Физика · 10 класс3 четвертьТема 3Лабораторная работаГОСО РК 2026Углубленный

Электроемкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля

Понятие электроемкости: C = q / U. Единица Фарад (Ф). Плоский конденсатор: C = (ε ε₀ S) / d. Электрическая постоянная ε₀. Соединения конденсаторов (параллельное: C = ΣC_i, последовательное: 1/C = Σ 1/C_i). Энергия заряженного конденсатора: W = (C U²) / 2. Плотность энергии поля.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы3 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ3 четвертьдескрипторы ГОСО

При сообщении уединенному металлическому проводнику электрического заряда q его потенциал φ возрастает прямо пропорционально величине заряда (q ~ φ). При этом отношение заряда к потенциалу остается постоянной характеристикой проводника.

Электроемкость (C) уединенного проводника — физическая величина, численно равная отношению электрического заряда проводника к его потенциалу:

C=q/φC = q / \varphi .

В Международной системе СИ единицей электроемкости является Фарад (Ф) в честь Майкла Фарадея:

1 Фарад — емкость проводника, потенциал которого увеличивается на 1 Вольт при сообщении ему заряда в 1 Кулон:

1 Ф = 1 Кл / 1 В.

Емкость 1 Фарад — колоссальная величина (уединенный проводящий шар размером с планету Земля радиусом R ≈ 6400 км имеет емкость всего около 700 микрофарад!). Поэтому на практике используют дольные единицы:

• 1 микрофарад (мкФ) = 10⁻⁶ Ф;

• 1 нанофарад (нФ) = 10⁻⁹ Ф;

• 1 пикофарад (пФ) = 10⁻¹² Ф.

Электроемкость уединенного проводящего шара радиуса R в среде с проницаемостью ε:

C = 4πε · ε₀ · R, где ε₀ = 8.85 · 10⁻¹² Ф/м.

ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРМЫ

C не зависит от q

Подобно объему сосуда для воды, электроемкость определяет емкость проводника для электрического заряда.
ЕМКОСТЬ ЗЕМЛИ

C ≈ 710 мкФ

Даже гигантский шар Земли имеет сравнительно небольшую емкость в уединенном состоянии.
Электроемкость проводникаОт чего зависит емкость
C=q/φ;Cшара=4πε⋅ε0⋅R;1Ф=1Кл/1ВC = q / \varphi ;\quad C_{\text{шара}} = 4 \pi \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot R;\quad 1 Ф = 1 Кл / 1 В
где C — электроемкость (Ф), q — заряд (Кл), φ — потенциал (В), R — радиус проводящей сферы (м), ε₀ = 8.85 · 10⁻¹² Ф/м.
От чего зависит емкость
Электроемкость проводника зависит только от его геометрических размеров, формы и окружающей среды, и НЕ зависит от величины заряда q или потенциала φ!

Чтобы накапливать значительные электрические заряды при умеренных потенциалах, используют конденсаторы — системы из двух проводников (обкладок), разделенных тонким слоем диэлектрика.

Электроемкость конденсатора — отношение заряда конденсатора q (заряда положительной обкладки) к разности потенциалов (напряжению U) между его пластинами:

C=q/UC = q / U.

Плоский конденсатор состоит из двух плоских параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на малом расстоянии d друг от друга, между которыми находится диэлектрик с проницаемостью ε.

Формула электроемкости плоского конденсатора:

C=(ε⋅ε0⋅S)/dC = ( \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot S) / d.

Закономерности емкости плоского конденсатора:

1. Емкость прямо пропорциональна площади перекрытия пластин S: при увеличении S накапливается больше заряда;

2. Емкость обратно пропорциональна зазору d: чем ближе обкладки, тем сильнее взаимное притяжение зарядов разноименных знаков и ниже напряжение между ними;

3. Введение диэлектрика с проницаемостью ε увеличивает емкость ровно в ε раз за счет эффекта поляризации.

Электрическая прочность диэлектрика: при слишком высоком напряжении Uпроб происходит искровой пробой диэлектрика, замыкающий обкладки накоротко.

ОТКЛЮЧЕН ОТ СЕТИ

q = const

При раздвижении пластин (рост d) емкость падает, а напряжение U = q/C и энергия резко растут!
ПОДКЛЮЧЕН К СЕТИ

U = const

При вдвигании диэлектрика емкость растет, и источник накачивает в конденсатор дополнительный заряд Δq.
Емкость плоского конденсатораДва состояния конденсатора
C = q / U = (ε · ε₀ · S) / d; ε₀ = 8.85 · 10⁻¹² Ф/м
где C — емкость (Ф), S — площадь одной пластины (м²), d — расстояние между пластинами (м), ε — диэлектрическая проницаемость.
Два состояния конденсатора
Если конденсатор отключен от источника: q = const! Если конденсатор подключен к источнику: U = const!

Для получения требуемой емкости и допустимого рабочего напряжения конденсаторы объединяют в батареи.

1. Параллельное соединение:

Все положительные обкладки соединяют в один узел, а отрицательные — в другой.

• Напряжение на всех конденсаторах одинаково: U = U₁ = U₂ = ... = Un;

• Полный заряд батареи равен сумме зарядов отдельных конденсаторов: q = q₁ + q₂ + ... + qn;

• Общая электроемкость равна сумме емкостей всех конденсаторов:

Cобщ = C₁ + C₂ + ... + Cn.

Параллельное соединение применяют для увеличения общей емкости батареи.

2. Последовательное соединение:

Отрицательная обкладка первого конденсатора соединяется с положительной обкладкой второго и т.д.

• Заряд на всех конденсаторах одинаков (за счет индукции): q = q₁ = q₂ = ... = qn;

• Полное напряжение на батарее равно сумме напряжений на каждом конденсаторе: U = U₁ + U₂ + ... + Un;

• Величина, обратная общей емкости, равна сумме обратных емкостей:

1 / Cобщ = 1 / C₁ + 1 / C₂ + ... + 1 / Cn.

Для двух последовательно соединенных конденсаторов: Cобщ = (C₁ · C₂) / (C₁ + C₂).

Общая емкость при последовательном соединении всегда меньше наименьшей из емкостей, но рабочее напряжение батареи увеличивается!

ПАРАЛЛЕЛЬНО

C = C₁ + C₂

Суммируются площади пластин: общая емкость возрастает, напряжение неизменно.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО

1/C = 1/C₁ + 1/C₂

Суммируются зазоры d: емкость уменьшается, допустимое пробивное напряжение растет.
Шаг 1
Выделить группы параллельных и последовательных блоков
Разбить сложную мостовую или комбинированную схему на элементарные пары.
Шаг 2
Вычислить эквивалентную емкость Cэкв
По формулам Cпар = C₁ + C₂ и Cпосл = C₁C₂/(C₁+C₂) найти емкость каждого блока.
Шаг 3
Рассчитать заряды и падения напряжений
Использовать инварианты U = const для параллельных и q = const для последовательных участков.
Формулы соединения конденсаторовОдинаковые элементы
Параллельно:C=ΣCi;Последовательно:1/C=Σ(1/Ci);Длядвух:C=(C1⋅C2)/(C1+C2)Параллельно: C = Σ C_i;\quad Последовательно: 1/C = Σ (1/C_i);\quad Для двух: C = (C_1 \cdot C_2) / (C_1 + C_2)
где C — общая электроемкость батареи конденсаторов (Ф).
Одинаковые элементы
При n одинаковых конденсаторах емкости C₀: параллельно C = n · C₀; последовательно C = C₀ / n.

Процесс зарядки конденсатора сопровождается совершением работы внешним источником тока по разделению положительных и отрицательных зарядов. Эта работа переходит в потенциальную энергию электрического поля конденсатора.

Формулы потенциальной энергии заряженного конденсатора:

W=(q⋅U)/2=(C⋅U2)/2=q2/(2⋅C)W = (q \cdot U) / 2 = (C \cdot U^2) / 2 = q^2 / (2 \cdot C).

Коэффициент 1/2 обусловлен тем, что в процессе зарядки напряжение между обкладками нарастает линейно от нуля до максимального значения U (среднее напряжение равно Uср = U / 2).

Локализация энергии в пространстве:

Энергия конденсатора сосредоточена не на обкладках, а непосредственно в самом электрическом поле, заполняющем объем V между пластинами!

Подставляя C = εε₀S / d и U = E · d в формулу энергии:

W=1/2⋅(ε⋅ε0⋅S/d)⋅(E⋅d)2=1/2⋅ε⋅ε0⋅E2⋅(S⋅d)=1/2⋅ε⋅ε0⋅E2⋅VW = 1/2 \cdot ( \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot S / d) \cdot (E \cdot d)^2 = 1/2 \cdot \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot E^2 \cdot (S \cdot d) = 1/2 \cdot \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot E^2 \cdot V,

где V = S · d — объем пространства между пластинами.

Объемная плотность энергии электрического поля (w) — физическая величина, численно равная энергии поля в единице объема:

w=W/V=(ε⋅ε0⋅E2)/2w = W / V = ( \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot E^2) / 2.

В СИ объемная плотность энергии измеряется в Джоулях на кубический метр (Дж/м³).

МАТЕРИАЛЬНОСТЬ ПОЛЯ

Локализация энергии

Наличие энергии доказывает материальность электромагнитного поля как особой формы материи.
ПЛОТНОСТЬ w ~ E²

Квадратичная зависимость

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату вектора напряженности E².
Энергия поля конденсатораВыбор формулы
W=(C⋅U2)/2=q2/(2⋅C)=(q⋅U)/2;w=W/V=(ε⋅ε0⋅E2)/2W = (C \cdot U^2) / 2 = q^2 / (2 \cdot C) = (q \cdot U) / 2;\quad w = W / V = ( \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot E^2) / 2
где W — энергия (Дж), C — емкость (Ф), U — напряжение (В), q — заряд (Кл), w — объемная плотность энергии (Дж/м³), E — напряженность поля (В/м).
Выбор формулы
Если U = const (подключен к сети), используют W = CU²/2. Если q = const (отключен), используют W = q²/(2C).

Благодаря уникальной способности мгновенно накапливать и чрезвычайно быстро отдавать электрическую энергию, конденсаторы незаменимы в современной микроэлектронике и электротехнике.

Основные направления технического использования:

1. Импульсные источники питания и вспышки: конденсатор медленно заряжается от маломощного источника до высокого напряжения, а затем за миллионные доли секунды разряжается через импульсную лампу фотовспышки или накачку твердотельного лазера, развивая мегаваттную пиковую мощность;

2. Колебательные контуры: соединение конденсатора с катушкой индуктивности образует LC-контур — основу всех радиоприемников, передатчиков, мобильных телефонов и Wi-Fi роутеров для настройки на резонансную частоту радиоволн;

3. Сглаживающие фильтры выпрямителей: конденсаторы большой емкости сглаживают пульсации выпрямленного переменного тока в блоках питания компьютеров и телевизоров;

4. Ионисторы (суперконденсаторы): электрохимические конденсаторы с гигантской емкостью (сотни и тысячи Фарад!), применяемые для рекуперации энергии торможения в электробусах и гибридных автомобилях, а также для бесперебойного резервного питания памяти.

ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД

Пиковая мощность

Быстрый сброс энергии за микросекунды позволяет получать импульсы тока в тысячи ампер.
ИОНИСТОРЫ

Тысячи Фарад

Промежуточное звено между конденсатором и аккумулятором: заряжаются за секунды и выдерживают миллионы циклов.
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Количество вещества:
ν=N/NA=m/M \nu = N / N_A = m / M[моль]
Основное уравнение МКТ газов:
p=1/3⋅n⋅m0⋅vкв2=2/3⋅n⋅Ekp = 1/3 \cdot n \cdot m_0 \cdot v_{\text{кв}}^2 = 2/3 \cdot n \cdot E_k[Па]
Связь температуры и кинетической энергии:
Ek=3/2⋅k⋅TE_k = 3/2 \cdot k \cdot T[Дж]
Давление идеального газа:
p=n⋅k⋅Tp = n \cdot k \cdot T[Па]
Следующая тема

Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

Перейти к теме →