Емкость конденсатора

Конденсатор — элемент обладающий электрической емкостью.

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 следующему выражению:

C = 0,09*S*e/d

где:

С—емкость конденсатора в пикофарадах (пф);

S—активная площадь одной пластины в см²;

е—диэлектрическая постоянная диэлектрика, разделяю­щего пластины;

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