Как узнать расстояние между пластинами конденсатора. Емкость, конденсаторы

Систему проводников очень боль­шой электроемкости вы можете об­наружить в любом радиоприемнике или купить в магазине. Называется она конденсатором. Сейчас вы узна­ете, как устроены подобные системы и от чего зависит их электроемкость.

Конденсатор. Большой электро­емкостью обладают системы из двух проводников, называемые кон­денсаторами. Конденсатор представ­ляет собой два проводника, разде­ленные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с раз­мерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых парал­лельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга (рис. 1). Если заряды пластин одинаковы по модулю и противо­положны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на от­рицательно заряженной. Поэтому почти все электрическое по­ле сосредоточено внутри конден­сатора.

У сферического конденсатора, со­стоящего из двух концентрических сфер, все поле сосредоточено между ними.

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полю­сам источника напряжения, напри­мер к полюсам батареи аккумуля­торов. Можно также соединить одну обкладку с полюсом батареи, у которой другой полюс заземлен, а вто­рую обкладку конденсатора зазем­лить. Тогда на заземленной об­кладке останется заряд, противопо­ложный по знаку и равный по мо­дулю заряду другой обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю.

Под зарядом конденсатора пони­мают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Электроемкость конденсатора определяется формулой.

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь кон­денсатора и не влияют.на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденса­тора практически не зависит от на­личия вблизи него каких-либо дру­гих тел.

Первый конденсатор, названный лейденской банкой, был создан в середине XVIII в. Было обнаружено, что гвоздь, вставленный в стеклян­ную банку с ртутью, накапливает большой электрический заряд. В та­ком конденсаторе ртуть служила од­ной обкладкой, а ладони экспериментатора, держащего банку,- дру­гой. Впоследствии обе обкладки ста­ли делать из тонкой латуни или станиоля.

Электроемкость плоского кон­денсатора. Геометрия плоского кон­денсатора полностью определяется площадью S его пластин и рас­стоянием d между пластинами. От этих величин и должна зависеть ем­кость плоского конденсатора. Чем больше площадь пластин, тем боль­ший заряд можно на них нако­пить: q~S. С другой стороны, на­пряжение между пластинами соглас­но формуле пропорционально расстоянию между ними. Поэтому емкость

Кроме того, напряжение, так же как и напряженность поля, умень­шается в среде в εраз:

Следовательно, если- между пласти­нами находится диэлектрик, то ем­кость

Проверим на опыте зависимость (1), полученную нами из элемен­тарных соображений. Для этого возьмем конденсатор, у которого расстояние между пластинами можно изменять, и электрометр с заземлен­ным корпусом (рис.1). Соединим корпус и стержень электрометра про­водниками с пластинами конден­сатора и зарядим конденсатор. Для этого нужно коснуться на­электризованной палочкой пласти­ны конденсатора, соединенной со стержнем. Электрометр покажет разность потенциалов между плас­тинами.

Раздвигая пластины, мы обна­ружим увеличение разности потен­циалов.

Согласно определению электро­емкости – это указывает на ее уменьшение. В соот­ветствии с зависимостью (1) электроемкость действительно долж­на уменьшаться с увеличением рас­стояния между пластинами.

Вставив между обкладками кон­денсатора пластину из диэлектрика, например из органического стекла, мы обнаружим уменьшение разности потенциалов. Следовательно, элек­троемкость плоского конденсатора в этом случае увеличивается.

Расстояние между пластинами d может быть очень малым, а пло­щадь S и диэлектрическая прони­цаемость - достаточно большими. Поэтому при небольших размерах конденсатор может иметь большую электроемкость. Впрочем, плоский конденсатор электроемкостью в 1 Ф должен был бы иметь площадь пластин S = 100 км 2 при расстоянии между пластинами d=1 мм.

Измерение диэлектрической про­ницаемости. Зависимость электро­емкости конденсатора от электриче­ских свойств вещества между его обкладками используется для изме­рения диэлектрической проницае­мости вещества. Для этого нужно экспериментально определить отно­шение электроемкости (С) конден­сатора с диэлектрической пласти­ной между обкладками и без нее (Со). Как следует из выражения (1), диэлектрическая проницае­мость

Различные типы конденсаторов. В зависимости от назначения кон­денсаторы имеют различное устройство. Обычный технический бумаж­ный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изо­лированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Полоски и ленты туго свернуты в пикет небольшого размера.

В радиотехнике широко приме­няют конденсаторы переменной элек­троемкости (рис.2). Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить одна в другую. При этом меняются площади перекрывающихся частей пластин и, следовательно, их элек­троемкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.

Значительного увеличения элек­троемкости за счет уменьшения рас­стояния между обкладками достига­ют в так называемых электроли­тических конденсаторах (рис.3). Диэлектриком в них служит очень тонкая пленка оксидов, покрываю­щих одну из обкладок (полосу фоль­ги). Второй обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электро­лита).

Конденсаторы позволяют накап­ливать электрический заряд. Элек­троемкость плоского конденсатора пропорциональна произведению пло­щади пластин на диэлектрическую проницаемость среды между ними и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

Рис.1 Рис.2

Емкость проводников, удаленных от других предметов (уединенных проводников), зависит от размеров и формы самих проводников. Чем больше размеры проводника, тем больше его емкость.

Но в практике нам не приходится иметь дело с уединен­ными проводниками. Поэтому важно знать, как влияют на ем­кость расположенные вблизи данного провод­ника предметы и в ча­стности другие провод­ники.

Представим себе два металлических шара одинаковых размеров, заряженных одинако­выми количествами электричества разного знака и удаленных один от другого на значи­тельное расстояние (рис.1.). Заряды на обоих шарах будут рас­положены равномерно по их поверхностям вследствие того, что одноименные заряды на каждом из шаров от­талкиваются друг от друга. Потенциал каж­дого из шаров будет определяться его раз­мерами и тем количест­вом электричества, которое ему сообщено. Потенциал одного шара будет положителен, другого - отрицателен, так что между шарами будет существовать некоторая разность потен­циалов.

Рисунок 1. Заряженные металлические шары находятся на большом удалении один от другого. Емкость шаров зависит только от их размеров.

Приблизим шары друг к другу (рис. 2.). Разноименные заряды шаров станут притягиваться. Вследствие этого они окажутся распределенными уже не равномерно по поверхностям шаров, а частично переместятся на те их стороны, которыми они обращены друг к другу. Большинство силовых линий выходящих из положительных зарядов первого шара, бу­дет оканчиваться на отрицательных зарядах второго шара. При этом потенциал каждого шара будет определяться не только зарядом, находящимся на нем, но и зарядом соседнего шара. Так как заряды обоих шаров разноименные, то потен­циал положительно заряженного шара будет понижен вслед­ствие влияния второго шара, заряженного отрицательно и создающего в окружающем пространстве отрицательный по­тенциал. Наоборот, потенциал второго шара будет повышен вследствие влияния первого шара, создающего в окружаю­щем пространстве положительный потенциал.

Рисунок 2. Металлические шары сближены.

Таким образом, по сравнению с тем, что было до сбли­жения шаров, потенциал положительно заряженного шара понизится, а отрицательно заряженного шара повысится, и разность потенциалов между шарами уменьшится. Следова­тельно, при сближении заряженных проводников, если заряд их остался неизменным, разность потенциалов понижается. Но при той же разности потенциалов проводники могут «вме­стить» большие количества электричества так как C=Q/U . Значит, при сбли­жении проводников их емкость увеличивается.

Емкость проводников зависит не только от расстояния между ними и от их размеров и формы, но и от свойств окру­жающей среды. Приборы, в которых емкость между провод­никами используется для накопления электрических зарядов, называются - конденсаторы . Простейший кон­денсатор состоит из двух параллельных металлических пла­стин, разделенных слоем воздуха (рис. 3 слева). Емкость такого конденсатора будет тем больше, чем больше поверхность пла­стин и чем меньше расстояние между ними.

Рисунок 3. Простейший конденсатор с воздушным (слева) и твердым (справа) диэлектриком.

Часто для увеличения емкости конденсатора между его пластинами помещают какой-либо диэлектрик (рис.3 справа). Увеличение емкости в этом случае объясняется тем, что при заряде конденсатора на поверхностях диэлектрика, располо­женных против пластин, появляются электрические заряды, знак которых противоположен знаку зарядов пластин (рис.4.). Эти заряды диэлектрика, взаимодействуя с зарядами конденсатора, уменьшают разность потенциалов между ними при неизменной величине зарядов на обкладках, т. е. увеличивают емкость конденсатора.

Рисунок 4. Увеличение емкости конденсатора в результате поляризации диэлектрика.

Вносимые различными диэлектриками изменения емкости конденсаторов связаны с их диэлектрическими постоянными. Чем больше диэлектрическая постоянная данного диэлектри­ка, тем более он увеличивает емкость конденсатора.

Емкость плоского конденсатора , состоящего из двух пла­стин, при условии, что расстояние между пластинами мало по сравнению с размерами пластин, определяется согласно следущему выражению:

C = 0,09*S*e/d

С-емкость конденсатора в пикофарадах (пф);

S-активная площадь одной пластины в см 2 ;

е-диэлектрическая постоянная диэлектрика, разделяю­щего пластины;

d-расстояние между пластинами или, что то же самое, толщина диэлектрика в см.

§ 9. Электрическая емкость, конденсаторы

Электрическая емкость проводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделенных диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды.
В технике широко применяют конденсаторы - устройства, которые при сравнительно малых размерах способны накапливать значительные электрические заряды. Конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Они используются в энергетических установках, в устройствах электроники, автоматики и др.
Плоский конденсатор в простейшем виде состоит из двух металлических пластин-обкладок, разделенных диэлектриком, например воздухом, слюдой, парафинированной бумагой и др.
В зависимости от вида диэлектрика конденсатор называют бумажным, слюдяным, воздушным и т. д.
Электрическая емкость конденсатора определяется отношением величины заряда на его пластинах к напряжению между ними. Следовательно, электрическая емкость

Электрическая емкость измеряется в фарадах. Емкость конденсатора равна одной фараде, если увеличение его заряда на один кулон электричества вызывает повышение напряжения между его обкладками на один вольт.
Фарада - очень крупная единица емкости, которая практически не применяется.
Обычно пользуются более мелкими единицами емкости: микрофарадой (мкф ) и пикофарадой (пф ).
Фарада содержит миллион микрофарад: 1 ф = 10 6 мкф . Микрофарада содержит миллион пикофарад: 1 мкф = 10 6 пф .
Емкость конденсатора зависит от площади его пластин . При одном и том же напряжении и одинаковом расстоянии между пластинами конденсатор, у которого пластины имеют большую площадь, заряжается большим количеством электричества и в связи с этим обладает большей емкостью, чем такой же конденсатор с тем же диэлектриком, но с пластинами малого размера.
Емкость конденсатора зависит от расстояния между его пластинами (от толщины диэлектрика). Конденсатор, у которого пластины находятся на большом расстоянии друг от друга, обладает меньшей емкостью, чем такой же конденсатор, пластины которого сближены. Это объясняется тем, что при малом расстоянии между пластинами взаимодействие их разноименных зарядов сильнее, а потому конденсатор накапливает большее количество электричества.
Емкость конденсатора зависит от свойств материала диэлектрика - от его диэлектрической проницаемости . Например, при равных размерах пластин и равном расстоянии между ними конденсатор, у которого диэлектриком является слюда, имеет примерно в шесть раз большую емкость, чем конденсатор с воздушным диэлектриком. При тех же условиях бумажный конденсатор имеет в 2,2 раза большую емкость, чем воздушный, но меньшую, чем слюдяной.
Для вычисления емкости плоского конденсатора, имеющего две пластины, служит формула