2.Конденсаторы. Электроёмкость конденсаторов. Применение конденсаторов.

Электроёмкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним.

Электроёмкость обозначается буквой , вычисляется по формуле:где

Единица измерения электроёмкости: Фарад (Ф).

Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Электроёмкость конденсатора определяется формулой:.

Конденсаторы бывают разных видов: бумажные, слюдяные, воздушные и т.д. по типу используемого диэлектрика.

Также бывают конденсаторы постоянной и переменной электроёмкости.

Электроёмкость конденсатора зависит от вида диэлектрика, расстояния между пластинами и площади пластин: , где

Электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Энергия заряженного конденсатора вычисляется по формуле:.

Основное применение конденсаторов - в радиотехнике. Также они применяются в лампах-вспышках, в газоразрядных лампах.

3.Задача на применение второго закона Ньютона.

Билет № 15

1.Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция и условия её протекания. Термоядерные реакции.

Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n).

Протоны и нейтроны являются двумя зарядовыми состояниями частицы, называемой нуклон .

Количество протонов и нейтронов можно определить по таблице Менделеева.

Порядковый номер – это количество протонов. Чтобы узнать количество нейтронов, нужно из атомной массы вычесть количество протонов.

Например, в ядре атома кислорода8 протонов и 8 нейтронов.

У каждого атома есть изотопы – это ядра с одним и тем же числом протонов, но разным количеством нейтронов. Например, у водорода три изотопа: протий, дейтерийи тритий.

Энергия, необходимая для полного разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи .

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.

В 1938 г. немецкие физики Ган и Штрасман открыли деление урана под действием нейтронов: ядро урана делится на два близких по массе ядра.

У этой реакции есть две важные особенности, которые сделали возможным её практическое применение:

1. При делении каждого ядра урана выделяется значительная энергия.

2. Деление каждого ядра сопровождается вылетом 2-3 нейтронов, которые могут вызвать деление следующих ядер, т.е. сделать реакцию цепной.

Для осуществления цепной реакции используют ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. . Именно они хорошо делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.

Ядра изотопа урана с массовым числом 238 () используют для получения плутония, который также используют для цепной ядерной реакции.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобождённых в данной массе нейтронов не уменьшалось с течением времени. Управляемую цепную реакцию проводят в ядерных реакторах , которые конструируют так, чтобы коэффициент размноженияk нейтронов был равен единице. Если число нейтронов будет увеличиваться с течением времени иk >1, то произойдет взрыв.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре (примерно 10 7 Кельвинов и выше).

Легче всего осуществить реакцию синтеза между тяжелыми изотопами водорода - дейтерием и тритием. При этом в результате получается ядро гелиянейтрони выделяется огромная энергия.

Работы над созданием управляемой термоядерной реакцией ещё ведутся.

Пока удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию в водородной бомбе.

Электроемкость тела, как и его потен-циал, трудно определить однозначно. Для этого необходимо создать условия, при ко-торых полностью исключалось бы влияние окружающих тел. В реальных условиях ок-ружающие тела влияют на исследуемое те-ло, изменяя его потенциал и емкость.

Укрепим на стержне заземленного элект-рометра металлический шар и сообщим ему определенный заряд. Стрелка электрометра отклонится от положения равновесия и по-кажет значение потенциала шара относи-тельно земли. Поднесем к шару металли-ческую пластину, соединенную проволокой с землей (рис. 4.63). Показания электрометра уменьшатся. Поскольку заряд шара не из-менился, то уменьшение потенциала свиде-тельствует об увеличении электроемкости шара. Изменения потенциала и соответственно емкости будут наблюдаться в случае изменения расстояния между шаром и пла-стиной.

Таким образом, определяя емкость отдель-ного тела, необходимо учитывать размеще-ние всех окружающих тел.

Поскольку практически этого сделать не-возможно, то используют устройство, кото-рое называется конденсатором . Простейшей для изучения и расчетов является система из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

Конденсатор — это система из двух про-водников, разделенных диэлектриком.

Размеры этих пластин (длина и ширина) намного больше расстояния между ними. Электрические свойства такой системы про-водников не зависят от размещения окружа-ющих тел. Если пластинам сообщить разно-именные заряды, то они разместятся на внутренних поверхностях пластин вследст-вие взаимного притяжения.

Соответственно и поле заряженных пла-стин будет сосредоточено в пространстве между пластинами. Это можно объяснить на основе принципа суперпозиции полей .

На рис. 4.64 показана структура элект-рического поля пластины, заряженной поло-жительным зарядом. Силовые линии парал-лельные и направлены в противоположные от пластины направления.

На рис. 4.65 — подобная структура элект-рического поля отрицательно заряженной пластины. Силовые линии параллельные, а направление — противоположное предшест-вующему (рис. 4.64).

Если пластины разместить на расстоянии d, намного меньшем, чем линейные разме-ры пластин, то в пространстве между ними силовые линии обеих пластин будут иметь одинаковое направление (рис. 4.66), а потому напряженность электрического поля бу-дет равна сумме напряженностей обоих полей:

E’ = Е 1 + E 2 .

Вне пластин линии напряженности име-ют противоположное направление, а потому

E’ = E 1 — E 2 .

Поскольку E 1 = E 2 , то E’ = 0 (рис. 4.67). Материал с сайта

Конденсатор может накапливать значи-тельный заряд даже при небольшой раз-ности потенциалов между пластинами. В случае отдельного тела большой заряд со-здает большой потенциал, который приво-дит к автоэлектронной эмиссии или «стеканию зарядов».

Емкость конденсатора в отличие от ем-кости отдельного тела определяется разно-стью потенциалов между обкладками.

C = Q / (φ 1 — φ 2) = Q / Δφ .

где Q — заряд одной из пластин; (φ 1 — φ 2) — разность потенциалов между пластинами.

Для измерения емкости конденсатора ис-пользуется 1 фарад:

1Ф = 1 Кл/ 1 В.

На этой странице материал по темам:

• Кратко о конденсаторе (физика)

• Конденсатор физическое явление

• Почему емкость конденсатора не зависит от влияния окружающих тел

• Почему емкость конденсатора не зависит от окружающих тел

• Сообщение по физике применение конденсатора

Вопросы по этому материалу:

Электроемкость конденсатора – физическая величина, характеризующая процесс заряда проводников, разделенных слоем диэлектрика. Используется многочисленными математическими расчетами, маркируется на корпусе изделия.

Формулы

Электроемкость конденсатора принято выражать через запасаемый заряд q при приложенном напряжении U следующим образом:

Что касается происхождения формулы, одна загадка. Известно только: из теоремы Гаусса по напряженности электрического поля найдем электроемкость конденсатора. Кто провел расчет, нигде не говорится. Физическая величина фарад изначально в системе СГС отсутствовала, в 1861 году ввела специальная комиссия, сформированная физиками.

По некоторым сведениям, впервые электроемкость конденсатора определил введший термины в обиход. Подразумеваем Алессандро Вольту. Поздние 70-е (XVIII века), ученый много уделил исследованиям вопроса, установил: электроемкость можно выразить через накапливаемый заряд, приложенное к электродам напряжение.

Помимо этого можно часто встретить формулу электроемкости плоского конденсатора:

Авторы избегают судить, кто занимался расчетами выражения. Рассуждая логически, то едва кого интересовала электроемкость плоского конденсатора до появления на свет изобретения Полака. Лейденские банки по-другому распределяют заряд. Рассуждения приводят к началу XX века. Быть может, вопросом занимались Тесла, Герц. С меньшей вероятностью – Попов.

Фамилии названы по критериям заинтересованности переменным током. Тесла изучал вопросы безопасности электричества, передачи на расстояние, конструировал двигатели. Герц и Попов исследовали антенны, заведомо настраиваются на некую длину волны, которую проще получить, применяя колебательный контур. Следовательно, ученые обязаны иметь представление об электроемкости конденсатора, катушках индуктивности.

Джеймс Максвелл, лорд Кельвин, Вильгельм Вебер много внимания уделяли совершенствованию единых систем измерения физических величин Существует некоторая вероятность, кто-то мог приложить руку к исследованию конденсаторов. Ясно одно – в мировой истории естественных наук много белых пятен, когда дело касается русскоязычных источников. Портал ВашТехник одним из первых будет публиковать новейшие исследования в области правильного понимания произошедших событий.

История

Нетерпеливым читателям сразу же докладываем: Алессандро Вольта ввел собственно термин емкости. Неизвестно точно, употреблял ли кто раньше, но в своей работе итальянский ученый, называя, электрофорус конденсатором, одновременно применяет к нему термин емкости. Как сосуду, куда можно «налить» заряд из емкости. Конденсатором зовет за схожесть процесса с осаждением паров: понемногу наберем произвольное количество электричества. И по большому счету это верно.

Термин конденсатор

Исторически первым конденсатором следует считать лейденскую банку. Поныне ходят споры, кто изобрел прибор, поскольку оба ученых, увлеченных событиями, избегали ведения аккуратных записей, бесспорно одно – электроемкость прибора измерить было нельзя, отсутствовало соответствующее понятие «электроемкость конденсатора».

Скрин печатного варианта трактата Вольты, 1782 год

Придумавший термин бессилен произнести слово раньше, нежели Алессандро Вольта в 1782 году, докладывая Королевскому Научному обществу изыскания в области электростатики. Чтобы понять, откуда берется электричество. Известно, в течение следующих пяти лет Луиджи Гальвани откроет «животное электричество», приведшее Вольту прямиком к созданию первого элемента питания. Докладывая обществу, молодой ученый лишен упомянутых знаний, светило пытается понять, откуда появляется заряд. Рассуждает примерно так: «К настоящему времени много свидетельств существования атмосферного электричества. Люди бессильны найти следы присутствия. Может означать: имеющиеся электроскопы слишком слабы, неспособны уловить столь тонкую материю. Следовательно, нужно найти способ забрать из воздуха флюиды».

Осуществляя практически сказанное, Алессандро Вольта предлагает приспособление, называемое электрофорусом (не путать с ). Прибор захватывает флюиды атмосферного проводника (воздуха). Принцип служения Вольте напоминает процесс конденсации: собирает электричество.

Электрофорус

Запад электрофорус называет генератором емкостного типа. Указанное выше позволяет полагать: подобное определение прилепилось благодаря написанному Английскому Королевскому обществу Вольтой. Устройство придумано другим человеком – шведским физиком Джоном Кларком Вилке. Случилось двумя десятилетиями ранее – 1762 год.

Ныне считается, популярность прибору придал Вольта, называя любимца вечным генератором электричества. Тоже по сути правильно, тереть резину можно тысячелетиями. Больше «конденсатор» напоминает (см. рис.) здоровенную печать. Сверху, помимо основной центральной ручки, стоит боковая – снятия отрицательного потенциала. Видим три слоя:

1. Подложка необязательна, на нее наклеивается резина.
2. Тонкий слой резины служит телом электризации трением.
3. Сверху – тонкий лист металла, снабженный двумя рукоятками, одна (центральная) изолирована.

Внешний вид электрофоруса

Начав работы, нужно убрать «печать», натереть резину шерстью. Затем гладкий диск ставится обратно. Площадь соприкосновения с резиной невелика из-за присутствующих шероховатостей, положительный заряд приобретается нескоро. Нужно выждать. Оператор на короткий миг заземляет крышку боковой ручкой, снимая отрицательный заряд, снизу остается положительный. Прикасаясь одной рукой к металлу, можно слышать хорошо различимый треск. Резина после поднятия крышки несет избыток электронов, позволяющий повторить опыт несколько раз (верится с трудом, некоторые источники говорят о сотне повторений).

Разнимая тела, резким движением потянув изолирующую рукоятку, оператор получает статическое электричество. Изобретение достаточно революционное, примечательно, появилось в считаные годы после отмены закона охоты на ведьм. По заявлению Вольты, круг резины должен быть по возможности тонким, порядка 50-й доли дюйма. Удается получить наилучший результат. Лист металла фактически также является пластиной. В противном случае долго нужно ждать наполнения объема проводника. В простонародье «конденсатор» называют резиновым пирогом. Пирогом, покрытым металлической начинкой.

Действительно ли электрофорус является неисчерпаемым источником энергии? В идеальных условиях, хотя верится с трудом. Отрицательный заряд резины поляризует металлическую пластину, создавая некий потенциал. Вытесненные на внешнюю поверхность электроны снимаются прикосновением заземлителя. Остается разнять составные части электрофоруса. Уничтожив положительный заряд прикосновением, услышав звук проскочившей искры, можно заново начинать опыт.

Электрофорус действительно напоминает конденсатор. После снятия лишнего отрицательного заряда превращается фактически в упомянутый прибор. Долго храниться конденсатор не может, поскольку электроны с резины понемногу будут стекать на металл. Устройство разрядится. Фактически резина, металл отделены друг от друга воздухом, служащим диэлектриком. Вместо резины используем различные полимеры, например, Тефлон.

Осталось заметить: во времена Вольты не знали методов избавления резины от статического заряда. «Обкладка» конденсатора могла долгое время хранить груз электронов. Вольта предлагает для разрядки поместить образец под солнечные лучи, либо поводить рядом горящей свечой. Через ионизированное пламя электроны покидают конденсатор. Сегодня понятно, достаточно вымыть резину, чтобы следов не осталось статического напряжения. Для работы нужно будет вновь высушить.

Лейденская банка

Считается, именно Феликс Савари обнаружил колебания резонансного контура. Разряжая лейденскую банку через витую нить меди, наблюдал беспорядочное снование стрелки компаса. 1826 год, когда Англия, Франция, Германия, частично Италия лихорадочно исследовали новое явление, привнесенное в научный мир Эрстедом.

Историю создания можно прочитать в соответствующем обзоре. Следует сказать, никто не пытался толком понять, какова электроемкость конденсатора. Не нужно по очевидным соображениям: лейденскую банку преимущественно использовали научные круги, решая специфические задачи. Опыт Феликса Савари надолго остался без внимания…

В 1842 году колебательным контуром, электроемкостью конденсатора занялся наш старый знакомый, сэр Джозеф Генри, изобретатель , любитель телеграфа. Изложил письменно после опробования заметок Савари практикой:

«Аномалия, остающаяся столь долго без объяснения, которая на первый взгляд представляется существующей наперекор нашей теории электричества и магнетизма, после тщательного изучения мною отнесена к доселе неизведанным явлениям. Разряд происходит странно (вразрез теории Франклина), ощущение, что, выходя из банки, флюид начинает странствовать взад-вперед. Увиденное принуждает признать: процесс начинается нормальным образом, затем происходит несколько смен направлений, каждый раз амплитуда становится меньше, пока движения затухнут вовсе. Судя по всему, феномен сегодня не может быть объяснен, физики встречались с ним (Савари), но оказались бессильны».

Очевидно, ученого совершенно не интересует электроемкость конденсатора – мысли поглощены аномалией, которую хотелось бы разведать. Пятью годами позже, ознакомившийся с отчетом Генри физик Гельмгольц на встрече Физического общества Берлина, говорит:

«Проводя электролиз, заметил необычные колебания. Такое ощущение, процесс колебаний продолжается, пока само vis viva не исчезнет навсегда, поглощенное суммарным сопротивлением цепи. Создается впечатление, по контуру текут два тока противоположных направлений, верх берет то один, то другой».

Конец спорам положил знаменитый Вильям Томсон, нареченный лорд Кельвин. Математически исследовав процесс, заявил: в цепи, очевидно существуют такие вещи, как электроемкость конденсатора и индуктивность свернутой медной проволоки. Работа On Transient Electric Currents стала классической. Хотя лорд Томсон зовет индуктивность электродинамической емкостью, смысл формулы однозначный. Ученый первым заявил: энергия передается меж конденсатором и катушкой индуктивности, постепенно затухая на активном сопротивлении цепи.

Формула, приведенная на рисунке, дана в современных величинах, обозначения стандартные. С – электроемкость конденсатора, L – индуктивность катушки, q – величина заряда, I – ток цепи. Прочие символы относятся к операциям дифференцирования. Термин индуктивность введен намного позже – в 1886 году Оливером Хэвисайдом. Формула резонансной частоты, зависящей от электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, выведена Джеймсом Максвеллом в 1868 году.

1)Электроемкость проводника.

2) Конденсаторы

3) Соединение конденсаторов в батарею.

3) Энергия электрического поля, заряженного конденсатора.

1. Электроемкость проводника.

Если в процессе электризации проводнику сообщать заряды, то заряды распределяются по поверхности проводника так, что потенциалы точек поверхности любого заряженного проводника будут одинаковыми, т.е. поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. Установлено, что между величиной заряда, на поверхности проводника и потенциалами точек поверхности проводника, прямая пропорциональная зависимость

С – электроемкость проводника

Формула расчета электроемкости проводника.

С – зависит от формы проводника, его геометрических размеров и окружающей среды. И не зависит из какого вещества изготовлен проводник, сплошной проводник или полый (пустой). Электроемкость проводника рассчитать очень сложно, т.к. для каждого проводника должна быть своя формула расчета. Проще электроемкость измерить.

В «СИ» |C| = = 1 Ф (Фарад)

1 Фарад – электроемкость проводника, при сообщении которому заряда в 1 Кл потенциалы точек поверхности меняются на 1В.

Практические единицы измерения электроемкости.

2. Конденсаторы

Система проводников разделенных слоем диэлектрика называется КОНДЕНСАТОРОМ.

Проводники называются обкладками конденсатора. Если обкладки представляют собой плоскости, то конденсатор называется плоским.

Если конденсатор зарядить, то заряды располагаются по внутренним сторонам обкладок. Внешние стороны остаются электронейтральными, поэтому электрическое поле, создаваемое этими зарядами, полностью сосредоточено в диэлектрике между обкладками. Внешнее поле внутрь конденсаторов проникнуть не может, т.к. проводники для этого поля являются экраном. По этой причине конденсатор в течении определенного времени может сохранять энергию в электрическом поле.

Конденсаторы в электрорадиосхемах используются как накопители энергии. Заряды на обкладках равны по величине противоположны по знаку. Заряд конденсатора в целом определяется величиной заряда одной из его обкладок. Выясним, как можно рассчитывать электроемкость конденсатора.

С = - формула расчета электроемкости конденсатора.

От заряда и напряжения электроемкость конденсатора не зависит, а она зависит от рода диэлектрика, от толщины слоя диэлектрика и от площади обкладок.

Название конденсаторов часто соответствуют роду диэлектрика, например бумажный, керамический.

Такие конденсаторы можно использовать, как в цепях постоянного, так и переменного токов.

3. Соединение конденсаторов в батарею.

Конденсаторы можно соединять между собой и такое соединение называют конденсаторной батареей. При этом возможны варианты:

1. Последовательное

2. Параллельное

3. Смешанное соединение.

При (1) этом левая обкладка одного конденсатора соединяется с правой обкладкой другого. При последовательном соединении независимо от электроемкости заряд на конденсаторе одинаковый.

При последовательном соединении напряжение на всей конденсаторной батарее равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах этой батареи.

Формула расчета электроемкости конденсаторной батареи при последовательном соединении.

При последовательном соединении конденсаторов увеличивается рабочее напряжение конденсаторной батареи, а электроемкость – уменьшается и она становится меньше электроемкости самого маленького конденсатора, включенного в данную батарею.

И – одинаковое.

При параллельном соединении не зависимо от электроемкости напряжение на конденсаторах одинаковое

Заряд конденсаторной батареи равен сумме зарядов отдельных конденсаторов.

Формула расчета электроемкости при параллельном соединении.

При параллельном соединении конденсаторов в батарею электроемкость увеличивается, а рабочее напряжение берется по самому маленькому рабочему напряжению конденсаторов этой батареи.

3. Смешанное соединение

Если необходимо увеличить рабочее напряжение и электроемкость, то конденсаторы соединяют смешанно. При этом за счет последовательного соединения увеличивается рабочее напряжение, а за счет параллельного - увеличивается электроемкость.

Пример: даны 4 конденсатора с напряжением по 100 В и электроемкостью 4 мкФ каждый, как их соединить, что бы получить рабочее Е в 2 раза больше, а С осталось прежней.

3. Энергия электрического поля, заряженного конденсатора.

При зарядке конденсатора источником тока совершается работа, в результате которой на обкладках конденсатора появляются электрические заряды, а между обкладками в диэлектрике – электрическое поле, которое обладает энергией. Совершенная работа при зарядке и энергия электрического поля конденсатора численно равны, поэтому энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по совершенной работе при зарядке конденсатора.

- формула расчета энергии электрического поля, заряженного конденсатора