Dom · Mjerenja · Električni kapacitet kondenzatorske formule. Koliki je električni kapacitet kondenzatora

Električni kapacitet kondenzatorske formule. Koliki je električni kapacitet kondenzatora

Razmotrimo dva naelektrisana provodnika. Pretpostavimo da sve linije sila koje počinju od jedne završavaju na drugoj. Da bi to učinili, naravno, moraju imati naboje jednakog i suprotnog predznaka. Takav sistem od dva provodna tijela naziva se kondenzator.

Primjeri kondenzatora. Primjeri kondenzatora uključuju dvije koncentrične provodne sfere (sferni ili sferični kondenzator), dvije paralelne ravne provodne ploče, pod uslovom da je razmak između njih mali u odnosu na dimenzije ploča ( ravni kondenzator), dva koaksijalna provodna cilindra, pod uslovom da je njihova dužina velika u odnosu na razmak između cilindara (cilindrični kondenzator).

Dva provodnika koji formiraju kondenzator nazivaju se njegove ploče.

Rice. 41. Električno polje u sfernim, ravnim i cilindričnim kondenzatorima

U svim takvim sistemima, kada se pločama daju naelektrisanja jednake veličine i suprotnog predznaka električno polje gotovo u potpunosti sadržan u prostoru između ploča (sl. 41). Izgled nekih kondenzatora koji se koriste u tehnologiji prikazan je na Sl. 42.

Glavna karakteristika kondenzatora je električni kapacitet ili jednostavno kapacitivnost C, definisana kao omjer naboja jednog od

ploče na potencijalnu razliku, tj. na napon između njih:

Raspodjela naelektrisanja na pločama će biti ista bez obzira da li je naelektrisanje veliko ili malo. To znači da je jačina polja, a samim tim i razlika potencijala između ploča, proporcionalna naboju prenesenom na kondenzator. Dakle, kapacitet kondenzatora ne zavisi od njegovog naelektrisanja.


Rice. 42. Uređaj, izgled I simboli on električni dijagrami neki kondenzatori

U vakuumu, kapacitivnost je određena isključivo geometrijskim karakteristikama kondenzatora, odnosno oblikom, veličinom i relativnu poziciju obloge

Jedinice kapaciteta. U SI, jedinica električnog kapaciteta je farad Kondenzator ima kapacitet od 1 F, između čijih ploča se uspostavlja napon od 1 V kada se primijeni naboj od 1 C:

U apsolutnom elektrostatičkom sistemu jedinica SGSE, električni kapacitet ima dimenziju dužine i meri se u centimetrima:

U praksi obično imamo posla sa kondenzatorima čiji je kapacitet znatno manji od 1 F. Stoga se koriste frakcije ove jedinice - mikrofaradi (μF) i pikofaradi. Odnos između farada i centimetra je lako ustanoviti, s obzirom na to

Električni kapacitet i geometrija kondenzatora. Ovisnost kapacitivnosti kondenzatora o njegovoj geometrijske karakteristike lako ilustrirati jednostavnim eksperimentima. Za to ćemo koristiti elektrometar spojen na dvije ravne ploče, razmak između kojih se može mijenjati (Sl. 43). Da bi naboji ploča bili jednaki i da je cijelo polje koncentrisano samo između njih, drugu ploču i tijelo elektrometra treba uzemljiti. Otklon igle elektrometra je proporcionalan naponu između ploča. Ako pomičete ili razdvojite ploče kondenzatora, tada će se, uz konstantno punjenje, napon smanjiti ili povećati u skladu s tim: što je manji razmak između ploča, to je veći kapacitet. Slično tome, možete biti sigurni da što je veća površina njegovih ploča, to je veći kapacitet kondenzatora. Da biste to učinili, možete jednostavno pomicati ploče s konstantnim razmakom između njih.

Rice. 43. Kapacitet kondenzatora zavisi od udaljenosti između ploča

Kapacitet paralelnog pločastog kondenzatora. Dobijmo formulu za kapacitivnost ravnog kondenzatora. Polje između njegovih ploča je jednolično osim male površine blizu rubova ploča. Stoga je napon između ploča jednak proizvodu jačine polja E na udaljenosti između njih: Da biste pronašli jačinu polja E, možete koristiti formulu (1) § 6, koja povezuje E blizu površine provodnika sa površinska gustina naelektrisanja c: Izrazimo a u terminima naelektrisanja kondenzatora i površine ploče, s obzirom na to da je raspodela naelektrisanja uniformna, što je u skladu sa pretpostavkom o ujednačenosti polja koja se koristi: Zamena datih relacija u opću definiciju kapacitivnosti (1), nalazimo

U SI, gdje kapacitivnost kondenzatora s paralelnom pločom ima oblik

U SGSE sistemu jedinica k = 1 i

Kapacitet sfernog kondenzatora. Na potpuno sličan način možemo izvesti formulu za kapacitet sfernog kondenzatora, s obzirom na električno polje u procjepu između dvije nabijene koncentrične sfere polumjera.Jačina polja je ista kao u slučaju usamljene nabijene lopte Dakle, napon između ploča poluprečnika je tačan

Dobijamo izraz za kapacitet zamjenom u formulu (1):

Kapacitet usamljenog provodnika. Ponekad se koncept kapacitivnosti usamljenog vodiča uvodi razmatranjem graničnog slučaja kondenzatora, čija je jedna ploča uklonjena do beskonačnosti. Konkretno, kapacitivnost usamljene provodne kugle se dobija iz (5) kao rezultat prelaska na granicu, koja odgovara neograničenom povećanju poluprečnika spoljne ploče sa konstantnim poluprečnikom unutrašnje

U SGSE sistemu jedinica, gde je kapacitet usamljene sfere jednak njenom poluprečniku. Ako vodič ima nesferični oblik, njegov kapacitet je reda veličine jednak karakterističnoj linearnoj veličini, iako, naravno, ovisi i o njegovom obliku. Za razliku od usamljenog vodiča, kapacitet kondenzatora je mnogo veći od njegovih linearnih dimenzija. Na primjer, ravni kondenzator ima karakterističnu linearnu dimenziju jednaku i Kao što se može vidjeti iz formule (4), dok

Kondenzator sa dielektrikom. U gore navedenim primjerima kondenzatora, prostor između ploča smatran je praznim. Ipak, dobijeni izrazi za kapacitet vrijede i kada je ovaj prostor ispunjen zrakom, kao što je bio slučaj u opisanom jednostavni eksperimenti. Ako je prostor između ploča ispunjen nekom vrstom dielektrika, kapacitivnost kondenzatora se povećava. To se može lako eksperimentalno provjeriti uvlačenjem dielektrične ploče u razmak između ploča napunjenog kondenzatora spojenog na elektrometar (slika 43). Sa konstantnim punjenjem kondenzatora, napon između ploča se smanjuje, što ukazuje na povećanje kapacitivnosti.

Smanjenje razlike potencijala između ploča kada se tamo unese dielektrična ploča ukazuje na to da je napon električno polje postaje manji u procjepu. Ovo smanjenje zavisi od vrste dielektrika koji se koristi u eksperimentu.

Dielektrična konstanta. Da bismo okarakterizirali električna svojstva dielektrika, uvodimo fizička količina, nazvana dielektrična konstanta. Dielektrična konstanta je bezdimenzionalna veličina koja pokazuje koliko je puta jačina električnog polja u kondenzatoru ispunjenom dielektrikom (ili napon između njegovih ploča) manja nego u odsustvu dielektrika s istim nabojem kondenzatora. Drugim riječima, dielektrična konstanta pokazuje koliko se puta povećava kapacitivnost kondenzatora kada se napuni dielektrikom. Na primjer, kapacitivnost ravnog kondenzatora ispunjenog dielektrikom s propusnošću jednaka je

Definicija dielektrične konstante koja je ovdje data odgovara fenomenološkom pristupu, koji razmatra samo makroskopska svojstva tvari u električnom polju. Mikroskopski pristup, zasnovan na razmatranju polarizacije atoma ili molekula koji čine supstancu, uključuje proučavanje bilo kojeg specifičnog modela i omogućava ne samo detaljno opisivanje električnih i magnetna polja unutar materije, ali i razumjeti kako se makroskopski električni i magnetski fenomeni javljaju u materiji. U ovoj fazi ograničavamo se samo na fenomenološki pristup.

Rice. 44. Paralelno povezivanje kondenzatora

Za čvrste dielektrike vrijednost se kreće od 4 do 7, a za tekuće dielektrike - od 2 do 81. Ovako anomalno velika dielektrična konstanta karakteristična je za obične čista voda. Osim vazdušni kondenzator promenljivi kapacitet (vidi sliku 42), koji se koristi za podešavanje radio prijemnika, svi ostali kondenzatori koji se koriste u tehnici su ispunjeni dielektrikom.

Kondenzatorske banke. Kada se koriste kondenzatori, ponekad se spajaju u baterije. At paralelna veza(Sl. 44) naponi na kondenzatorima su isti, a ukupno napunjenost baterije jednaka je zbiru naelektrisanja kondenzatora za svaki od kojih je očigledno tačno. S obzirom na bateriju kao jednu

kondenzator, imamo

Na drugoj strani,

Upoređujući (8) i (9), nalazimo da je kapacitet baterije paralelno povezanih kondenzatora jednak zbiru njihovih kapaciteta:

Rice. 45. Serijsko povezivanje kondenzatora

At serijska veza prethodno napunjenih kondenzatora (slika 45), naelektrisanja na svim kondenzatorima su ista, a ukupni napon jednak je zbiru napona na pojedinim kondenzatorima:

S druge strane, posmatrajući bateriju kao jedan kondenzator, imamo

Upoređujući (11) i (12), vidimo da kada su kondenzatori povezani u seriju, zbrajaju se recipročne vrijednosti kapacitivnosti:

Kada su spojeni u seriju, kapacitet baterije je manji od najmanjeg kapaciteta spojenih kondenzatora.

U kom slučaju dva provodna tijela formiraju kondenzator?

Koliki je naboj na kondenzatoru?

Kako uspostaviti vezu između SI i SGSE jedinica kapaciteta?

Objasnite kvalitativno zašto se kapacitivnost kondenzatora povećava kako se jaz između ploča smanjuje.

Dobijte formulu za kapacitivnost ravnog kondenzatora, smatrajući električno polje u njemu kao superpoziciju polja stvorenih od dvije ravni nabijene različito.

Dobijte formulu za kapacitet ravnog kondenzatora, smatrajući ga graničnim slučajem sfernog kondenzatora, u kojem teži beskonačnosti tako da razlika ostaje konstantna.

Zašto ne možemo govoriti o kapacitetu usamljene beskonačne ravne ploče ili zasebnog beskonačno dugog cilindra?

Ukratko opišite razliku između fenomenološkog i mikroskopskog pristupa prilikom proučavanja svojstava materije u električnom polju.

Šta znači dielektrična konstanta supstance?

Zašto je pri izračunavanju kapaciteta baterije serijski spojenih kondenzatora bilo predviđeno da se ne smiju prethodno puniti?

Koja je svrha serijskog povezivanja kondenzatora ako to samo dovodi do smanjenja kapaciteta?

Polje unutar i izvan kondenzatora. Da biste naglasili razliku između onoga što se naziva naboj kondenzatora i ukupnog naboja ploča, razmotrite sljedeći primjer. Neka se vanjska ploča sfernog kondenzatora uzemlji, a unutrašnjoj ploči prenese naboj d. Sav ovaj naboj će biti ravnomjerno raspoređen po vanjska površina unutrašnja obloga. Tada se na unutrašnjoj površini vanjske sfere indukuje naboj, pa je naboj kondenzatora jednak . Šta će se dogoditi na vanjskoj površini vanjske sfere? Zavisi šta okružuje kondenzator. Neka se, na primjer, na udaljenosti od površine vanjske sfere nalazi tačkasti naboj (slika 46). Ovo punjenje ni na koji način neće uticati na električno stanje unutrašnjeg prostora kondenzatora, odnosno na polje između njegovih ploča. Zapravo, unutrašnji i vanjski prostori su razdvojeni debljinom metala vanjske obloge, u kojoj je električno polje nula.

Rice. 46. ​​Sferni kondenzator u vanjskom električnom polju

Punjenje na vanjskoj površini ploče. Ali priroda polja u svemiru i naelektrisanje inducirano na vanjskoj površini vanjske sfere zavise od veličine i položaja naboja.Ovo polje će biti potpuno isto kao u slučaju kada se naboj nalazi na udaljenosti sa površine čvrste uzemljene metalne kugle, čiji je poluprečnik jednak poluprečniku spoljašnje sfere kondenzatora (Sl. 47). Inducirani naboj će biti isti.

Da bismo pronašli veličinu indukovanog naboja, rezonovaćemo na sledeći način. Električno polje u bilo kojoj tački prostora stvara naboj i induciran naboj

na površini lopte, koja je tamo raspoređena, naravno, neravnomjerno - samo tako da rezultirajuća jačina polja unutar lopte postane nula. Prema principu superpozicije, potencijal u bilo kojoj tački se može tražiti u obliku zbira potencijala polja stvorenih tačkastim nabojem i tačkastim naelektrisanjem na koje se može podijeliti inducirani naboj raspoređen po površini lopte. Budući da su svi elementarni naboji na koje je podijeljen naboj induciran na površini lopte na istoj udaljenosti od centra lopte, potencijal polja stvorenog od njega u središtu lopte bit će jednak

Rice. 47. Polje tačkastog naboja u blizini uzemljene provodne lopte

Tada je ukupan potencijal u centru prizemljene lopte jednak

Znak minus odražava činjenicu da je inducirani naboj uvijek suprotan znak.

Dakle, vidimo da je naboj na vanjskoj površini vanjske sfere kondenzatora određen okolinom u kojoj se kondenzator nalazi, i da nema nikakve veze sa nabojem kondenzatora d. Ukupan naboj vanjske ploče kondenzatora, naravno, jednak je zbiru naboja njegove vanjske i unutrašnje površine, međutim naboj kondenzatora je određen samo nabojem unutrašnje površine ove ploče, koja je povezana linijama polja sa naboj unutrašnje ploče.

U analiziranom primjeru, neovisnost električnog polja u prostoru između ploča kondenzatora, a time i njegovog kapaciteta od vanjskih tijela (nabijenih i nenabijenih) je posljedica elektrostatičke zaštite, odnosno debljine metala kondenzatora. vanjska ploča. Do čega može dovesti nedostatak takve zaštite može se vidjeti na sljedećem primjeru.

Flat kondenzator sa ekranom. Zamislite ravni kondenzator u obliku dva paralelna metalne ploče, čije je električno polje gotovo u potpunosti koncentrisano u prostoru između ploča. Stavimo kondenzator u nenapunjenu ravnu metalnu kutiju, kao što je prikazano na sl. 48. Na prvi pogled može izgledati da se obrazac polja između ploča kondenzatora neće promijeniti, jer je cijelo polje koncentrisano između ploča, a zanemarujemo ivični efekat. Međutim, lako je vidjeti da to nije slučaj. Izvan kondenzatora jačina polja je nula, tako da je u svim tačkama lijevo od kondenzatora potencijal isti i poklapa se s potencijalom lijeve ploče. Na isti način, potencijal bilo koje tačke desno od kondenzatora poklapa se sa potencijalom desne ploče (slika 49). Stoga, zatvaranjem kondenzatora u metalnu kutiju, spajamo točke s različitim potencijalima vodičem.

Kao rezultat toga, u metalnoj kutiji će se dogoditi preraspodjela naboja sve dok se potencijali svih njenih tačaka ne izjednače. Naboji se indukuju na unutrašnjoj površini kutije, a unutar kutije, odnosno izvan kondenzatora pojaviće se električno polje (Sl. 50).

Rice. 48. Kondenzator u metalnoj kutiji

Rice. 49. Električno polje nabijenog paralelnog kondenzatora

Rice. 50. Električno polje nabijenog kondenzatora smještenog u metalnu kutiju

Ali to znači da će se naboji pojaviti i na vanjskim površinama ploča kondenzatora. Budući da se u ovom slučaju ukupni naboj izolirane ploče ne mijenja, naboj na njenoj vanjskoj površini može nastati samo zbog protoka naboja s unutrašnje površine. Ali kada se naplata promijeni na unutrašnje površine ploče, jačina polja između ploča kondenzatora će se promijeniti.

Dakle, zatvaranje predmetnog kondenzatora u metalnu kutiju dovodi do promjene električnog stanja unutrašnjeg prostora.

Promjena naboja ploča i električnog polja u ovom primjeru može se lako izračunati. Označimo naelektrisanje izolovanog kondenzatora sa Naelektrisanje koje teče na spoljne površine ploča prilikom stavljanja kutije biće označeno sa Isto naelektrisanje suprotnog predznaka biće indukovano na unutrašnjim površinama kutije. Na unutrašnjim površinama kondenzatorskih ploča će ostati naelektrisanje, a zatim napetost u prostoru između ploča uniformno poljeće biti jednak u SI jedinicama, a izvan kondenzatora polje je usmjereno u suprotnom smjeru i njegov intenzitet je jednak gdje je površina ploče. Zahtijevajući da razlika potencijala između suprotnih zidova metalne kutije bude jednaka nuli, a uzimajući u obzir radi jednostavnosti da su udaljenosti između svih ploča iste i jednake, tada

Ovaj rezultat je lako razumjeti ako uzmemo u obzir da nakon stavljanja kutije, polje postoji u sva tri prostora između ploča, odnosno, u stvari, postoje tri identična kondenzatora, čiji je ekvivalentni krug prikazan na Sl. 51. Izračunavanjem kapacitivnosti rezultujućeg sistema kondenzatora dobijamo.

Stavite kondenzator metalna kutija obezbeđuje elektrostatičku zaštitu sistema. Sada možemo unijeti bilo koja nabijena ili nenabijena tijela izvana u kutiju i električno polje unutar kutije se neće promijeniti. To znači da se kapacitet sistema neće promijeniti.

Obratimo pažnju na činjenicu da smo u analiziranom primjeru, saznavši sve što nas je zanimalo, ipak izbjegli pitanje koje su snage izvršile preraspodjelu naboja. Koje je električno polje izazvalo kretanje elektrona u materijalu provodne kutije?

Očigledno, ovo može biti samo nehomogeno polje koje se proteže izvan kondenzatora blizu ivica ploče (vidi sliku 39). Iako je jačina ovog polja mala i ne uzima se u obzir pri izračunavanju promjene kapacitivnosti, upravo to određuje suštinu fenomena koji se razmatra - pomiče naboje i time uzrokuje promjenu jačine električnog polja unutar kutija.

Zašto naelektrisanje kondenzatora ne treba shvatiti kao ukupni naboj ploče, već samo onaj njen dio koji se na njoj nalazi? unutra. suočen sa drugom postavom?

Koja je uloga rubnih efekata kada se razmatraju elektrostatičke pojave u kondenzatoru?

Kako će se promijeniti kapacitet banke kondenzatora ako su ploče jednog od njih kratko spojene?

Formula za električni kapacitet je sljedeća.

Ova vrijednost se mjeri u faradima. Kapacitivnost elementa je u pravilu vrlo mala i mjeri se u pikofaradima.

Problemi se često pitaju kako će se kapacitivnost kondenzatora promijeniti ako se poveća naboj ili napon. Ovo je trik pitanje. Hajde da napravimo još jednu analogiju.

Zamislite da govorimo o običnoj tegli, a ne o kondenzatoru. Na primjer, imate trolitarski. Slično pitanje: šta se dešava sa kapacitetom tegle ako u nju ulijete 4 litre vode? Naravno, voda će se jednostavno izliti, ali veličina tegle se ni na koji način neće promijeniti.

Isto je i sa kondenzatorima. Punjenje i napon ni na koji način ne utiču na kapacitet. Ovaj parametar ovisi samo o stvarnim fizičkim dimenzijama.

Formula će biti sljedeća

Samo ovi parametri utječu na stvarni električni kapacitet kondenzatora.

Svaki kondenzator je označen tehničkim parametrima.

Nije teško to shvatiti. Dovoljno je minimalno poznavanje električne energije.

Povezivanje kondenzatora

Kondenzatori, kao i otpori, mogu biti povezani serijski ili paralelno. Osim toga, postoje i mješovite veze u krugovima.


Kao što vidite, električni kapacitet kondenzatora u oba slučaja se izračunava različito. Ovo se također odnosi na napon i punjenje. Formule pokazuju da će električni kapacitet kondenzatora, odnosno njihova ukupnost u kolu, biti najveći u paralelnom spoju. Kada se radi sekvencijalno, ukupna kapacitivnost se značajno smanjuje.

Kada se spoji u seriju, punjenje se ravnomjerno raspoređuje. Svugdje će biti isto - i ukupno i na svakom kondenzatoru. A kada je veza paralelna, ukupni naboj se zbraja. Ovo je važno zapamtiti prilikom rješavanja problema.

Napon se računa obrnuto. Kod serijske veze sabiramo, a kod paralelne veze svuda je jednako.

Ovdje morate odabrati: ako vam je potreban veći napon, onda žrtvujte kapacitet. Ako postoji kapacitivnost, onda neće biti velikog napona.

Vrste kondenzatora

Postoji ogroman broj kondenzatora. Razlikuju se i po veličini i po obliku.



Naravno, kapacitet se za svakoga izračunava drugačije.

Električni kapacitet ravnog kondenzatora

Najlakše je odrediti električni kapacitet ravnog kondenzatora. Uglavnom, svi pamte ovu formulu, za razliku od drugih.


Sve zavisi od toga fizički parametri i okruženje između ploča.



Ovdje također veliki značaj ima kakav dielektrik ili materijal je stavljen unutra. Budući da je dio veličine kugle, njegov kapacitet ovisi o radijusu.


U slučaju cilindričnog oblika, pored unutrašnjeg okruženja, važni su poluprečnik i dužina cilindra.

Razmislite o tome kako će se električni kapacitet ravnog kondenzatora promijeniti ako se ošteti? Postoje različiti kvarovi koji mogu utjecati na performanse kondenzatora.

Na primjer, isušuju se ili nabubre. Nakon toga postaju neprikladni za normalan rad uređaja gde su instalirani.

Pogledajmo primjere oštećenja i kvara kondenzatora. Sve one mogu odjednom nabubriti.


Ponekad samo nekoliko ne uspije. To se događa kada su kondenzatori različitih parametara ili kvaliteta.


Jasan primjer oštećenja (oticanje, ruptura i oslobađanje sadržaja).


Ako vidite ovakve trake, ovo je velika šteta. Nije moglo biti gore.


Ako primijetite tako natečene kondenzatore na uređaju (na primjer, na video kartici u računalu), to je razlog da razmislite o zamjeni dijela.

Takvi se problemi mogu otkloniti samo zamjenom sličnim dijelom. Svi vaši parametri moraju odgovarati jedan prema jedan. U suprotnom, rad može biti netačan ili vrlo kratkog vijeka.

Kondenzatori se moraju pažljivo zamijeniti bez oštećenja ploče. Morate brzo odlemiti, izbjegavajući pregrijavanje. Ako ne znate kako to učiniti, bolje je uzeti dio na popravku.

Glavni uzrok uništenja je pregrijavanje, koje se javlja u slučaju starenja ili visokog otpora u krugu.

Preporučuje se da ne odgađate popravke. Budući da oštećeni kondenzatori mijenjaju kapacitet, uređaj na kojem se nalaze radit će nenormalno. I s vremenom to može uzrokovati neuspjeh.

Ako su kondenzatori na vašoj video kartici natečeni, onda njihova pravovremena zamjena može ispraviti situaciju. U suprotnom, čip ili nešto drugo može izgorjeti. U tom slučaju popravke će biti vrlo skupe ili čak nemoguće.

Mere predostrožnosti

Gore je bio primjer sa limenkom vode. Pisalo je da ako sipate više vode, voda će se izliti. Sada razmislite o tome gdje elektroni u kondenzatoru mogu "teći"? Uostalom, potpuno je zapečaćena!

Ako se hraniš u lancima aktuelniji, nego onaj za koji je kondenzator dizajniran, onda čim se napuni, njegov višak će pokušati negdje pobjeći. Ali nema slobodnog prostora. Rezultat će biti eksplozija. Ako je punjenje malo prenapunjeno, pojavit će se mali udarac. Ali ako primijenite kolosalnu količinu elektrona na kondenzator, on će se jednostavno slomiti i dielektrik će iscuriti.

Budi pazljiv!

Napunjeni kondenzator ima energiju. Najlakši način da dobijete izraz za ovu energiju je da uzmete u obzir ravni kondenzator.

Energija paralelnog pločastog kondenzatora. Pretpostavimo da se ploče kondenzatora, koje nose naelektrisanje jednakog i suprotnog predznaka, prvo nalaze na udaljenosti, a zatim mentalno damo jednoj od ploča mogućnost da se kreće u pravcu druge ploče dok se potpuno ne poravnaju, kada se naboji ploča kompenzuju i kondenzator zapravo nestane. Istovremeno, energija kondenzatora također nestaje, pa je rad električne sile koja djeluje na ploču, izvršen kada se ona kreće, točno jednak početnoj rezervi energije kondenzatora. Izračunajmo ovaj rad.

Sila koja djeluje na ploču jednaka je proizvodu njenog naboja i intenziteta jednoličnog električnog polja koje stvara druga ploča. Ovaj intenzitet, kao što smo videli u § 7, jednak je polovini ukupnog intenziteta E električnog polja unutar kondenzatora, stvorenog naelektrisanjem obe ploče. Stoga je potreban rad gdje je napon između

ploče. Dakle, izraz za energiju kondenzatora u smislu njegovog naboja i napona ima oblik

Budući da su naboj kondenzatora i napon povezani relacijom, formula (1) se može prepisati u ekvivalentnom obliku tako da se energija izražava ili samo kroz naboj ili samo kroz napon

Energija kondenzatora. Ova formula vrijedi za kondenzator bilo kojeg oblika. To se može provjeriti razmatranjem posla koji treba obaviti da bi se kondenzator napunio, prenoseći naelektrisanje u malim dijelovima s jedne ploče na drugu. Prilikom izračunavanja ovog rada treba uzeti u obzir da se prvi dio naboja prenosi kroz nultu potencijalnu razliku, posljednji - kroz ukupnu potencijalnu razliku, a u svakom trenutku potencijalna razlika je proporcionalna već prenesenom naboju.

Formule (1) ili (2) za energiju nabijenog kondenzatora mogu se, naravno, dobiti kao poseban slučaj opšta formula(12) § 4, koji važi za energiju sistema svih naelektrisanih tela:

Energija nabijenog kondenzatora može se tumačiti ne samo kao potencijalna energija interakcije naelektrisanja, ali i kao energija električnog polja stvorenog ovim naelektrisanjem, sadržanog u prostoru između ploča kondenzatora. Radi jednostavnosti, okrenimo se ponovo ravnom kondenzatoru, gdje je električno polje uniformno. Zamjena u izraz za energiju koju dobijamo

gdje je volumen između ploča kondenzatora ispunjenih električnim poljem.

Gustina energije električnog polja. Energija napunjenog kondenzatora ispada proporcionalna zapremini koju zauzima električno polje. Očigledno je da faktor ispred V u formuli (4) ima značenje energije sadržane u jedinici zapremine, tj. nasipna gustina energija električnog polja:

U SI ova formula ima oblik

U sistemu jedinica SGSE

Izrazi za volumetrijsku gustoću energije vrijede za bilo koju konfiguraciju električnog polja.

Energija nabijene lopte. Razmotrimo, na primjer, energiju usamljene lopte poluprečnika po površini čije je naboj ravnomjerno raspoređen. Takav sistem se može smatrati graničnim slučajem sfernog kondenzatora, čiji radijus vanjske ploče teži beskonačnosti, a kapacitivnost ima vrijednost jednaku poluprečniku kuglice (u SGSE sistemu jedinica). Primjenom formule za energiju koju dobijamo

Ako ovu energiju smatramo energijom polja koje stvara lopta, onda možemo pretpostaviti da je sva ona lokalizirana u prostoru koji okružuje loptu, a ne unutar nje, budući da je jačina polja E nula. Najviša vrijednost gustina volumena je blizu površine lopte i vrlo brzo opada sa udaljenosti od nje - kao .

Vlastita energija tačkastog naboja. Dakle, elektrostatička energija se može posmatrati ili kao energija interakcije naelektrisanja, ili kao energija polja stvorenog ovim naelektrisanjem.

Međutim, s obzirom na energiju dva suprotna bodovne naknade, dolazimo do kontradikcije. Prema formuli (12) § 4, ova energija je negativna: i ako se smatra energijom polja ovih naboja, tada se ispostavlja da je energija pozitivna, jer gustina energije polja, proporcionalna, ne uzima negativnu vrijednost vrijednosti bilo gdje. Šta je ovde? Ovo se objašnjava činjenicom da se u formuli (12) za energiju tačkastih naboja uzima u obzir samo njihova interakcija, ali se interakcija ne uzima u obzir pojedinačni elementi svaki takav naboj između sebe. Zaista, ako imamo posla samo sa jednim tačkastim nabojem, tada je energija izračunata formulom (12) nula, dok energija električnog polja ovog naboja ima pozitivnu (beskonačnu za pravi tačkasti naboj) vrijednost jednaku takozvani unutrašnji energetski naboj

Da bismo to potvrdili, okrenimo se formuli (8) za energiju nabijene kuglice. Ako ga usmjerimo prema nuli, tada ćemo doći do punjenja. Kako gustina energije opada, ona raste tako brzo da, kao što se vidi iz (8), ukupna energija polja ispada beskonačno velika. U klasičnoj elektrodinamici, vlastita energija tačkastog naboja je beskonačna.

Vlastita energija proizvoljnog naboja može se smatrati energijom interakcije njegovih dijelova. Ova energija ovisi, naravno, o veličini i obliku naboja. Dio bi se oslobodio prilikom “eksplozije” i raspršivanja “fragmenata” naboja pod uticajem Kulonove sile odbojnosti, koja bi se pretvorila u kinetičku energiju “fragmenata”, njen drugi dio bi ostao u obliku vlastite energije tih “fragmenata”.

Razmotrimo sada ukupnu, odnosno sopstvenu i međusobnu energiju dva naelektrisanja. Neka svako od ovih naelektrisanja posebno stvara polje, tako da se rezultujuće polje Gustoća energije zapreminskog polja raspada na tri člana u skladu sa izrazom

Prva dva člana na desnoj strani odgovaraju nasipnoj gustini sopstvene energije naelektrisanja, a treći član odgovara energiji interakcije naelektrisanja međusobno. Upravo je ovaj dio ukupne energije sistema dat formulom (12) § 4. Iz očigledne nejednakosti slijedi da je, dakle, pozitivna vlastita energija naboja uvijek veća ili kao poslednje sredstvo jednaka njihovoj međusobnoj energiji. Uprkos činjenici da zajednička energija može uzeti i pozitivnu i negativne vrijednosti, ukupna energija proporcionalna je uvijek pozitivna.

Za sva moguća kretanja naelektrisanja koja ne mijenjaju svoj oblik i veličinu, vlastita energija naboja ostaje konstantna. Stoga je pri takvim kretanjima promjena ukupne energije sistema naelektrisanja jednaka promjeni njihove međusobne energije. Pošto u svemu fizičke pojave Bitna je promjena energije sistema, tada se konstantni dio - vlastita energija naboja - može odbaciti. U tom smislu treba razumjeti tvrdnju o ekvivalenciji energije interakcije između naboja i energije polja koje stvaraju. Dakle, možemo uporediti i sistem naplate puna energija- energija polja, ili energija interakcije, i dobićemo, uopšteno govoreći, različita značenja. Ali, s obzirom na prelazak sistema iz jednog stanja u drugo, uvijek ćemo dobiti istu vrijednost za promjenu energije.

Primetimo da kada koristimo formulu (12) § 4 za sistem tačkastih naelektrisanja i provodnika, dobijamo, kao što se može videti

iz samog izvođenja formule, vlastite energije provodnika i međusobne potencijalne energije svih naelektrisanja uključenih u sistem, odnosno ukupne energije polja umanjene za konstantnu vlastitu energiju tačkastih naelektrisanja.

Vlastita energija provodnika. Vlastita energija provodnika, za razliku od vlastite energije tačkastih naelektrisanja, nije konstantna. Može se promijeniti kada se konfiguracija sistema promijeni zbog kretanja naelektrisanja u provodnicima. Zbog toga se ova energija ne može odbaciti prilikom izračunavanja promjene energije sistema.

U slučaju kada se sistem sastoji samo od provodnika i nema tačkastih naelektrisanja, formula (12) §4 daje ukupnu energiju sistema, odnosno zbir unutrašnjih energija svih provodnika i energije njihove interakcije. Dobijamo istu vrijednost bez obzira da li razmatramo energiju polja ili energiju sistema naelektrisanja. Primjer takvog sistema je kondenzator, gdje, kao što smo vidjeli, oba pristupa daju isti rezultat

Očigledno, u prisustvu tačkastih naboja i vodiča, nema smisla odvojeno razmatrati vlastitu energiju vodiča i međusobnu potencijalnu energiju svih naboja, jer rad vanjskih sila određuje promjenu sume ovih energija. Samo konstantna sopstvena energija tačkastih naelektrisanja može se isključiti iz razmatranja.

Transformacije energije u kondenzatorima. Da bismo analizirali transformacije energije koje se mogu dogoditi u električnom polju, razmotrimo ravan kondenzator sa zračnim rasporom spojenim na izvor konstantnog napona. U dva slučaja ćemo pomicati ploče kondenzatora s udaljenosti na udaljenost: nakon što smo prethodno isključili kondenzator iz izvora napajanja i bez odvajanja kondenzatora od izvora.

U prvom slučaju, naboj na pločama kondenzatora ostaje nepromijenjen cijelo vrijeme: iako se kapacitivnost C i napon mijenjaju kako se ploče kreću. Znajući napon na kondenzatoru u početnom trenutku, nalazimo vrijednost ovog naboja (u SI jedinicama):

Budući da se suprotno nabijene ploče kondenzatora privlače jedna drugu, mora se izvršiti pozitivan mehanički rad da bi se one razdvojile. Ako pri razmicanju razmak između ploča uvijek ostane mnogo manji od njihovih linearnih dimenzija, tada sila privlačenja ploča ne ovisi o udaljenosti između njih.

Da bi se ploča ravnomjerno pomicala, vanjska sila mora uravnotežiti silu privlačenja, pa je stoga mehanički rad obavljen pri pomicanju ploče za udaljenost jednaka

budući da je gdje je konstantna jačina polja koju stvaraju naboji obje ploče. Zamjenom naboja iz (10) u (11) nalazimo

Drugi slučaj se razlikuje od onog koji se razmatra po tome što kada se ploče pomiču, ne ostaje nepromijenjen naboj kondenzatora, već napon na njemu: Kako se udaljenost između ploča povećava, jačina polja se smanjuje, a samim tim i naboj na pločama se također smanjuje. Dakle, sila privlačenja ploča ne ostaje konstantna, kao u prvom slučaju, već se smanjuje i, kao što je lako vidjeti, obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti. Rad ove promjenljive sile može se izračunati korištenjem zakona održanja i transformacije energije.

Prvo ga primijenimo na jednostavniji prvi slučaj. Promjena energije kondenzatora nastaje samo zbog mehanički rad koje vrše vanjske sile: Pošto naboj kondenzatora ostaje nepromijenjen, zgodno je koristiti formulu za energiju kondenzatora Dakle,

što, zamjenom izraza za kapacitet i naboj (10), dovodi do konačne formule (12). Napomenimo da se ovaj rezultat može dobiti i razmatranjem energije kondenzatora kao energije električnog polja između njegovih ploča. Pošto jačina polja, a samim tim i gustina energije ostaju nepromenjeni, a zapremina koju zauzima polje raste, povećanje energije jednako je proizvodu gustine energije i povećanja zapremine

i koristeći izraz (13) dobijamo

Imajte na umu da je iz (15) i (14) jasno da

tj. rad izvora jednak je dvostrukoj promjeni energije kondenzatora.

Zanimljivo je primijetiti da su i rad izvora i promjena energije kondenzatora bili negativni. To je sasvim razumljivo: izvedeni mehanički rad je pozitivan i trebao bi dovesti do povećanja energije kondenzatora (kao što se događa u prvom slučaju). Ali energija kondenzatora se smanjuje i, stoga, izvor mora "preuzeti" energiju jednaku smanjenju energije kondenzatora i mehaničkom radu vanjskih sila. Ako su procesi u izvoru reverzibilni (baterija), onda će se napuniti, inače se izvor jednostavno zagrijava.

Da bismo bolje razumjeli suštinu fenomena, razmotrimo suprotan slučaj: ploče kondenzatora spojene na izvor se približavaju s udaljenosti na udaljenost.Pošto se ploče privlače, rad vanjskih sila je negativan, jer za ravnomjerno kretanje ploča , vanjska sila mora biti usmjerena u smjeru suprotnom kretanju. Energija kondenzatora raste kako se ploče približavaju. Dakle, mehanički rad vanjskih sila je negativan, a energija kondenzatora je povećana, dakle, izvor je završen pozitivan rad. Polovina ovog rada jednaka je povećanju energije kondenzatora, druga polovina se prenosi na vanjska tijela u obliku mehaničkog rada kada se ploče približavaju jedna drugoj. Sve gore navedene formule primjenjive su, naravno, za bilo koji smjer kretanja ploča.

U svim našim razmišljanjima zanemarili smo otpor žica koje povezuju kondenzator sa izvorom. Ako uzmemo u obzir toplotu koja se oslobađa u žicama tokom kretanja naelektrisanja, jednačina

energetski bilans poprima oblik

Promjena energije kondenzatora i rad izvora su, naravno, izraženi prethodnim formulama (14) i (15). Toplota se uvijek oslobađa bez obzira da li se ploče pomiču bliže ili dalje, pa se vrijednost može izračunati ako je poznata brzina kretanja ploča. Što je veća brzina kretanja, veća je toplina koja se stvara. Sa beskonačno sporim kretanjem ploča

Promjena energije i rad izvora. Gore smo primijetili da je rad izvora energije kada se ploče razdvoje jednak dvostrukoj promjeni energije kondenzatora. Ova činjenica je univerzalna: ako promijenite energiju kondenzatora spojenog na izvor napajanja na bilo koji način, tada je rad koji izvrši izvor energije jednak dvostrukoj promjeni energije kondenzatora:

Otpuštena toplota. Očigledno, i jednaka je preostaloj polovini rada izvora. Postoje procesi u kojima ili Ali, kao što se može vidjeti iz (16) i (17), promjena energije kondenzatora spojenog na izvor nužno je praćena ili izvođenjem mehaničkog rada ili oslobađanjem topline.

Dobijte formulu za energiju nabijenog kondenzatora uzimajući u obzir rad obavljen pri punjenju prijenosom naboja s jedne ploče na drugu.

Objasnite kvalitativno zašto je zapreminska gustoća energije električnog polja proporcionalna kvadratu njegovog intenziteta.

Kolika je vlastita energija tačkastog naboja? Kako elektrostatika prevazilazi poteškoće povezane s beskonačnom vrijednošću vlastite energije tačkastih naboja?

Objasnite zašto prva dva člana na desnoj strani formule (9) odgovaraju zapreminskoj gustini sopstvenih energija tačkastih naelektrisanja, a treći član odgovara energiji interakcije naelektrisanja međusobno.

Kako su promjene u energiji kondenzatora tokom bilo kojeg procesa povezane s radom izvora napajanja na koji je ovaj kondenzator povezan tokom cijelog procesa?

Pod kojim uvjetima promjena energije kondenzatora spojenog na izvor energije ne proizvodi toplinu?

Kondenzator sa dielektrikom. Razmotrimo sada transformacije energije u kondenzatorima u prisustvu dielektrika između ploča, s obzirom na jednostavnost dielektrična konstanta konstantan. Kapacitet kondenzatora sa dielektrikom je nekoliko puta veći od kapacitivnosti C istog kondenzatora bez dielektrika. Kondenzator čiji je naboj isključen iz izvora napajanja ima energiju


Rice. 52. Uvlačenje dielektrične ploče u ravni kondenzator

Kada se prostor između ploča popuni dielektrikom sa propusnošću, energija kondenzatora će se smanjiti za faktor: Odavde odmah možemo zaključiti da je dielektrik uvučen u električno polje.

Sila uvlačenja, uz konstantno punjenje kondenzatora, opada kako dielektrik ispunjava prostor između ploča. Ako se na pločama kondenzatora održava konstantan napon, tada povlačenje sile u dielektriku ne ovisi o dužini uvučenog dijela.

Da biste pronašli silu koja djeluje na dielektrik iz električnog polja, razmislite o uvlačenju čvrstog dielektrika u horizontalno smješten kondenzator spojen na izvor konstantnog napona (slika 52). Neka se pod djelovanjem sile uvlačenja koja nas zanima i neke vanjske sile, komad dielektrika nalazi u Da bismo pronašli visinu podizanja tekućeg dielektrika, izjednačimo izračunatu silu uvlačenja s težinom tekućine koja se diže i dobiti

Da bi se pronašla toplota koja se oslobađa prilikom podizanja tečnosti, najlakše je poći od zakona održanja energije. Pošto podignuti stub tečnosti miruje, rad izvora jednak je zbiru promena energija kondenzatora i potencijalne energije dielektrika u gravitacionom polju, kao i toplote koja se oslobađa.

Uzimajući to u obzir i koristeći relaciju (21), nalazimo

Dakle, rad napajanja je podijeljen na pola: jedna polovina je otišla na povećanje elektrostatičke energije kondenzatora; druga polovina je bila jednako podijeljena između povećanja potencijalne energije dielektrika u gravitacionom polju i oslobođene topline. Kako je ta toplota oslobođena? Kada se ploče kondenzatora urone u dielektrik, tečnost počinje da se diže, dobijajući kinetičku energiju, i po inerciji prelazi ravnotežni položaj. Javljaju se oscilacije koje postepeno odumiru zbog viskoznosti tečnosti, i kinetička energija pretvara u toplotu. Ako je viskoznost dovoljno visoka, tada možda neće biti oscilacija - sva toplina se oslobađa kada se tekućina podigne u ravnotežni položaj.

Formulirajte zakon održanja energije za proces u kojem se, uz promjenu elektrostatičke energije, mijenjaju i neke druge energije i oslobađa se toplina.

Objasniti fizički mehanizam nastanka sila koje uvlače dielektrik u prostor između ploča nabijenog kondenzatora.

Postavljanjem prekidača u položaj 1 punimo kondenzator (Sl. 71). Sada između njegovih ploča postoji električno polje. Polje je vrsta materije. Ima masu i energiju. To znači da električno polje ima energiju. Postavljanjem prekidača u položaj 2, spojite napunjeni kondenzator na sijalicu. Ona sjajno bljeska. Energija električnog polja kondenzatora pretvara se u unutrašnju energiju niti žarulje i u energiju zračenja.

Kada se kondenzator isprazni, zbog energije E njegovog električnog polja, vrši se rad A da pomjeri elektrone koji formiraju struju. Kada se kondenzator isprazni, napon (razlika potencijala) između njegovih ploča mijenja se od U (koji je bio na kondenzatoru nakon punjenja) na nulu. Zbog toga prosječna vrijednost napon kondenzatora


O kretanju elektrona sa ukupnim nabojem u 1 to električno polje troši energiju Prilikom kretanja elektrona ukupnog naboja od q kulona, ​​ono troši energiju q puta više. Količina obavljenog rada za kretanje jednaka je energiji akumuliranoj u kondenzatoru prilikom njegovog punjenja:

A = E = U avg q,

gdje je q = CU.

Zamjenom q dobijamo formulu za energiju električnog polja kondenzatora:

Uključivanje pola električnog kapaciteta (60 µF) kondenzator, napunite ga, a zatim ga ispraznite do sijalice. Udvostručivši električni kapacitet, punimo kondenzator (na istom naponu) i ponovo ga praznimo do sijalice. Napominjemo da je u drugom slučaju bljesak sijalice bio svjetliji: s povećanjem električnog kapaciteta kondenzatora povećavala se energija njegovog polja. Bez promjene električnog kapaciteta kondenzatora, punimo ga iz napona 40 in i ispraznite ga do sijalice, a zatim uradite isto sa naponom 80. vek Vidimo da što je veći napon između ploča kondenzatora, to je veća energija njegovog električnog polja, o čemu svjedoči različita svjetlina bljeska lampe.

Energija električnog polja kondenzatora koristi se, na primjer, za proizvodnju električnih oscilacija u radio prijemnicima, radio predajnicima, televizorima, za proizvodnju kratkotrajne struje u foto bljeskalicama, radarima, za dobijanje visoke temperature, u proučavanju termonuklearnih reakcija.

Problem 22. Impulsno zavarivanje se izvodi pomoću kondenzatorskog pražnjenja s električnim kapacitetom 2000 uF sa napetošću na svojim pločama 1000 in. Definiraj korisna snaga puls, ako je trajanje pražnjenja 4 μsec, a efikasnost instalacije je 5%.



Korisna snaga instalacije Iz formule, korisna potrošena energija E p = ηE. Evo E- energija električnog polja kondenzatora, Onda

dakle,

Izračunajmo:

odgovor: N p = 12500 kW.

Električno polje i kondenzator

Ako do dva odvojene žice primijeniti napon, električno polje će se pojaviti unutar prostora između njih. Do ove tačke smo proučavali interakciju struje, napona i otpora unutar električnih kola koja služe kao provodni putevi za protok elektrona. Sada, kada govorimo o poljima, imamo posla sa interakcijama koje se dešavaju u svemiru.

Koncept "polja" je donekle apstraktan. Dok električnu struju nije tako teško zamisliti (sićušne čestice zvane elektroni kreću se između jezgri atoma unutar provodnika), onda je s poljem stvari potpuno drugačije.

Uprkos apstraktnoj prirodi polja, svako od vas se s njima susreo više puta, barem u obliku magneta. Ako ste se ikada igrali s parom magneta, ne možete a da ne primijetite da se međusobno privlače ili odbijaju ovisno o njihovoj relativnoj orijentaciji. Između dva magneta postoji neosporna sila, a ta sila je nematerijalna. Nema masu, boju, miris i pojavljuje se samo na samim magnetima, a da uopšte ne utiče na ljudsko telo. Fizičari opisuju interakciju magneta u smislu magnetnih polja u prostoru između njih. Ako su metalne strugotine razbacane u blizini magneta, one će biti orijentirane duž linija polja, vizualno pokazujući njegovo prisustvo.

Tema ovog odjeljka su električna polja (koji imaju mnogo zajedničkog sa magnetnim),i uređaji koji ih koriste - kondenzatori. Najvjerovatnije ste se susreli i sa električnim poljima. Sjetite se samog početka našeg treninga, u kojem smo gledali statički elektricitet. Ako se vosak i vuna trljaju jedno o drugo, onda između njih a fizička snaga atrakcija. Fizičari bi ovu interakciju opisali u terminima električnih polja koja stvaraju dva objekta kao rezultat neravnoteže elektrona. Za sada će biti dovoljno reći da ako postoji napon između dvije tačke, u prostoru između njih će se uvijek pojaviti električno polje.

Električno polje ima rezervu električna energija, koji se manifestuje u obliku električnih sila koje djeluju na nabijena tijela u polju. Po vrijednosti sile kojom se određeni električni naboj privlači ili odbija, uzeta kao jedinica, može se suditi o intenzitetu električnog polja. Jačina i intenzitet polja su otprilike analogni naponu (jačini) i struji (intenzitetu) u električnom kolu. Međutim, polje može postojati u potpuno praznom prostoru, dok struja postoji samo tamo gdje postoje slobodni elektroni. Priroda prostornog okruženja (tip izolacijski materijal, koji se nalazi između dva provodnika) može odoljeti intenzitetu polja na isti način na koji se materijal provodnika opire električna struja. Intenzitet kojim se polje širi u prostoru proporcionalan je njegovoj jačini podijeljenoj sa otporom medija.

Tipično, elektroni ne mogu ući u žicu osim ako ne postoji put za isti broj elektrona da izađu. Zbog toga se, da bi se stvorio protok elektrona, žice spajaju u zatvoreni krug. električni krug. Međutim, moguće je "stisnuti" dodatne elektrone u otvorenu žicu. Da biste to učinili, trebate postaviti još jednu žicu pored nje, koja će stvoriti električno polje. Broj dodatnih slobodnih elektrona koji ulaze u otvorenu žicu biće direktno proporcionalan jačini datog polja.

Suština ovog fenomena se koristi u uređajima koji se nazivaju kondenzatori. Kondenzatori se sastoje od dvije provodne ploče (obično metalne) postavljene u neposrednoj blizini jedna drugoj. Postoji veliki broj vrste kondenzatora dizajniranih za obavljanje različitih zadataka. Za male kondenzatore dovoljne su dvije okrugle ploče između kojih se nalazi dielektrični materijal. Za velike kondenzatore, "ploče" su napravljene od presavijenih traka metalne folije sa fleksibilnim izolacijskim materijalom u sendviču između njih. Najveće vrijednosti kapacitivnosti postižu se korištenjem mikroskopskog sloja izolacijskog oksida koji razdvaja dvije vodljive površine. Uprkos razlikama u dizajn kondenzatori, oni sadrže opšta ideja: dva provodnika odvojena dielektrikom.

Simbol za kondenzator je sljedeći:

Kada se napon dovede na ploče kondenzatora, između njih nastaje električno polje, što doprinosi stvaranju značajne razlike u broju slobodnih elektrona na svakoj od ploča. Jednostavno rečeno, princip rada kondenzatora temelji se na sposobnosti akumulacije na pločama električnih naboja kada se između njih dovede napon:



Budući da se električno polje stvara primijenjenim naponom, slobodni elektroni se "uzimaju" s pozitivne ploče kondenzatora i akumuliraju na negativnoj ploči. Ova razlika u naboju je ekvivalentna skladištenju energije u kondenzatoru. Što je veća razlika između elektrona na suprotnim pločama, to je veći intenzitet (jačina) polja i više "naboja" energije kondenzator će pohraniti.

Budući da kondenzatori pohranjuju potencijalnu energiju pohranjenih elektrona kao električno polje, oni se ponašaju nešto drugačije u krugu od otpornika (koji jednostavno rasipaju energiju kao toplinu). Skladištenje energije u kondenzatoru je funkcija napona između njegovih ploča, kao i drugih faktora koje ćemo kasnije razmotriti. Sposobnost kondenzatora da skladišti energiju ovisno o primijenjenom naponu uzrokuje da napon održava na konstantnom nivou. Drugim riječima, kondenzator se odupire promjenama napona. Kada je napon na kondenzatoru povećava ili smanjuje, He "opire se" ove promjene , uzimanje ili davanje struje izvor promjene voltaža

Da spasimu kondenzatoruveće energije, napon na njegovim pločama se mora povećati. Ovo će uzrokovati da se više elektrona odvoji od pozitivne (+) ploče i doda negativnoj (-). Struja bi trebala teći od (-) do (+). i obrnuto, za oslobađanje energije od kondenzatora, napon na njemu mora biti smanjen. Ovo će dovesti do neki od višak elektrona će se vratiti iz negativa (-) ploče na pozitivno (+). Smjer struje će se tada promijeniti u suprotan.

Sjetite se prvog Newtonovog zakona, koji kaže da se svako tijelo i dalje održava u stanju mirovanja ili uniformi i pravolinijsko kretanje, sve dok i dok ga primijenjene sile ne prisile da promijeni ovo stanje. S kondenzatorima je situacija otprilike ista: "Nabijeni kondenzator ima tendenciju da ostane napunjen, a ispražnjen kondenzator teži da ostane ispražnjen." Hipotetički, u odsustvu vanjskog utjecaja, napunjeni kondenzator će zadržati svoj akumulirani naboj na neograničeno vrijeme, koji se može promijeniti samo pomoću vanjskog izvora struje:



U praksi, zbog unutrašnjih puteva curenja elektrona s jedne ploče na drugu, kondenzatori gube svoj pohranjeni naboj tokom vremena. Ovo vrijeme ovisi o specifičnom tipu kondenzatora i može biti nekoliko godina.

Kako se napon na kondenzatoru povećava, on počinje da crpi struju iz kola, djelujući kao opterećenje. U ovom slučaju možemo reći da se kondenzator "puni" jer je više energije pohranjeno u njegovom električnom polju. Obratite pažnju na smjer struje uzimajući u obzir polaritet napona:

i obrnuto, kada se napon na kondenzatoru smanji, on oslobađa struju u ostatak kola, djelujući kao izvor energije. U ovom slučaju možemo reći da se kondenzator "prazni". Njegova rezerva energije, pohranjena u električnom polju, opada, a energija se prenosi u kolo:

Ako je izvor napajanja spojen na nenapunjen kondenzator (nagli porast napona), on će trošiti struju iz ovog izvora sve dok njihovi naponi ne postanu jednaki. Čim se napon kondenzatora uporedi sa naponom napajanja, njegova struja postaje nula. Suprotno tome, ako je otpornik opterećenja spojen na napunjen kondenzator, on će opskrbljivati ​​struju ovom opterećenju sve dok ne potroši svu pohranjenu energiju i njegov napon ne padne na nulu. Čim napon kondenzatora dostigne nulu, struja kroz njega prestaje. Zbog svoje sposobnosti punjenja i pražnjenja, kondenzatori se mogu smatrati sekundarnim izvorima energije.

Vrsta izolacijskog materijala između ploča kondenzatora, kao što je ranije navedeno, utječe veliki uticaj na količinu akumuliranog naboja pri bilo kojem primijenjenom naponu. Nisu svi izolacijski (dielektrični) materijali stvoreni jednaki. Količina koja karakteriše reakciju dielektrični materijal električnom polju naziva se dielektrična konstanta.

Glavna karakteristika kondenzatora je njegova električni kapacitet. Kapacitet kondenzatora karakterizira količinu električne energije koju je sposoban pohraniti. Drugim riječima, što više elektrona kondenzator može zadržati, veći je njegov kapacitet i obrnuto. U matematičkim jednačinama, kapacitivnost je predstavljena velikim slovom "C" i mjeri se u Faradima (skraćeno kao "f").