Емкость конденсатора расчет

Электрическая емкость описывает способность проводника сохранять электрический заряд в электростатическом поле.

Во время процесса электризации диэлектрика заряжается та часть его поверхности, которая подвергалась натиранию или соприкасалась с другим заряженным телом. Электрический заряд, возбужденный на некоторой части поверхности диэлектрика, не может разойтись по всей площади, так как в диэлектриках все элементарные частицы прочно связаны с молекулами вещества.

Емкость конденсатора. Распределение зарядов в диэлектрике и проводнике

Если зарядить один конец эбонитовой палочки отрицательным , а другой конец — положительным электричеством, то оба этих противоположных заряда ни как, не смогут соединиться друг с другом.

Электрические заряды в проводниках обладают совершенно другими свойствами. Если мы внесем в него свободные электроны, то они немедленно, распространятся по всей поверхности проводника. Если зарядить электричеством проводник, например металлический стержень, то наибольшее количество свободных носителей зарядов скопится на ее концах.

Если зарядить металлический шар электрические заряды распределятся по его поверхности равномерно, даже если он будет пустым внутри.

Свободные носители, помещенные в любом месте на проводнике, равномерно расползаются по всей его поверхности до тех пор, пока электрический потенциал всех точек поверхности не станет равным друг другу. Практически этот процесс осуществляется мгновенно.

Легко согласиться, что потенциал положительно заряженного проводника будет тем выше, чем выше уровень заряда, переданный проводнику. Представим себе, что мы заряжаем какой-либо проводник, перенося на его поверхность положительные электрические заряды. По мере накопления на нем электричества на перенесение новых свободных носителей придется тратить все больше работы, так как при переносе каждого последующего заряда придется преодолевать все большие силы отталкивания, действующие со стороны всех зарядов, введенных ранее. А так как потенциал проводника характеризуется работой, то с увеличением положительного заряда проводника потенциал его возрастает (аналогичным образом потенциал проводника, заряженного отрицательными зарядами, будет отрицателен и с увеличением количества заряда будет снижаться).

Количественная связь между зарядом проводника и его потенциалом следующая: потенциал проводника прямо пропорционален величине его заряда, т. е. с ростом заряда, например, вдвое потенциал его увеличивается также в два раза.

Однако, соотношение между зарядом и потенциалом отличается для разных проводников. Например, один проводник можно зарядить количеством электричества в одну миллиардную часть кулона, чтобы его потенциал увеличился до одного вольта, а другому нужен заряд, например, в одну стомиллионную долю кулона. Поэтому, для разных типов проводников требуются разные уровни количества электричества, чтобы довести их заряд до одного электрического уровня. Поэтому говорят, что различные типы проводников обладают различной электрической емкостью.

Поэтому, емкость проводника сильно зависит, от размеров, — чем больше габариты, тем выше его уровень емкости. Емкость проводника зависит конечно и от других факторов, но мы поговорим об них позже. За единицу электрической емкости берут емкость такого проводника, которому надо передать заряд, равный единице количества электричества, то-есть одному кулону, чтобы потенциал его возрос на одну единицу, т. е. на 1 вольт.

Можно искать аналогию между емкостью проводника и свойствами сосуда для жидкости, но, электрическую емкость нельзя сравнить с вместимостью этого сосуда. Так как, емкость сосуда указывает, какое количество жидкости он может вместить, а электрическая емкость проводника ничего не говорит о том, какое количество электричества способен накопить проводник. Теоретически, любой проводник может накопить почти любое количество электричества, только с увеличением уровня количества электричества будет рости и потенциал проводника и возрастать тем быстрее, чем ниже емкость проводника. Поэтому емкость проводника можно сравнить с площадью дна сосуда с вертикальными стенками. Действительно, чем выше площадь дна сосуда, тем больше требуется налить в него жидкости для того, чтобы она заполнила определенный уровень.

Итак, емкость проводника определяется отношением количества электричества, переданного проводнику, к потенциалу, который при этом приобретает проводник, т. е.

C=Q/U

Если Q в кулонах, а U в вольтах, то единица электрической емкости С будет фарад. Но он представляет собой огромную величину, никогда не использующуюся на практике. Поэтому для измерения емкости приняты более практичные единицы — микрофарада (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ). Микрофарада это одна миллионная доля фарады, нанофарада одна тысячная микрофарады, а пикофарад — одна миллионная микрофарады.

Емкость конденсатора

На основе эффекта накопления зарядов в проводнике был разработан пассивный радиокомпонент конденсатор. Представим самый простой конденсатор в виде двух одинаково заряженных металлических шаров разной полярности и находящихся на определенном расстояние друг от друга.

Заряды на шарах будут распределены равномерно по поверхностям. Потенциал каждого шара будет определяться размерами и количеством накопленного электричества, которое ему было передано. Потенциал одного шара положителен, другого — отрицателен, так что между ними существует определенная разность потенциалов.

Приблизим оба шары друг к другу. Разноименные заряды станут притягиваться. Вследствие этого заряды частично переместятся на те стороны, которыми они максимально приближены друг к другу. При этом потенциал каждого металлического шара будет определяться не только своим зарядом, но и зарядом соседнего шара. Так как заряды обоих шаров противоположны по знаку, то потенциал положительно заряженного будет понижен вследствие влияния другого. Наоборот, потенциал отрицательного шара будет выше вследствие влияния положительного.

По сравнению с тем, что было до сближения обоих шаров, потенциал положительного понизился, а отрицательного повысился, и разность потенциалов между шарами снизилась. Следовательно, во время сближения заряженных проводников, разность потенциалов снижается, при условии что их заряд остается неизменным. Но при этой же разности потенциалов проводники могут «накопить» большие уровни количества электричества так как C=Q/U. Значит их емкость возрастает.

Емкость проводников определяется не только расстоянием между ними и размерами и формой, но и от характеристик окружающей среды. Приборы, в которых емкость между проводниками используется для накопления электрических зарядов, получили название конденсаторы. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин, разделенных самым простым диэлектриком слоем воздуха. Емкость такого конденсатора будет тем выше, чем больше размеры пластин и чем ближе они расположены друг к другу.

Кроме того для увеличения емкости конденсатора между пластинами помещают какой-либо твердый диэлектрик. Увеличение емкости обосновывается тем, что при заряде конденсатора на поверхностях твердого диэлектрика, появляются электрические заряды, знак которых противоположен знаку зарядов металлических пластин. Эти заряды твердого диэлектрика, взаимодействуя с зарядами пластин, снижают разность потенциалов между ними при постоянной величине зарядов на обкладках конденсатора, т. е. увеличивая его емкость.

Емкость плоского конденсатора, из двух пластин, определяется согласно следущей формуле:

C = 0,09×S×e/d

где: С емкость конденсатора в пикофарадах (пф); S активная площадь одной пластины в см2; е—диэлектрическая постоянная диэлектрика, разделяющего пластины; d расстояние между пластинами или толщина диэлектрика в см.

Обучающий видеофильм для закрепления полученных знаний по теме емкость конденсатора
Энергия поля конденсатора

Вся энергия заряженного конденсатора накапливается в электрическом поле между его пластинами. Энергию, сосредоточенную в конденсаторе, можно вычислить следующим методом. Давайте представим себе, что мы заряжаем емкость не сразу, а потихоньку, перенося электрические заряды с одной его металлической пластины на другую.

Последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов

В электрических цепях и схемах используются различные методы соединения конденсаторов. Соединение конденсаторов может быть последовательным, параллельным и последовательно-параллельным (смешанное соединение конденсаторов).

Конденсатор в цепи переменного тока

Из уроков электротехники известно, что конденсатор не пропускает постоянный ток. Совершенно противоположным образом ведет себя емкость в цепи переменного тока. В данной лекции подробно разберем вопрос, о том, что происходит в цепи переменного тока