Общие сведения о конденсаторах.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ

На рис. (1а) показана плотная металлическая сфера, заряженная отрицательно, (Для простоты нарисованы только дополнительно внесенные электроны). Благодаря взаимному отталкиванию электронов они располагаются равномерно по поверхности сферы, а внутри сфера остается нейтральной. Если этим же зарядом (этим же количеством электронов) наэлектризовать другую металлическую сферу большего размера, то электроны расположатся опять на ее поверхности, но дальше друг от друга (рис 1б). В таком случае говорят, что электрическая емкость второй сферы больше. И действительно, для того, чтобы получить ту же самую плотность частиц, надо добавить к сфере еще электронов.

Теперь ясно, что металлические тела больших размеров имеют большую электрическую емкость. Однако емкость любой системы можно увеличить не только за счет увеличения ее размеров, но и другими способами. Это показано на рис (1в), где два одинаковых металлических тел, заряженных разноименными зарядами, помещены близко друг к другу. Благодаря взаимному притяжению заряды располагаются более густо на обращённых друг к другу сторонах тел. Так «освобождается место» для введения дополнительных внешних зарядов, т.е. увеличивается емкость. Эта особенность используется в различных видах конденсаторов.

Можно еще добавить, что любое заряженное тело является носителем определенной энергии. Эта энергия введена внешней причиной, которая зарядило тело. Аналогичный случаи представляет собой надутая автомобильная шина, она - «носитель» энергии, переданной тем, кто надул шину.

Рис. 2 а) и б) устройство конденсатора; в) обозначение конденсатора

Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатором (рис. 2). Главным свойством конденсатора является то, что на его обкладках (электродах) могут накапливаться равные по величине и противоположные по знаку электрические заряды. Другим важным свойством конденсатора является его способность пропускать переменный ток и. не пропускать постоянный. (В дальнейшем рассмотрим это подробнее).

На рис (За) схематично показан незаряженный конденсатор, металлические обкладки которого электрически нейтральны, потому, что число положительных и отрицательных частиц на каждом электроде одинаково, и они взаимно нейтрализуются.

В заряженном конденсаторе положительному электроду (обкладке) недостает свободных электронов, а отрицательный имеет избыток (рис. 3б). В этом случае между обкладками заряженного конденсатора существует определенное напряжение, а б диэлектрике возникает электрическое поле.

Рис. 3. а) в незаряженном конденсаторе одна из его обкладок нейтральна; б) положительная обкладка заряженного конденсатора имеет недостаток электронов, а отрицательная - избыток.

Напряжение между обкладками, которое возникает при зарядке конденсатора, зависит от количества электричества, так и от емкости конденсатора. Если два конденсатора различной емкости зарядить одним и тем же количеством электричества, то напряжение на меньшем конденсаторе будет выше напряжения на большем. Подобный случай представляют два различных по величине сосуда, в которые налито одинаковое количество воды. Очевидно, уровень воды в меньшем сосуде будет выше уровня в большем (рис. 4).

Единица измерения электрической емкости называется фарада (Ф) в честь английского физика Майкла Фарадея (1791 - 1867). Конденсатор имеет емкость 1 фарада, если при зарядке его одним кулоном электричества получаем между обкладками напряжение 1 вольт.

Следовательно, можно записать:

1 фарад = 1 кулон / 1 вольт.

Поскольку емкость обозначается буквой С, количество электричества - Q, напряжение U, получим такую формулу:

C = Q/U.

Эта формула определяет связь между емкостью конденсатора, количеством электричества, которым заряжен конденсатор, и напряжением, возникающим между его электродами.

Конденсатор емкостью 1Ф имел бы очень большие размеры. Поэтому применяемые на практике конденсаторы имеют значительно меньшую емкость, для измерения которой используются единицы микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ). Эти единицы могут быть представлены в таком виде:

1мкф = 10 ^-6Ф;

1нФ = 10 ^-9Ф;

1пФ=10 ^-12Ф.

Отсюда видно, что 1мкФ = 1000нФ, а 1нФ = 1000пФ.

Пример. Какое напряжение возникнет между обкладками конденсатора емкостью 20 мкФ, если зарядить его зарядом в 0,001 кулона? Используя формулу (1), находим:

U = Q/С = 10 ^-3 / 20 * 10 ^-6 = 10³ / 20 = 50 В.

Если тем же количеством электричества зарядим конденсатор емкостью 1пФ, то между его обкладками возникнет напряжение 1 миллион вольт!

Выше мы выяснили, что емкость зависит как от размеров конденсатора, так и от условий для взаимного притяжения противоположных по знаку зарядов. С увеличением площади обкладок увеличивается и емкость конденсатора, потому что создаются условия для накопления большего количества зарядов. Однако этот способ увеличения емкости приводит к увеличению размеров самого конденсатора, а это нежелательно.

Другим способом увеличения емкости данного конденсатора является уменьшение расстояния между его обкладками. В результате разноименные заряды оказываются ближе друг к другу, электрическое поле между его обкладками становиться более интенсивным и силы притяжения между зарядами увеличиваются. Таким образом, на каждой обкладке заряды скапливаются более густо и освобождают место для других зарядов, т.е. емкость увеличивается. Но сближать обкладки можно только до определенного предела, после чего значительно увеличивается опасность короткого замыкания или пробоя.

Дата добавления: 2017-02-01