной плотностью зарядов с: Выразим а через заряд конденсатора и площадь пластины, считая распределение заряда равномерным, что согласуется с используемым предположением об однородности поля: Подставляя приведенные соотношения в общее определение емкости (1), находим
В СИ, где емкость плоского конденсатора имеет вид
В системе единиц СГСЭ k = 1 и
Емкость сферического конденсатора. Совершенно аналогично можно вывести формулу для емкости сферического конденсатора, рассматривая электрическое поле в промежутке между двумя заряженными концентрическими сферами радиусов Напряженность поля там такая же, как в случае уединенного заряженного шара радиуса Поэтому для напряжения между обкладками радиусов справедливо
Выражение для емкости получаем, подставляя в формулу (1):
Емкость уединенного проводника. Иногда вводят понятие емкости уединенного проводника, рассматривая предельный случай конденсатора, одна из обкладок которого удалена на бесконечность. В частности, емкость уединенного проводящего шара получается из (5) в результате предельного перехода что соответствует неограниченному увеличению радиуса внешней обкладки при неизменном радиусе внутренней
В системе единиц СГСЭ, где емкость уединенного шара равна его радиусу. Если проводник имеет несферическую форму, его емкость по порядку величины равна характерному линейному размеру, хотя, конечно же, зависит и от его формы. В отличие от уединенного проводника, емкость конденсатора гораздо больше его линейных размеров. Например, у плоского конденсатора характерный линейный размер равен причем Как видно из формулы (4), при этом
Конденсатор с диэлектриком. В рассмотренных выше примерах конденсаторов пространство между обкладками считалось пустым. Тем не менее полученные выражения для емкости справедливы и тогда, когда это пространство заполнено воздухом, как это было в описанных простых опытах. Если пространство между обкладками заполнить каким-либо диэлектриком, емкость конденсатора увеличивается. В этом легко убедиться на опыте, вдвигая диэлектрическую пластину в промежуток между обкладками заряженного конденсатора, подключенного к электрометру (рис. 43). При неизменном заряде конденсатора напряжение между обкладками уменьшается, что свидетельствует о возрастании емкости.
Уменьшение разности потенциалов между обкладками при внесении туда диэлектрической пластины свидетельствует о том, что напряженность электрического поля в зазоре становится меньше. Это уменьшение зависит от того, какой именно диэлектрик используется в опыте.
Диэлектрическая проницаемость. Для характеристики электрических свойств диэлектрика вводят физическую величину, называемую диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость - это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в заполненном диэлектриком конденсаторе (или напряжение между его обкладками) меньше, чем в отсутствие диэлектрика при том же заряде конденсатора. Другими словами, диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при заполнении его диэлектриком. Например, емкость плоского конденсатора, заполненного диэлектриком с проницаемостью равна
Приведенное здесь определение диэлектрической проницаемости соответствует феноменологическому подходу, при котором рассматриваются только макроскопические свойства вещества в электрическом поле. Микроскопический подход, основанный на рассмотрении поляризации атомов или молекул, из которых состоит вещество, предполагает исследование какой-либо конкретной модели и позволяет не только подробно описывать электрические и магнитные поля внутри вещества, но и понять, как протекают макроскопические электрические и магнитные явления в веществе. На этом этапе мы ограничиваемся только феноменологическим подходом.
Рис. 44. Параллельное соединение конденсаторов
У твердых диэлектриков значение лежит в пределах от 4 до 7, а у жидких - от 2 до 81. Такой аномально большой диэлектрической проницаемостью обладает обыкновенная чистая вода. Кроме воздушного конденсатора переменной емкости (см. рис. 42), используемого для настройки радиоприемников, все другие применяемые в технике конденсаторы заполнены диэлектриком.
Батареи конденсаторов. При использовании конденсаторов их иногда соединяют в батареи. При параллельном соединении (рис. 44) напряжения на конденсаторах одинаковы, а полный заряд батареи равен сумме зарядов конденсаторов для каждого из которых, очевидно, справедливо Рассматривая батарею как один
конденсатор, имеем
С другой стороны,
Сравнивая (8) и (9), получаем, что емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей:
Рис. 45. Последовательное соединение конденсаторов
При последовательном соединении предварительно незаряженных конденсаторов (рис. 45) заряды на всех конденсаторах одинаковы, а полное напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах:
С другой стороны, рассматривая батарею как один конденсатор, имеем
Сравнивая (11) и (12), видим, что при последовательном соединении конденсаторов складываются обратные емкостям величины:
При последовательном соединении емкость батареи меньше самой малой из емкостей соединенных конденсаторов.
В каком случае два проводящих тела образуют конденсатор?
Что называется зарядом конденсатора?
Как установить связь между единицами емкости СИ и СГСЭ?
Объясните качественно, почему емкость конденсатора увеличивается при уменьшении зазора между обкладками.
Получите формулу для емкости плоского конденсатора, рассматривая электрическое поле в нем как суперпозицию полей, создаваемых двумя плоскостями, заряженными разноименно.
Получите формулу для емкости плоского конденсатора, рассматривая его как предельный случай сферического конденсатора, у которого стремятся к бесконечности так, что разность остается постоянной.
Почему нельзя говорить о емкости уединенной бесконечной плоской пластины или отдельного бесконечно длинного цилиндра?
Охарактеризуйте кратко различие между феноменологическим и микроскопическим подходами при исследовании свойств вещества в электрическом поле.
Каков смысл диэлектрической проницаемости вещества?
Почему при расчете емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов оговаривалось условие, чтобы они предварительно не были заряжены?
В чем смысл последовательного соединения конденсаторов, если оно приводит лишь к уменьшению емкости?
Поле внутри и вне конденсатора. Чтобы подчеркнуть различие между тем, что называют зарядом конденсатора, и полным зарядом обкладок, рассмотрим следующий пример. Пусть наружная обкладка сферического конденсатора заземлена, а внутренней сообщен заряд д. Весь этот заряд равномерно распределится по внешней поверхности внутренней обкладки. Тогда на внутренней поверхности наружной сферы индуцируется заряд , следовательно, заряд конденсатора равен . А что будет на внешней поверхности наружной сферы? Это зависит от того, что окружает конденсатор. Пусть, например, на расстоянии от поверхности внешней сферы находится точечный заряд (рис. 46). Этот заряд никак не повлияет на электрическое состояние внутреннего пространства конденсатора, т. е. на поле между его обкладками. В самом деле, внутреннее и внешнее пространства разделены толщей металла наружной обкладки, в которой электрическое поле равно нулю.
Рис. 46. Сферический конденсатор во внешнем электрическом поле
Заряд на внешней поверхности обкладки. Но характер поля во внешнем пространстве и заряд, индуцированный на наружной поверхности внешней сферы, зависят от величины и положения заряда Это поле будет точно таким же, как и в случае, коща заряд находится на расстоянии от поверхности сплошного заземленного металлического шара, радиус которого равен радиусу внешней сферы конденсатора (рис. 47). Таким же будет и индуцированный заряд.
Для нахождения величины индуцированного заряда будем рассуждать следующим образом. Электрическое поле в любой точке пространства создается зарядом и зарядом, индуцированным
на поверхности шара, который распределен там, разумеется, неравномерно - как раз так, чтобы обратилась в нуль результирующая напряженность поля внутри шара. Согласно принципу суперпозиции потенциал в любой точке можно искать в виде суммы потенциалов полей, создаваемых точечным зарядом и точечными зарядами, на которые можно разбить распределенный по поверхности шара индуцированный заряд. Поскольку все элементарные заряды на которые разбит индуцированный на поверхности шара заряд находятся на одинаковом расстоянии от центра шара, то потенциал создаваемого им поля в центре шара будет равен
Рис. 47. Поле точечного заряда вблизи заземленного проводящего шара
Тогда полный потенциал в центре заземленного шара равен
Знак минус отражает тот факт, что индуцированный заряд всегда противоположного знака.
Итак, мы видим, что заряд на наружной поверхности внешней сферы конденсатора определяется тем окружением, в котором находится конденсатор, и не имеет никакого отношения к заряду конденсатора д. Полный заряд внешней обкладки конденсатора, разумеется, равен сумме зарядов ее внешней и внутренней поверхностей, однако заряд конденсатора определяется только зарядом внутренней поверхности этой обкладки, который связан силовыми линиями поля с зарядом внутренней обкладки.
В разобранном примере независимость электрического поля в пространстве между обкладками конденсатора и, следовательно, его емкости от внешних тел (как заряженных, так и незаряженных) обусловлена электростатической защитой, т. е. толщей металла внешней обкладки. К чему может привести отсутствие такой защиты, можно увидеть на следующем примере.
Плоский конденсатор с экраном. Рассмотрим плоский конденсатор в виде двух параллельных металлических пластин, электрическое поле которого практически целиком сосредоточено в пространстве между пластинами. Заключим конденсатор в незаряженную плоскую металлическую коробку, как показано на рис. 48. На первый взгляд может показаться, что картина поля между обкладками конденсатора не изменится, так как все поле сосредоточено между пластинами, а краевым эффектом мы пренебрегаем. Однако легко видеть, что это не так. Снаружи конденсатора напряженность поля равна нулю, поэтому во всех точках слева от конденсатора потенциал одинаков и совпадает с потенциалом левой пластины. Точно так же потенциал любой точки справа от конденсатора совпадает с потенциалом правой пластины (рис. 49). Поэтому, заключая конденсатор в металлическую коробку, мы соединяем проводником точки, имеющие разный потенциал.
В результате в металлической коробке будет происходить перераспределение зарядов до тех пор, пока не выравняются потенциалы всех ее точек. На внутренней поверхности коробки индуцируются заряды, и появится электрическое поле внутри коробки, т. е. снаружи конденсатора (рис. 50).
Рис. 48. Конденсатор в металлической коробке
Рис. 49. Электрическое поле заряженного плоского конденсатора
Рис. 50. Электрическое поле заряженного конденсатора, помещенного в металлическую коробку
Но это означает, что на внешних поверхностях пластин конденсатора тоже появятся заряды. Так как при этом полный заряд изолированной пластины не меняется, то заряд на ее внешней поверхности может возникнуть только за счет перетекания заряда с внутренней поверхности. Но при изменении заряда на внутренних поверхностях обкладок изменится напряженность поля между пластинами конденсатора.
Таким образом, заключение рассмотренного конденсатора в металлическую коробку приводит к изменению электрического состояния внутреннего пространства.
Изменение зарядов пластин и электрического поля в этом примере может быть легко рассчитано. Обозначим заряд изолированного конденсатора через Заряд, перетекающий на наружные поверхности пластин при надевании коробки, обозначим через Такой же заряд противоположного знака будет индуцирован на внутренних поверхностях коробки. На внутренних поверхностях пластин конденсатора останется заряд Тогда в пространстве между пластинами напряженность однородного поля будет равна в единицах СИ, а вне конденсатора поле направлено в противоположную сторону и его напряженность равна где - площадь пластины. Требуя, чтобы разность потенциалов между противоположными стенками металлической коробки была равна нулю, и считая для простоты расстояния между всеми пластинами одинаковыми и равными то
Этот результат легко понять, если учесть, что после надевания коробки поле существует во всех трех промежутках между пластинами, т. е. фактически имеются три одинаковых конденсатора, эквивалентная схема включения которых показана на рис. 51. Вычисляя емкость получившейся системы конденсаторов, получаем .
Надетая на конденсатор металлическая коробка осуществляет электростатическую защиту системы. Теперь мы можем подносить снаружи к коробке любые заряженные или незаряженные тела и при этом электрическое поле внутри коробки не изменится. Значит, не изменится и емкость системы.
Обратим внимание на то, что в разобранном примере, выяснив все, что нас интересовало, мы тем не менее обошли стороной вопрос о том, какие же силы осуществили перераспределение зарядов. Какое электрическое поле вызвало движение электронов в материале проводящей коробки?
Очевидно, что это может быть только то неоднородное поле, которое выходит за пределы конденсатора вблизи краев пластины (см. рис. 39). Хотя напряженность этого поля мала и не принимается во внимание при расчете изменения емкости, именно она определяет суть рассматриваемого явления - перемещает заряды и этим вызывает изменение напряженности электрического поля внутри коробки.
Почему под зарядом конденсатора следует понимать не полный заряд обкладки, а только ту его часть, что находится на ее внутренней стороне. обращенной к другой обкладке?
В чем проявляется роль краевых эффектов при рассмотрении электростатических явлений в конденсаторе?
Как изменится емкость батареи конденсаторов, если замкнуть между собой обкладки одного из них?
По-отдельности помещенные в электрическое поле, проявляют собственные индивидуальные качества. Именно проявление этих качеств сделало возможным применить их совместно. В результате, к электротехническим элементам добавились специальные устройства - конденсаторы. При проведении дальнейших исследований были установлены основные физические свойства этих устройств, в том числе и энергия электрического поля конденсатора, выделяемая в процессе его разрядки. Эта величина представляет собой потенциальную энергию, возникающую при взаимодействии обкладок конденсатора, поскольку, заряженные разноименно, они создают взаимное притяжение.
Емкость - основное свойство конденсатора
Прежде чем рассматривать энергию конденсатора, следует остановиться на его основном свойстве - емкости. Когда двум проводникам, изолированным один от другого, сообщаются заряды q1 и q2, между ними наблюдается появление определенной разности потенциалов Δφ. Данная разность полностью зависит от величины зарядов и геометрической конфигурации проводников. Эта величина, возникающая в электрическом поле между двумя точками, известна также, как напряжение, обозначаемое символом U.
Наибольшее практическое значение имеют заряды проводников с одинаковым модулем и противоположными знаками: q1 = - q2 = q. С их помощью выводится такое понятие, как электрическая емкость системы, состоящей из двух проводников. Данная категория представляет собой физическую величину, в которой заряд q какого-либо проводника, соотносится с разностью потенциалов Δφ. В виде формулы это будет выглядеть следующим образом: Системой СИ в качестве единицы электроемкости установлен фарад, который равен: 1Ф = 1Кл/1В
Электроемкость может иметь разную величину, в зависимости от форм и размеров проводников, а также от , разделяющего эти проводники. Изменение значения емкости позволяет определить, как изменится энергия электрического поля конденсатора при использовании некоторых конфигураций проводников возникает электрическое поле, сосредоточенное лишь на определенном участке. Подобные системы получили название конденсаторов, в которых функцию обкладок выполняют проводники.
Конструкция простейшего конденсатора включает в себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно между собой на расстоянии, меньшем, чем толщина самих пластин. Обе пластины разделяет слой диэлектрика. Такая система получила название плоского конденсатора. Его электрическое поле локализуется преимущественно между пластинами. Кроме того, слабое поле возникает около краев пластин, а также в окружающем их пространстве. Оно называется полем рассеяния, которое не оказывает существенного влияния на многие решаемые задачи. Поэтому в большинстве случаев учитывается только электрическое поле, сосредоточенное только между обкладками конденсатора.
Модуль напряженности электрического поля, создаваемого заряженными пластинами плоского конденсатора, представляет собой соотношение: Е1 = Ϭ/2ε0. Соответственно, сумма напряженности каждой пластины, равна общей напряженности поля. Положительные и отрицательные векторы напряженности, расположены параллельно внутри конденсатора, поэтому напряженность суммарного поля будет равна: Е = 2Е1 = Ϭ/ε0. Вне пластин положительный и отрицательный векторы оказываются направленными в разные стороны, в связи с чем Е = 0.
Заряд пластин обладает поверхностной плотностью Ϭ, равной q/S. В данной формуле q является величиной заряда, а S - площадью пластин. Разность потенциалов (Δφ) однородного электрического поля будет равна Ed, где величина d является расстоянием между пластинами. После соединения всех этих соотношений, получается формула, определяющая электрическую емкость плоского конденсатора:
Из этой видно, что между электроемкостью плоского конденсатора и площадью обкладок существует прямая пропорция, и обратная пропорция с расстоянием между этими обкладками.
Энергия электрического поля
Как показывает практика, все заряженные конденсаторы обладают определенным запасом энергии. Данная величина является равной работе внешних сил, затрачиваемой для зарядки конденсатора. Непосредственная зарядка конденсатора происходит в виде последовательного переноса зарядов небольшими порциями с одной пластины на другую. В это время осуществляется постепенная зарядка одной обкладки положительным зарядом, а другой - отрицательным.
Перенос каждой порции выполняется при наличии на обкладках некоторого заряда q. Между обкладками имеется определенная . В связи с этим, в процессе переноса каждой порции заряда, внешними силами совершается работа: ΔА = UΔq = qΔq/C.
Существует максимальная энергия электрического поля конденсатора, формула которой отображается таким образом: We = A = Q2/2C, где We - энергия конденсатора, А - работа, C и Q - соответственно емкость и заряд конденсатора. Если использовать соотношение Q = CU, то формула энергии заряженного конденсатора может быть выражена в другой форме: We = Q2/2C = CU2 = QU/2
Электрическая энергия We по своим физическим качествам аналогична потенциальной энергии, накопленной в заряженном конденсаторе. Как уже отмечалось, локализация электрической энергии конденсатора осуществляется между его обкладками, то есть в электрическом поле. Поэтому она получила название энергия электрического поля конденсатора, формула которой выводится из нескольких понятий и определений.
Если в качестве примера взять плоский заряженный конденсатор, то напряженность его однородного поля составит E = U/d, а его емкость будет равна С = ε0 εS/d. В результате, энергия электрического поля будет выражена в следующем виде: We = CU2/2 = ε0 εSЕ2d2/2d = (ε0 εЕ2/2) x V. В этой формуле V является пространственным объемом между обкладками, заполненным электрическим полем. Таким образом, We в качестве физической величины представляет собой электрическую или потенциальную энергию единицы пространственного объема, в котором существует электрическое поле. Эта величина также известна, как объемная плотность электроэнергии.
Формула электроемкости следующая.
Измеряется эта величина в фарадах. Как правило, емкость элемента очень мала и измеряется в пикофарадах.
В задачах часто спрашивается, как изменится электроемкость конденсатора, если увеличить заряд или напряжение. Это вопрос с подвохом. Проведем другую аналогию.
Представьте, что речь идет про обычную банку, а не конденсатор. Например, у вас она трехлитровая. Аналогичный вопрос: что произойдет со вместимостью банки, если туда налить 4 литра воды? Разумеется, вода просто выльется, но при этом размеры банки никак не изменятся.
То же самое с конденсаторами. Заряд и напряжение никак не влияют на емкость. Этот параметр зависит только от реальных физических размеров.
Формула будет следующей
Только эти параметры влияют на реальную электроемкость конденсатора.
На любом конденсаторе есть маркировка с техническими параметрами.
Разобраться несложно. Достаточно минимальных знаний по электричеству.
Соединение конденсаторов
Конденсаторы, так же как и сопротивления, можно подключать последовательно и параллельно. Кроме этого, в схемах бывают и смешанные соединения.
Как видите, электроемкость конденсатора в обоих случаях считается по-разному. Это также относится к напряжению и заряду. По формулам видно, что электроемкость конденсатора, вернее, их совокупности в схеме, будет наибольшей при параллельном соединении. При последовательном общая емкость значительно уменьшается.
При подключении последовательно заряд размещается равномерно. Он будет везде одинаков - как суммарный, так и на каждом конденсаторе. А когда соединение параллельное, суммарный заряд складывается. Это важно помнить при решении задач.
Напряжение считается наоборот. При последовательном соединении складываем, а при параллельном оно равно везде.
Здесь приходится выбирать: если вам нужно больше напряжения, тогда жертвуем емкостью. Если емкость, то огромного напряжения не будет.
Виды конденсаторов
Существует огромное количество конденсаторов. Они отличаются как по размеру, так и по форме.
Разумеется, емкость вычисляется у всех по-разному.
Электроемкость плоского конденсатора
Электроемкость плоского конденсатора определяется проще всего. Эту формулу в основном все и помнят, в отличии от других.
Здесь всё зависит от физических параметров и среды между пластинами.
Здесь также большое значение имеет, какой диэлектрик или материал помещен внутрь. Так как деталь имеет размер сферы, ее емкость зависит от радиуса.
В случае с цилиндрической формой, кроме среды внутри, значение имеют радиусы и длина цилиндра.
Подумайте, как изменится электроемкость плоского конденсатора, если на нем будут повреждения? Существуют различные сбои, которые могут повлиять на работоспособность конденсаторов.
Например, они рассыхаются или вздуваются. После этого они становятся непригодными для нормальной работы устройства, куда установлены.
Рассмотрим примеры повреждений и выхода из строя конденсаторов. Вздуться могут все сразу.
Иногда из строя выходят только несколько. Такое бывает, когда конденсаторы разных параметров или качества.
Наглядный пример порчи (вздутие, разрыв и выход наружу содержимого).
Если вы увидите вот такие ленты, это крайняя степень повреждения. Хуже и быть не может.
Если вы заметите на устройстве (например на видеокарте в компьютере) такие вздутые конденсаторы, это повод задуматься о замене детали.
Подобные проблемы можно устранить только заменой на аналогичную деталь. У вас должны совпадать все параметры один в один. Иначе работа может быть некорректной или очень кратковременной.
Менять конденсаторы нужно аккуратно, не повредив платы. Выпаивать нужно быстро, не допуская перегрева. Если вы не умеете этого делать, лучше отнесите деталь в ремонт.
Основной причиной разрушения является перегрев, который возникает в случае старения или большого сопротивления в цепи.
Рекомендуется не затягивать с ремонтом. Поскольку у поврежденных конденсаторов изменяется емкость, устройство, где они расположены, будет работать с отклонением от нормы. И со временем это может стать причиной выхода из строя.
Если у вас на видеокарте вздулись конденсаторы, то их своевременная замена может исправить ситуацию. В противном случае может сгореть микросхема или что-то еще. В таком случае ремонт будет стоить очень дорого или вовсе окажется невозможным.
Меры предосторожности
Выше был приведен пример с банкой воды. Там говорилось, что если воды налить больше, то воды выльется. А теперь подумайте, куда могут "вылиться" электроны в конденсаторе? Ведь он запечатан полностью!
Если вы подадите в цепи больше тока, чем тот, на который рассчитан конденсатор, то как только он зарядится, его излишек попытается выйти куда-то. А пространства свободного нет. Результатом будет взрыв. В случае незначительного превышения заряда хлопок будет небольшой. Но если подать колоссальное количество электронов на конденсатор, его просто разорвет, и диэлектрик вытечет.
Будьте аккуратны!
Поставив переключатель в положение 1, зарядим конденсатор (рис.71). Теперь между его обкладками (пластинами) имеется электрическое поле. Поле - вид материи. Она обладает массой и энергией. Значит электрическое поле обладает энергией. Поставив переключатель в положение 2, подключим заряженный конденсатор к лампочке. Она ярко вспыхивает. Энергия электрического поля конденсатора превратилась во внутреннюю энергию нити лампочки и в энергию излучения.
При разряде конденсатора за счет энергии Е его электрического поля совершается работа А по перемещению электронов, образующих ток. При разряде конденсатора напряжение (разность потенциалов) между его обкладками меняется от U (которое стало на конденсаторе, после его зарядки) до нуля. Поэтому средняя величина напряжения на конденсаторе
На перемещение электронов с общим зарядом в 1 к электрическое поле затрачивает энергии При перемещении электронов с общим зарядом q кулонов оно затрачивает энергии в q раз больше. Величина работы по перемещению равна энергии, накопленной в конденсаторе, при его зарядке:
A = E = U ср q,
где q = CU.
Заменив q, получим формулу энергии электрического поля конденсатора:
Включив половину электроемкости (60 мкф) конденсатора, зарядим его, а затем разрядим на лампочку. Увеличив электроемкость в два раза, зарядим конденсатор (при прежнем напряжении) и снова разрядим его на лампочку. Замечаем, что во втором случае вспышка лампочки была ярче: с увеличением электроемкости конденсатора увеличилась энергия его поля. Не меняя электроемкости конденсатора, зарядим его от напряжения 40 в и разрядим на лампочку, а затем то же самое сделаем при напряжении 80 в. Видим, что чем больше напряжение между пластинами конденсатора, тем больше энергия его электрического поля, о чем свидетельствует различная яркость вспышки лампы.
Энергия электрического поля конденсатора используется, например для получения электрических колебаний в радиоприемниках, радиопередатчиках, телевизорах, для получения кратковременного тока в фотовспышках, радиолокаторах, для получения высоких температур, при исследовании термоядерных реакций.
Задача 22. Импульсная сварка осуществляется с помощью разряда конденсатора электроемкостью 2000 мкф при напряжении на его обкладках 1000 в . Определить полезную мощность импульса, если продолжительность разряда 4 мксек, а к. п. д. установки 5%.
Полезная мощность установки Из формулы полезно израсходованная энергия E п = ηE.
Здесь Е
- энергия электрического поля конденсатора, 
Тогда 
Следовательно, 
Вычислим:
Отв.: N п = 12500 квт.