Что такое электроемкость уединенного проводника

Учебники

Разделы физики

Журнал “Квант”

Лауреаты премий по физике

Общие

SA. Конденсаторы

Содержание

Электроемкость

Различают электроемкость уединенного проводника, системы проводников (в частности, конденсаторов).

Электроемкость уединенного проводника

  • Уединенным называется проводник, расположенный вдали от других заряженных и незаряженных тел так, что они не оказывают на этот проводник никакого влияния.
  • Электроемкость уединенного проводника — физическая величина, равная отношению электрического заряда уединенного проводника к его потенциалу:

(

В СИ единицей электроемкости является фарад (Ф).

  • 1 Ф — это электроемкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл.

Поскольку 1 Ф очень большая единица емкости, применяют дольные единицы:

1 пФ (пикофарад) = 10 -12 Ф, 1 нФ (нанофарад) = 10 -9 Ф, 1 мкФ (микрофарад) = 10 -6 Ф и т.д.

Электроемкость проводника не зависит от рода вещества и заряда, но зависит от его формы и размеров, а также от наличия вблизи диэлектрика.

Если уединенным проводником является заряженная сфера, то потенциал поля на ее поверхности

где R — радиус сферы, ε — диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится проводник. Тогда электроемкость уединенного сферического проводника

C = dfrac= 4 pi cdot varepsilon_0 cdot varepsilon cdot R = dfrac.)

  • Электроемкость сферы размерами с Землю равна всего 709 мкФ. Электроемкость сферы равна 1 Ф, если радиус сферы в 1400 раз больше радиуса Земли, т.е. R = 9⋅10 12 м.

Электроемкость двух проводников

Обычно на практике имеют дело с двумя и более проводниками. Рассмотрим два проводника произвольной формы, находящиеся в однородном диэлектрике. Сообщим им заряды +q и –q. При этом между проводниками установится некоторая разность потенциалов (напряжение): φ1 – φ2 = U.

Эксперимент показывает, что увеличение заряда каждого проводника, например, в 2 раза приводит к увеличению напряжения между ними также в 2 раза, т.е. отношение (dfrac) для данной пары проводника остается постоянным:

(dfrac= dfrac= ldots = const = C.)

  • Электроемкость двух проводника — физическая величина, равная отношению электрического заряда одного из проводников к разности потенциалов (напряжению) между ними

(

Электроемкость двух проводников зависит от формы и размеров проводников, от их взаимного расположения и относительной диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между ними.

Конденсаторы

Для практического использования электрической энергии необходимо уметь ее накапливать. Для этого используют специальные устройства — конденсаторы.

  • Конденсаторы — это устройства, которые состоят из двух или более проводников, разделенных тонким слоем диэлектрика.

Проводники, из которых состоит конденсатор, называются обкладками.

Как правило, при зарядке конденсатора заряды его обкладок равны по величине и противоположны по знаку. Под зарядом конденсатора понимают значение заряда положительно заряженной обкладки.

  • Термин «конденсатор» от латинского слова condensare — сгущать ввел А.Вольта (итальянский физик) в 1782 г. Первые электрические конденсаторы были изготовлены Э.Клейстом и П. Ван Мушенбреком в 1745 г. По имени города Лейдена, где работал Мушенбрек, французкий физик Жан Нолле назвал их лейденскими банками.

При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников.

  • Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками:

(

C = dfrac qU .)

  • Из этой формулы видно, что чем больше напряжение между обкладками конденсатора, тем больше на них заряд. Но для каждого конденсатора существует предельное (максимальное) напряжение, выше которого диэлектрик начнет разрушаться. При этом заряды обкладок конденсатора мгновенно нейтрализуются, происходит пробой, т.е. конденсатор выходит из строя.

Виды конденсаторов

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

  • по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;
  • по типу диэлектрика (рис. 1) —бумажные (а), воздушные (б), слюдяные, керамические, электролитические (в) и т.д.;
  • по рабочему напряжению — низковольтные (напряжение пробоя до 100 В) и высоковольтные (выше 100 В);
  • по возможности изменения своей емкости — постоянной емкости (см. рис. 1, а, в), переменной емкости (см. рис. 1, б), подстроечные (рис. 2).

    Электроемкость уединенного проводника

    Распределение заряда в проводнике

    Внутри любого проводника имеется много свободных носителей заряда. Но, пока общий заряд проводника равен нулю, заряд носителей (в металлах это свободные электроны) компенсируется противоположным по знаку зарядом ионов кристаллической решетки. Поэтому в незаряженном проводнике свободные носители зарядов распределены равномерно.

    Рис. 1. Свободные электроны в проводнике.

    При сообщении проводнику заряда в нем образуется избыток свободных носителей. В этом случае силы их взаимного отталкивания приводят к тому, что носители выталкиваются на поверхность проводника, и равномерно распределяются по ней.

    Равномерное распределение зарядов по поверхности приводит к тому, что:

    • напряженность поля внутри проводника равна нулю, так как поле зарядов на разных сторонах проводника направлено противоположно;
    • распределение потенциала по поверхности проводника оказывается равномерным;
    • линии электрического поля около поверхности проводника направлены по нормали к ней.

    Эти условия означают, что поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. В любой ее точке потенциал одинаков.

    Рис. 2. Эквипотенциальные поверхности.

    Электроемкость уединенного проводника

    Уединенным называется проводник, рядом с которым нет тел, способных повлиять на распределение зарядов на поверхности этого проводника. Дополнительный заряд, переданный такому проводнику, распределится по его поверхности точно так же, прибавившись к уже имеющемуся в проводнике заряду. То есть, потенциал проводника прямо пропорционален сообщенному заряду:

    Напомним, что потенциал в точке равен работе поля, которую надо совершить для переноса единичного заряда из бесконечности в эту точку. Как показывают опыты, потенциал заряженного проводника зависит от его формы и размеров. В самом деле, чем больше геометрические размеры проводника, тем больше его площадь, тем менее плотное распределение заряда будет на его поверхности (при одном и том же заряде), а значит, и работы для сообщения такого заряда требуется меньше.

    Возникает возможность ввести специальную характеристику проводника, которая бы показывала, насколько легко сообщать ему заряд. Поскольку потенциал прямо пропорционален заряду, то эта характеристика представляет собой коэффициент пропорциональности, и называется электроемкость (обозначается $C$).

    Формула электроемкости уединенного проводника:

    Единица измерения электроемкости – фарад (Ф). Фарад – это электроемкость проводника, потенциал которого при сообщении ему заряда 1 кулон равен 1 вольт.

    Фарад – это очень большая емкость. Например, электроемкость Земли (проводящего шара, размером с Землю) не превышает $10^<-6>$Ф, а электроемкость Солнца – $10^<-4>$Ф. Для создания электроемкости в электрических схемах применяют специальные устройства, имеющие заметную емкость (до единиц фарад) при малых размерах – конденсаторы.

    Рис. 3. Электрические конденсаторы.

    Что мы узнали?

    Заряд, сообщенный уединенному проводнику, равномерно распределяется по его поверхности, таким образом, поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. Ее потенциал прямо пропорционален сообщенному заряду. Коэффициент пропорциональности называется электроемкость, он измеряется в фарадах.

    Что такое электрическая ёмкость?

    Одним из важных параметров, учитываемых в электрических цепях, является электрическая емкость – способность проводников накапливать заряды. Понятие емкости применяется как для уединенного проводника, так и для системы, состоящей из двух и более проводников. В частности, емкостью обладают конденсаторы, состоящие из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком или электролитом.

    Для накопления зарядов широко применяютсяаккумуляторы, используемые в качестве источников постоянного тока для питания различных устройств. Количественной характеристикой, определяющей время работы аккумулятора, является его электроемкость.

    Определение

    Если диэлектрик, например, эбонитовую палочку, наэлектризовать трением то электрические заряды сконцентрируются в местах соприкосновения с электризующим материалом. При этом, другой конец палочки можно насытить зарядами противоположно знака и такая наэлектризованность будет сохраняться.

    Совсем по-другому ведут себя проводники, помещенные электрическое поле. Заряды распределяются по их поверхности, образуя некий электрический потенциал. Если поверхность ровная, как у палочки, то заряды распределятся равномерно. Под действием внешнего электрического поля в проводнике происходит такое распределение электронов, чтобы внутри его сохранялся баланс взаимной компенсации негативных и позитивных зарядов.

    Внешнее электрическое поле притягивает электроны на поверхность проводника, компенсируя при этом положительные заряды ионов. По отношению к проводнику имеет место электростатическая индукция, а заряды на его поверхности называются индуцированными. При этом на концах проводника плотность зарядов будет несколько выше.

    На металлическом шаре заряды распределяются равномерно по всей поверхности. Наличие полости любой конфигурации абсолютно не влияет на процесс распределения.

    Однако, если проводник убрать из зоны действия поля, то его заряды перераспределятся таким образом, что он снова станет электрически нейтральным.

    На рисунке 1 изображена схема заряженного разнополюсного диэлектрика и проводника, удалённого из зоны действия электростатического поля. Благодаря тому, что диэлектрик сохраняет полученные заряды, уединенный проводник восстановил свою нейтральность.

    Рис. 1. Распределение зарядов

    Интересное явление наблюдается с двумя проводниками, разделенными диэлектриком. Если одному из них сообщить положительный заряд, а другому – отрицательный, то после убирания источника электризации заряды на поверхности проводников сохранятся. Заряженные таким образом проводники обладают разностью потенциалов.

    Заряды, накопившиеся на диэлектрике, уравновешивают внутренние взаимодействие в каждом из проводников, не позволяя им разрядиться. Величина заряда зависит от площади поверхности параллельных проводников и от свойства диэлектрика, расположенного между ними.

    Свойство сохранять накопленный заряд называется электроемкостью. Точнее говоря, – это характеристика проводника, физическая величина определяющая меру его способности в накоплении электрического заряда.

    Накопленное электричество можно снять с проводников путем короткого замыкания их или через нагрузку. С целью увеличения емкости на практике применяют параллельные пластины или же длинные полоски тонкой фольги, разделённой диэлектриком. Полоски сворачивают в тугой цилиндр для уменьшения объема. Такие конструкции называют конденсаторами.

    На рисунке 2 изображена схема простейшего конденсатора с плоскими обкладками.

    Рис. 2. Схема простого конденсатора

    Существуют конденсаторы других типов:

    • переменные;
    • электролитические;
    • оксидные;
    • бумажные;
    • комбинированные и другие.

    Важной характеристикой конденсатора, как и других накопительных систем, является его электрическая емкость.

    Формулы

    На рисунке 3 наглядно показано формулы для определения емкости, в т. ч. и для сферы.

    Рис. 3. Электроёмкость проводника

    По отношению к конденсатору, для определения его емкости применяют формулу: C = q/U. То есть, эта величина прямо пропорциональна заряду одной из обкладок и обратно пропорциональна разнице потенциалов между обкладками (см. рис. 4).

    Ёмкость конденсатора

    О других способах определения ёмкости конденсатора читайте в нашей статье: https://www.asutpp.ru/kak-opredelit-emkost-kondensatora.html

    Единицы измерения

    За единицу измерения величины электроемкости принято фараду: 1 Ф = 1 Кл/1В. Поскольку фарада величина огромная, то для измерения емкости на практике она мало пригодна. Поэтому используют приставки:

    • мили (м) = 10 -3 ;
    • микро (мк) = 10 -6 ;
    • нано (н) = 10 -9 ;
    • пико (пк) = 10 -12 ;

    Например, электрическая емкость 1 мкф = 0,000001 Ф. Параметр зависит от геометрических размеров, конфигурации проводника и материала диэлектрика.

    Уединенный проводник и его емкость

    Уединенным называют проводник, влиянием на который других элементов цепей можно пренебречь. Предполагается, что все другие проводники бесконечно удалены от него, а как известно, потенциал точки, бесконечно удаленной в пространстве, равен 0.

    Электрическую емкость C уединенного проводника, определяют как количество электричества q, которое требуется для повышения электрического потенциала на 1 В: С = q/ϕ. Параметр не зависит от материала, из которого изготовлен проводник.

    Конденсаторы постоянной и переменной емкости

    Эра накопителей электричества началась с воздушных конденсаторов. Благодаря плоскому конденсатору с большой площадью обкладок физики смогли понять, как взаимная емкость регулируется площадями пластин, что позволило им создать конденсаторы с переменной емкостью (см. рис. 5).

    Рис. 5. Конденсатор переменной емкости

    Идея изменения емкости состояла в том, чтобы путем поворота плоской обкладки изменять площадь поверхности, которая располагается напротив другой пластины. Если обкладки располагались точно друг против друга, то напряженность поля между ними была максимальной. При смещении одной из пластин на некоторый угол, напряженность уменьшалась, что приводило к изменению емкости. Таким образом, можно было плавно управлять накопительной способностью конденсатора.

    Детали с переменной емкостью нашли применение в первых радиоприемниках для поиска частоты нужной станции. Данный принцип используется по сегодняшний день в различных аналоговых электрических схемах.

    Большую популярность приобрели электролитические конденсаторы. В качестве одной из обкладок у них используется электролит, обладающий высокими показателями диэлектрической проницаемости. Благодаря диэлектрическим свойствам электролитов такие конденсаторы обладают большими емкостями.

    Главные их преимущества электролитического конденсатора:

    • высокие показатели емкости при малом объеме;
    • применение в цепях с постоянным током.

    Недостатки:

    • необходимо соблюдать полярность;
    • ограниченный срок службы;
    • чувствительность к повышенным напряжениям.

    Высокую электрическую прочность имеют плоские конденсаторы, у которых в качестве диэлектрического материала применяется керамика. Они используются в цепях с переменным током и выдерживают большие напряжения.

    Сегодня промышленность поставляет на рынок множество конденсаторов различных типов, с высокими показателями проницаемости диэлектриков.

    Конденсаторы различных типов

    Аккумуляторы и электроемкость

    Накопители электричества большой емкости (аккумуляторы) состоят из положительных и негативных пластин, погруженных в электролит. Во время зарядки часть атомов электролита распадается на ионы, которые оседают на пластине. Образуется разность потенциалов между пластинами, что является причиной возникновения ЭДС при подключении нагрузки.

    С целью увеличения напряжения аккумуляторы последовательно соединяют в батареи. Разница потенциалов одной секции около 2 В. Для получения аккумулятора на 6 В необходимо создать батарею из трех секций, а на 12 В – батарею из 6 секций.

    Для характеристики аккумуляторов (батарей) используются параметры:

    • емкости;
    • номинального напряжения;
    • максимального тока разряда.

    Единицей емкости аккумулятора является ампер-час (А*ч) или кратные ей миллиампер-часы (мА*ч). Емкость аккумулятора зависит от площади пластин. Увеличить емкость можно путем параллельного подключения нескольких секций, но такой способ почти не применяется, так как проще и надежнее создать аккумулятор с большими пластинами.

    Физика. 10 класс

    § 22-3. Электрическая ёмкость. Электрическая ёмкость уединённого проводника

    Проводники и системы, состоящие из нескольких проводников, обладают свойством накапливать электрический заряд. Какая физическая величина характеризует это свойство?

    Электрическая ёмкость. Для характеристики свойства проводника накапливать электрический заряд ввели физическую величину — электрическую ёмкость С. Для объяснения физического смысла этой величины рассмотрим следующий опыт: присоединим тонким длинным проводником к стержню электрометра с заземлённым корпусом уединённый полый металлический шар.

    Проводник считают уединённым, если он расположен вдали от возможных источников электрического поля как проводящих, так и непроводящих тел. Если вблизи заряженного проводника находятся другие тела, то вследствие явления электростатической индукции в проводниках происходит перераспределение свободных электрических зарядов — возникают индуцированные заряды, а в диэлектриках — смещение в противоположные стороны разноимённых зарядов, входящих в состав атомов вещества, приводящее к возникновению поляризационных зарядов. Поляризационные заряды, возникающие в диэлектриках, и заряды, индуцируемые на проводниках, создают дополнительное электростатическое поле, изменяющее потенциал заряженного проводника.

    Касаясь наэлектризованным проводящим шариком, закреплённым на изолирующей ручке, внутренней поверхности полого металлического шара, будем последовательно сообщать ему одинаковые положительные электрические заряды, увеличивая его суммарный заряд в 2, 3 и т. д. раз ( рис. 118.12 ). Чем больше сообщённый шару электрический заряд, тем больше его потенциал, так как , где R — радиус шара. Значит, во сколько раз увеличился заряд шара, во столько же раз увеличился и его потенциал, т. е. отношение электрического заряда к потенциалу остаётся величиной постоянной для данного уединённого шара: .

    Прямая пропорциональная зависимость между потенциалом и электрическим зарядом справедлива не только для уединённых шарообразных проводников, но и для любого уединённого проводника произвольной формы. Необходимо только, чтобы форма и размеры проводника, а также диэлектрические свойства среды, в которой он находится, оставались неизменными.

    Электрическая ёмкость уединённого проводника — физическая скалярная величина, количественно характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд и равная отношению заряда проводника к его потенциалу:

    Отметим, что электрическая ёмкость является характеристикой уединённого проводника и не зависит ни от наличия избыточного заряда, ни от его потенциала. Поскольку заряды располагаются только на внешней поверхности проводника, то ни от вещества, из которого он изготовлен, ни от его массы электроёмкость проводника также не зависит. Она зависит только от формы и размеров проводника, а также от диэлектрической проницаемости среды, в которой этот уединённый проводник находится. Например, электроёмкость уединённого проводящего шара радиусом R, находящегося в безграничной однородной среде с диэлектрической проницаемостью ε, определяют по формуле

    Единицей электрической ёмкости в СИ является фарад (Ф).

    1 Ф — очень большая электроёмкость. Электроёмкостью С = 1 Ф обладал бы находящийся в вакууме уединённый шар радиусом R = 9 ∙ 10 9 м (для сравнения: радиус земного шара RЗ = 6,4 ∙ 10 6 м ). Поэтому на практике применяют дольные единицы: микрофарад ( 1 мкФ = 1 ∙ 10 –6 Ф ), нанофарад ( 1 нФ = 1 ∙ 10 –9 Ф ) и пикофарад ( 1 пФ = 1 ∙ 10 –12 Ф ).

    Например, электроёмкость такого огромного проводника, как земной шар, равна С = 0,71 мФ , а электроёмкость человеческого тела примерно С = 50 пФ .

    Из истории физики

    В XVII-XVIII в. учёные рассматривали электричество как нематериальную жидкость. Эта жидкость могла вливаться в проводник и выливаться из него. Так появился термин «электрическая ёмкость».

    1. Какой проводник можно считать уединённым?

    2. Что называют электрической ёмкостью уединённого проводника?

    3. От чего зависит электроёмкость уединённого проводника?

    4. Обладает ли электроёмкостью незаряженный проводник?

    5. Можно ли, проанализировав формулу для расчёта электроёмкости уединённого проводника, утверждать, что его электроёмкость зависит от заряда и потенциала проводника?

    6. Два проводящих заряженных шара приводят в соприкосновение. Как распределятся заряды на шарах, если один из них алюминиевый, а другой стальной и радиусы шаров одинаковые?

    * Это выражение можно получить в результате математических преобразований двух формул: для нахождения электроёмкости и потенциала заряженного шара . ↑

    Что такое электроемкость уединенного проводника

    § 50. Электроемкость уединенного проводника

    Возьмем небольшой металлический полый шар и наденем его на электрометр (рис. 66). Пробным шариком начнем равными порциями q переносить заряды с шарика электрофорной машины на шар, касаясь заряженным шариком внутренней поверхности шара. Замечаем, что по мере увеличения заряда на шаре увеличивается и потенциал последнего относительно Земли. Более точные исследования показали, что потенциал проводника любой формы прямо пропорционален величине его заряда. Другими словами, если заряд проводника будет q, 2q, 3q, . nq, то его потенциал соответственно будет φ, 2φ, 3φ, . nφ. Отношение заряда проводника к его потенциалу для данного проводника есть величина постоянная:


    Рис. 66. К понятию электроемкости

    Если взять подобное отношение для проводника иного размера (см. рис. 66), то оно также будет постоянным, но с другим числовым значением. Величину, определяемую этим отношением, назвали электроемкостью проводника. Электроемкость проводника

    Скалярная величина, характеризующая свойство проводника удерживать электрический заряд и измеряемая зарядом, который повышает потенциал проводника на единицу, называется электроемкостью. Электроемкость – величина скалярная. Если один проводник имеет электроемкость в десять раз большую, чем другой, то, как видно из формулы электроемкости, чтобы их зарядить до одного и того же потенциала φ, надо, чтобы первый проводник имел заряд в десять раз больший, чем второй. Из сказанного следует, что электроемкость характеризует свойство проводников накапливать больший или меньший заряд при условии равенства их потенциалов.

    От чего зависит электроемкость уединенного проводника? Чтобы выяснить это, возьмем два разных по величине металлических полых шара, надетых на электрометры. При помощи пробного шарика зарядим шары так, чтобы величины зарядов q были одинаковы. Видим, что при этом потенциалы шаров не одинаковы. Шар с меньшим радиусом зарядился до большего потенциала φ1, чем шар с большим радиусом (его потенциал φ2). Так как заряды шаров одинаковой величины q = C1φ1 и q = С2φ2, а φ12, то С21. Значит электроемкость уединенного проводника зависит от величины его поверхности: чем больше поверхность проводника, тем больше его электроемкость. Такая зависимость объясняется тем, что заряжается только внешняя поверхность проводника. Электроемкость проводника не зависит от его материала.

    Установим единицу измерения электроемкости проводника в системе СИ. Для этого в формулу электроемкости подставим значения q = 1 к и φ = 1 в:

    За единицу электроемкости – фарада – принята электроемкость такого проводника, для повышения потенциала которого на 1 в нужно увеличить его заряд на 1 к. Электроемкость в 1 ф очень велика. Так, электроемкость Земли равна 1 /1400 ф, поэтому на практике пользуются единицами, составляющими доли фарады: миллионной долей фарады – микрофарадой (мкф) и миллионной долей микрофарады – пикофарадой (пф):

    Задача 20. Имеются два положительно заряженных тела, первое имеет электроемкость 10 пф и заряд 10 -8 к, второе – электроемкость 20 пф и заряд 2*10 -9 к. Что произойдет, если эти тела соединить проводником? Найти окончательное распределение зарядов между телами.

    соединения. Потенциал первого тела Потенциал второго тела Так как φ12, то заряды перейдут с тела с большим потенциалом на тело с меньшим потенциалом.

    После соединения потенциалы тел станут одинаковыми, а заряды между телами перераспределятся прямо пропорционально электроемкостям тел. Общий заряд будет равен:

    После соединения заряд на первом теле q1‘ = C1φ, на втором q2‘ = C2φ. Тогда q = φ(C1 + C2). Отсюда потенциал тел после их соединения Тогда

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий