Электрическая емкость и конденсаторы

Проводящее физическое тело (проводник), имеющее электрический за­ряд Q, создает вокруг себя электрическое поле. Для одиночного изолирован­ного проводника (т.е. бесконечно удаленного от других тел) это электрическое поле характеризуется электрическим потенциалом U, которое связано с зарядом соотношением:

Коэффициент пропорциональности С в этом выражении называется электрическойемкостью изолированного проводника.Единицей измерения емкости в системе СИ является 1 Фарада (1 Ф). В технике в большинстве случаев используются кратные единицы - микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ), пикофарада (пФ).

Величина емкости определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды - её диэлек­трической проницаемостью, и не зависит от материала проводника. Напри­мер, для проводящего шара радиуса R величина собственной емкости равна:

где ε₀ = 8.854×10⁻¹² Ф/м — диэлектрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), а ε — есть безразмерная физическая величина, ко­торая называется относительной диэлектрической проницаемостью и показы­вает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме

Величина ε отражает эффект поляризации диэлектриков, который воз­никает в результате изменения ориентации связанных зарядов в диэлектрике (элементарных диполей) под воздействием внешнего электрического поля. Такими элементарными диполями в диэлектриках являются составляющие его молекулы, молекулярные агрегаты, элементы кристаллической решетки.

· Поляризация в диэлектриках может возникать не только как резуль­тат влияния внешнего электрического поля, но и в силу многих других причин – под воздействием механических напря­жений, сил трения, изменения температуры и др..

Относительная диэлектрическая проницаемость большинства газов из-за их низкой плотности в нормальных условиях близка к единице. Для боль­шинства твёрдых или жидких диэлектриков величина ε лежит в диапазоне ε» 2 ¸ 8. В этом ряду выделяется обыкновенная вода, чья диэлектрическая проницаемость составляет около 80. Существует также класс особых ве­ществ- сегнетоэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых чрезвы­чайно велика ε ³1000.

Понятие ёмкости также относится к любой системе проводников. В ча­стности, к системе, называемой электрическим конденсатором. Конденсатор представляет собой два проводника (обкладки), между которыми находится диэлектрическая (изолирующая) среда (рис. 2.5а). Если проводники пред­ставляют две параллельные пластины площадью S и находятся на расстоянии d, то емкость такого плоского конденсатора будет равна:

2.9

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что они равны), d — расстояние между обкладками

Для цилиндрического конденсатора, обкладки которого представляют два проводящих концентрических цилиндра длиной l, причем внутренний радиус внешнего цилиндра равен R, а внешний радиус внутреннего цилин­дра равен r (рис. 2.5б), величина емкости равна:

2.9а

или для малого зазора между стенками конденсатора

2.9б

Для двухпроводной линии, которая состоит из двух параллельных проводов радиуса r и расположенных на расстоянии d (рис. 2.5в):

Накопление зарядов в электрическом конденсаторе связано с накоплением элек­троэнергии. Энергия, запасенная в конденсаторе равна:

и запасается в конденсаторе при его заряде и высвобождается при разряде, т.е. при замыкании внешней электрической цепи (Рис.2.6) По­скольку реальный конденсатор имеет отличное от нуля внутреннее сопротивление, то процесс заряда-разряда не может происхо­дить мгновенно и характеризуется величиной t, которая называется постоянной времени цепи разряда или разряда конденсатора.

Дата добавления: 2015-03-31