Диэлектрические материалы.

1. Газообразные.

2. Жидкие.

3. Твердые.

Электрическая ёмкость. Плоский конденсатор.

Потенциал металлического уединенного тела с увеличением сообщенного ему заряда возрастает. При этом заряд Q и потенциал φ связаны между собой соотношением

Q = Сφ (1)

Откуда С = Q/φ (2)

Здесь С – коэффициент пропорциональности, или электрическая ёмкость тела.

Таким образом, электрическая ёмкость С тела определяет заряд, который нужно сообщить телу, чтобы вызвать повышение его потенциала на 1 В.

Единицей емкости, является кулон на вольт или фарада: [C] = 1Кл/В = 1Ф.

В технике для получения емкостей используют конденсаторы – устройства, состоящие из двух металлических проводников, разделенных диэлектриком, и предназначенные для использования их емкости. ──║──

В частности, плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами. При подключении к источнику постоянного напряжения происходит зарядка конденсатора, свободные электроны пластины, соединенной с положительным полюсом источника, переходят через источник на пластину. Соединенную с его отрицательным полюсом. Этот процесс закончится, когда разность потенциалов между пластинами окажется равной напряжению между зажимами источника. В результате одна пластина конденсатора получает заряд +Q, а другая –Q. При этом заряд Q и напряжение U между пластинами связаны соотношением Q = CU, откуда С = Q/U (3) , здесь С – ёмкость конденсатора.

Таким образом, электрическая емкость С конденсатора определяет заряд, который нужно сообщить одной пластине, чтобы вызвать повышение напряжения между пластинами на 1 В.

Для нахождения заряда Q при заданном напряжении необходимо знать ёмкость конденсатора. В случае плоского конденсатора С = ε_rε_oS/d (4) где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора; ε_o – электрическая постоянная; S – площадь одной пластины (м²); d – расстояние между пластинами (м).

Промышленность выпускает конденсаторы различной емкости – от 10 пФ до нескольких тысяч микрофарад на различные номинальные напряжения (от единиц вольт до сотен киловольт), различного назначения и конструкции. По типу диэлектрика конденсаторы делятся на бумажные, слюдяные, керамические и др. конденсаторы находят широкое применение в электротехнике и радиотехнике.

Соединение конденсаторов. Энергия электрического поля.

На практике нужную емкость получают, прибегая к различным способам соединения стандартных конденсаторов.

• Параллельное соединение.

При параллельном соединении конденсатов потенциал пластин, соединенных с положительным полюсом источника, одинаков и равен потенциалу этого полюса. Соответственно потенциал пластин, соединенных с отрицательным полюсом, равен потенциалу этого полюса. => напряжение, приложенное к конденсаторам, одинаково. Общий заряд: Q_общ = Q₁+Q₂+Q₃. Так как, согласно (3): Q = CU, то Q_общ = С_общU; Q₁ = C₁U; Q₂ = C₂U; Q₃ = C₃U и С_общU = C₁U+C₂U+C₃U. Таким образом, общая, или эквивалентная, емкость при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов: С_общ = С₁₊С₂+С₃. (5). => При параллельном соединении одинаковых конденсаторов емкостью С общая емкость С_общ = nС. (6).

• Последовательное соединение.

При последовательном соединении конденсаторов на пластинах будут одинаковые заряды. На внешние электроды заряды поступают от источника питания. На внутренних электродах конденсаторов С₁ и С₃ удерживается такой же заряд, как и на внешних. Но поскольку заряды на внутренних электродах получены за счет разделения зарядов с помощью электростатической индукции, заряд конденсатора С₂ имеет такое же значение.

Найдем общую емкость для этого случая. Так как U = U₁+U₂+U₃, где U = Q/C_общ; U₁ = Q/C₁; U₂ = Q/C₂; U₃ = Q/C₃, то Q/C_общ = Q/C₁+Q/C₂+Q/C₃. сократив на Q, получим: 1/С_общ = 1/С₁+1/С₂+1/С₃. (7).

При последовательном соединении двух конденсаторов, используя (7), найдем: С_общ = С₁С₂/(С₁+С₂) (8).

При последовательном соединении n одинаковых конденсаторов емкостью С каждый на основании (7) общая ёмкость: С_общ = С/n. (9).

●─────

────●─────

╪ ╪ ╪ ●──║──║──║──●

────●─────

●─────

• Энергия электрического поля.

При зарядке конденсатора от источника питания энергия этого источника преобразуется в энергию электрического поля конденсатора: W_C=CU²/2 (10), или с учетом того, что Q=CU, W_C=QU/2 (11).

Физически накопление энергии в электрическом поле происходит за счет поляризации молекул или атомов диэлектрика.

При замыкании пластин конденсатора проводником происходит разрядка конденсатора и в результате энергия электрического поля преобразуется в теплоту, выделяемую при прохождении тока через проводник.