Конденсатори: електроємність, енергія
Конденсатор – система з двох провідників, призначена для зберігання зарядів і енергії електричного поля.
Нехай провідники А і Б розділених діелектриком і спочатку не заряджені. Якщо перенести з одного з них на інший деякий заряд q, то ці провідники зарядяться різнойменними, але однаковими за модулем зарядами (рис. 38а). Таким чином, будь-які два провідники можна зробити системою для зберігання та накопичення електричного заряду. Систему з двох провідників (обкладок), розділених тонким шаром діелектрика, здатну зберігати електричні заряди значної величини, називають конденсатором.
Заряд, що знаходиться на кожній обкладанні конденсатора, створює між ними електричне поле, напруженість якого пропорційна величині цього заряду, q. Тому робота по перенесенню будь-якого заряду між обкладинками конденсатора, а значить, і напруга між його обкладками буде пропорційна заряду q. Таким чином, заряд q будь-якого конденсатора повинен бути пропорційний напрузі U між його обкладками, що можна записати наступним чином:
Q = CU, (38.1)
Де С – постійний для даного конденсатора коефіцієнт, званий Електроємність конденсатора і рівний відношенню заряду однієї з його обкладок до напруження між цією обкладкой і інший. Електроємність конденсатора не залежить від заряду на його обкладках і визначається тільки розмірами, формою і відносним розташуванням цих обкладок.
Одиницею електроємності в СІ є фарад (Ф), названий так на честь М. Фарадея. Конденсатор має електроємність в 1 Ф, якщо напруга між його обкладками, що володіють різнойменними зарядами по 1 Кл, дорівнює 1 В. З (38.1) випливає, що 1 Ф = 1 Кл / 1 В. Електроємність реальних конденсаторів набагато менше 1 Ф, тому для її вимірювання часто використовуються микрофарад (мкФ, 10-6 Ф) або пикофарад (пФ, 10-12 Ф).
Конденсатор, у якого обкладками є плоскі, паралельні один одному, металеві пластини, розділені тонким шаром діелектрика, називають плоским конденсатором (рис. 38б). Електричне поле між пластинами плоского конденсатора однорідне, що дозволяє знайти наступне ви ражение для електроємності С плоского конденсатора:
Де S – площа кожної з пластин, d – відстань між ними, а e – діелектрична проникність шару діелектрика, що розділяє ці пластини. Таким чином, електроємність плоского конденсатора прямо пропорційна площі його обкладок, діелектричної проникності середовища між ними і обернено пропорційна відстані між ними.
Більшість конденсаторів, що використовуються в різних радіоелектронних і технічних пристроях, за своєю конструкцією нагадують плоскі конденсатори. Пластинами в них служать дві смужки алюмінієвої фольги, розділені тонким шаром діелектрика: парафінованого паперу, слюди, повітря і т. п. За типом використовуваного діелектрика конденсатори називають паперовим, слюдяним, повітряним і т. п. Найбільшою Електроємність володіють електролітичні конденсатори, в яких ізолюючим шаром діелектрика є найтонша плівка оксиду алюмінію, що утворюється на алюмінієвій фользі, поміщеної в електроліт.
При перенесенні заряду з однієї обкладки на іншу відбувається робота, яка переходить у потенційну енергію wп конденсатора. Очевидно, що енергія зарядженого конденсатора залежить від величини заряду q і напруги U між його обкладками. Цю залежність, однакову для всіх видів конденсаторів, легко вивести для плоского конденсатора, між пластинами якого є однорідне поле напруженістю Е (рис. 38в). Внесок обох пластин в сумарне електричне поле однаковий, і значить, напруженість електричного поля, створювана кожної пластиною, дорівнює Е / 2. Щоб перенести заряд q з пластини А на пластину Б, в поле напруженістю E / 2 на відстань d, треба виконати роботу wп = qEd / 2. Так як U = Ed (див. §37), то wп = qU / 2.
(2 votes, average: 2.50 out of 5)