Конденсаторы

Система из двух проводников, расположенных на расстоянии, много меньшем их линейных размеров, называется конденсатором.

Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его пластин.

В зависимости от конфигурации проводников, конденсаторы делятся на плоские, цилиндрические.

Рис. 1

В зависимости от рода диэлектрика между обкладками – на воздушные, бумажные, керамические.

Рис. 2

Соответственно, бывают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

Электроёмкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади одной из его пластин, диэлектрической проницаемости среды, заполняющей конденсатор и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами: 

Рис. 3

Коэффициент пропорциональности в формуле, выражающей зависимость электроемкости плоского конденсатора от его параметров – это электрическая постоянная. С ней мы уже встречались в законе Кулона.

Формула электроемкости плоского конденсатора позволяет вскрыть новый физический смысл этой величины.

Электрическая постоянная – это физическая величина, численно равная электроемкости плоского воздушного конденсатора, с пластинами площадью 1 м2, которые расположены на расстоянии 1 м друг от друга.

Чтобы получить единицу электрической постоянной, ее надо выразить из формулы электроемкости плоского конденсатора и в полученное выражение подставить единицы электроемкости – 1 Ф, площади – 1 м2, расстояния – 1 м.

Получаем: [ε0] = 1 Ф/м.

Соединенные между собой последовательно или параллельно конденсаторы называются батареей конденсаторов.

Рис. 4

При последовательном соединении средние обкладки соседних конденсаторов можно рассматривать как один проводник, заряжающийся через влияние. На этом проводнике одновременно возникают равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Таким образом, заряд каждой пластины всех соединенных конденсаторов одинаков по величине, но разности потенциалов между обкладками конденсаторов различны:

Сложив эти равенства почленно, получаем:

Если рассматривать батарею как один конденсатор с емкостью С, то для всей батареи можно записать:

Сопоставляя эту формулу с предыдущей, имеем:

Обратная величина электроемкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме обратных величин электроемкостей конденсаторов, составляющих батарею.

Рис. 5

При параллельном соединении разности потенциалов на обкладках конденсаторов одинаковы, а заряды обкладок различны: q1 = C1 ∙ Δφ; q2 = C2 ∙ Δφ; q3 = C3 ∙ Δφ;

Общий заряд одноименно заряженных пластин будет равен: q = q1 + q2 + q3 = (C1 + C2 + C3) ∙ Δφ.

Рассматривая батарею как одни конденсатор с емкостью C, можно записать для всей батареи: q = C ∙ Δφ.

Сопоставляя эту формулу с предыдущей, имеем: C = C1 + C2 + C3.

Электроёмкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме электроемкостей всех входящих в батарею конденсаторов.

Конденсатор способен долгое время удерживать на своих обкладках заряды, которые, протекая по электрическим цепям, могут совершать работу.

Следовательно, заряженный конденсатор обладает энергией. Эту энергию, в зависимости от условий поставленной задачи, можно выразить через электроемкость конденсатора, заряд на его обкладках или напряжение между ними в различных сочетаниях этих величин.

Рис. 6

Конденсаторы находят широкое применение в электро- и радиотехнике. Использование конденсаторов основано на его основных свойствах.

Рис. 7

Например, они могут выступать в качестве накопителей электроэнергии, разделителей постоянного и переменного токов.

Рис. 8

В радиотехнике конденсаторы, как элементы единой системы, называемой колебательным контуром, используются для настройки ее на определенную волну.