|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Традиционный электрический конденсатор |
 | |
Анимация
0
Описание
Рассмотрим уединённый проводник, т.е. проводник, который удален от других проводников, тел и зарядов. Его потенциал прямо пропорционален заряду проводника. Из опыта следует, что разные проводники, будучи одинаково заряженными, принимают различные потенциалы. Поэтому, в силу линейности уравнений электростатики, для уединённого проводника можно записать Q = Cw.
Величину
называют электроёмкостью (или просто ёмкостью) уединённого проводника. Ёмкость уединённого проводника определяется зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу.
Ёмкость проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала, агрегатного состояния, формы и размеров полостей внутри проводника. Единица электроёмкости - фарада (Ф): 1 Ф - ёмкость такого уединённого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл.
Чтобы проводник обладал большой ёмкостью, он должен иметь очень большие размеры. На практике, однако, необходимы устройства, обладающие способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать значительные по величине заряды, иными словами, обладать большой ёмкостью. Эти устройства получили название конденсаторов.
Если к заряженному проводнику приближать другие тела, то на них возникают индуцированные (на проводнике) или связанные (на диэлектрике) заряды, причём ближайшими к наводящему заряду Q будут заряды противоположного знака. Эти заряды, естественно, ослабляют поле, создаваемое зарядом Q, т. е. понижают потенциал проводника, что приводит к повышению его электроёмкости.
Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком. На ёмкость конденсатора не должны оказывать влияния окружающие тела, поэтому проводникам придают такую форму, чтобы поле, создаваемое накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Линии напряжённости начинаются на одной обкладке и кончаются на другой, поэтому свободные заряды, возникающие на разных обкладках, являются равными по модулю разноименными зарядами.
Под ёмкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (j2 - j1) или напряжению U между его обкладками:
. (1)
Наиболее простыми и часто встречающимися в технике конденсаторами являются плоские, цилиндрические и сферические конденсаторы.
Ёмкость плоского конденсатора:
, (в "СИ")
, (в системе СГСЕ)
где e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, помещенного между обкладками конденсатора;
e0 = 8.85·10 -12 Ф/м - электрическая постоянная вакуума;
S - площадь пластин конденсатора;
d - расстояние между обкладками конденсатора.
Ёмкость цилиндрического конденсатора:
, (в "СИ")
, (в системе СГСЕ)
где l - длина конденсатора;
R1, R2 - радиусы внутренней и внешней обкладок конденсатора.
Ёмкость сферического конденсатора:
, (в "СИ")
, (в системе СГСЕ)
где R1, R2 - радиусы внутренней и внешней обкладок конденсатора.
Конденсаторы характеризуются пробивным напряжением - разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой - электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины.
Для увеличения емкости и варьирования её возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом используется их параллельное и последовательное соединение.
При параллельном соединении конденсаторов полная ёмкость батареи равна сумме ёмкостей отдельных конденсаторов:
.
При последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, обратные ёмкостям:
.
Как всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией. Воспользовавшись соотношением (1), можно написать три выражения для энергии заряженного конденсатора:
, (2)
Энергию заряженного конденсатора можно выразить через величины, характеризующие электрическое поле в зазоре между обкладками:
, (3)
где V = S·d представляет собой объём, занимаемый полем.
Формулы (2) и (3) соответственно связывают энергию конденсатора с зарядом на его обкладках и с напряжённостью поля.
Рассмотрим процесс зарядки конденсатора. Для этого соберём цепь, состоящую из источника тока c ЭДС E и внутренним сопротивлением r и конденсатора ёмкостью С. При замыкании цепи ключом заряды от источника тока станут перетекать на обкладки конденсатора. Ток зарядки убывает по экспоненте:
I = I0·exp(-t/t),
где I0 = E/r - ток короткого замыкания источника;
t = r/С - постоянная времени зарядки.
Заряд на обкладках конденсатора нарастает по экспоненте:
Q = Q0[1 - exp(-t/t)],
где Q0= E/С - максимальный заряд конденсатора.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Техника, используемая в геофизических исследованиях
Медицинская техникаУзлы, детали и элементы радиоэлектронной аппаратуры
Применение эффекта
Конденсаторы являются одним из основных компонентов радиоэлектронных схем, где они используются в качестве элементов колебательных контуров, фильтров, интеграторов, для разделения сигналов переменного и постоянного токов и т.д. Конденсаторы используются в качестве накопителей энергии в различных устройствах, например, в экспериментах с высокотемпературной плазмой, для накачки лазеров, ламп - вспышек и других мощных импульсных источников света. Промышленность выпускает весьма широкую номенклатуру конденсаторов различных типов с ёмкостями от единиц пикофарад до единиц фарад.
Реализации эффекта
Простейшей технической реализацией является плоский конденсатор, описанный в разделе “сущность”.
Литература
1. Трофимова Т.И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1990.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1978.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |