Dom · Mjerenja · Koliki je električni kapacitet naponskog kondenzatora? Kapacitet kondenzatora: suština i glavne karakteristike

Koliki je električni kapacitet naponskog kondenzatora? Kapacitet kondenzatora: suština i glavne karakteristike

Ravni kondenzator obično se naziva sistem ravnih provodnih ploča - ploča odvojenih dielektrikom. Jednostavnost dizajna takvog kondenzatora čini relativno lakim izračunavanje njegovog električnog kapaciteta i dobivanje vrijednosti koje se poklapaju s eksperimentalnim rezultatima.

Pričvrstimo dvije metalne ploče na izolacijska postolja i spojimo ih na elektrometar tako da jedna ploča bude spojena na štap elektrometra, a druga na njegovo metalno tijelo (slika 4.71). S ovom vezom, elektrometar će mjeriti razliku potencijala između ploča koje formiraju ravan kondenzator od dvije ploče. Prilikom istraživanja potrebno je to zapamtiti

pri konstantnoj vrijednosti naboja ploča, smanjenje razlike potencijala ukazuje na povećanje električnog kapaciteta kondenzatora, i obrnuto.

Dajmo pločama suprotne naboje i zabilježimo devijaciju igle elektrometra. Približavanjem ploča jedna drugoj (smanjivanjem udaljenosti između njih) primijetit ćemo smanjenje razlike potencijala. Dakle, kako se udaljenost između ploča kondenzatora smanjuje, njegov električni kapacitet se povećava. Kako se udaljenost povećava, očitanja igle elektrometra se povećavaju, što je dokaz smanjenja električnog kapaciteta.

obrnuto proporcionalno rastojanju između njegovih ploča.

C~ 1 / d,

Gdje d— razmak između ploča.

Ova zavisnost se može prikazati grafikom inverzno proporcionalne zavisnosti (slika 4.72).

Ploče ćemo pomjeriti jednu u odnosu na drugu u paralelnim ravnima bez promjene udaljenosti između njih.

U tom slučaju, površina preklapanja ploča će se smanjiti (slika 4.73). Povećanje razlike potencijala koje bilježi elektrometar će ukazati na smanjenje električnog kapaciteta.

Povećanje površine preklapanja slojeva dovest će do povećanja kapaciteta.

Električni kapacitet ravni kondenzator proporcionalno površini ploča koje se preklapaju.

C~S,

Gdje S— površina ploče.

Ova zavisnost se može prikazati grafikom direktno proporcionalne zavisnosti (slika 4.74).

Vrativši ploče u početni položaj, u prostor između njih uvodimo ravan dielektrik. Elektrometar će primijetiti smanjenje razlike potencijala između ploča, što ukazuje na povećanje električnog kapaciteta kondenzatora. Ako se između ploča stavi drugi dielektrik, tada će promjena električnog kapaciteta biti drugačija.

Električni kapacitet ravnog kondenzatora zavisi od dielektrične konstante dielektrika.

C ~ ε ,

Gdje ε je dielektrična konstanta dielektrika. Materijal sa sajta

Ova zavisnost je prikazana na grafikonu na Sl. 4.75.

Eksperimentalni rezultati se mogu sažeti u formu formule za kapacitivnost ravnog kondenzatora:

C=εε 0 S/d,

Gdje S— površina ploča; d— udaljenost između njih; ε — dielektrična konstanta dielektrika; ε 0 - električna konstanta.

Kondenzatori, koji se sastoje od dvije ploče, u praksi se vrlo rijetko koriste. U pravilu, kondenzatori imaju mnogo ploča povezanih jedna s drugom prema određenom uzorku.

Na ovoj stranici nalazi se materijal o sljedećim temama:

  • Grafikon električnog kapaciteta ravnog kondenzatora u odnosu na površinu njegovih ploča

  • S povećanjem površine preklapanja ploča, naboj na pločama kondenzatora

  • Teorija ravnih kondenzatora

  • Kako dielektrik utiče na električni kapacitet?

  • Poruka na temu električnih kapaciteta

Pitanja o ovom materijalu:

  • Koja je struktura kondenzatora sa paralelnim pločama?

  • Promjenom koje vrijednosti u eksperimentu možemo izvesti zaključak o promjeni električnog kapaciteta?

  • Kapacitet kondenzatora - fizička količina, karakterizira proces punjenja provodnika odvojenih dielektričnim slojem. Koristi se u brojnim matematičkim proračunima i označen je na tijelu proizvoda.

    Formule

    Električni kapacitet kondenzatora obično se izražava u terminima pohranjenog naboja q pri primijenjenom naponu U na sljedeći način:

    Što se tiče porijekla formule, postoji jedna misterija. Znamo samo: iz Gaussove teoreme o napetosti električno polje Nađimo električni kapacitet kondenzatora. Nigdje se ne navodi ko je izvršio obračun. Fizička veličina farad je u početku bila odsutna iz GHS sistema, a 1861. uvedena je od strane posebne komisije koju su formirali fizičari.

    Prema nekim informacijama, prvi put je električni kapacitet kondenzatora odredio onaj ko je uveo termine u upotrebu. Mislimo na Alessandra Voltu. Krajem 70-ih (XVIII vijek) naučnik je posvetio mnogo istraživanja ovom pitanju i ustanovio: električni kapacitet se može izraziti u smislu akumuliranog naboja i napona primijenjenog na elektrode.

    Osim toga, često možete pronaći formulu za električni kapacitet ravnog kondenzatora:

    Autori izbegavaju da procene ko je učestvovao u proračunima izraza. Logično govoreći, retko ko je bio zainteresovan za električni kapacitet ravnog kondenzatora pre nego što je Polakov izum rođen. Leyden tegle različito raspoređuju punjenje. Rasuđivanje vodi na početak 20. vijeka. Možda su se Tesla i Hertz bavili tim pitanjem. Manje vjerovatno - Popov.

    Prezimena se imenuju na osnovu kriterijuma interesovanja naizmjenična struja. Tesla je proučavao sigurnost električne energije, prijenosa na velike udaljenosti i dizajnirao motore. Herc i Popov su proučavali antene koje su očigledno podešene na određenu talasnu dužinu, što je lakše dobiti pomoću oscilacionog kola. Shodno tome, naučnici moraju imati ideju o električnom kapacitetu kondenzatora i induktora.

    James Maxwell, Lord Kelvin, Wilhelm Weber posvetili su mnogo pažnje poboljšanju unificirani sistemi merenja fizičkih veličina Postoji izvesna mogućnost da je neko mogao da učestvuje u proučavanju kondenzatora. Jedno je jasno – u svetskoj istoriji prirodnih nauka ima mnogo praznih mesta kada su u pitanju izvori na ruskom jeziku. Portal VashTehnik će biti jedan od prvih koji će objaviti najnovija istraživanja u oblasti ispravnog razumevanja događaja koji su se odigrali.

    Priča

    Za nestrpljive čitaoce odmah javljamo: Alessandro Volta je zapravo uveo pojam kapacitet. Ne zna se tačno da li ga je neko ranije koristio, ali u svom radu italijanski naučnik, nazivajući elektrofor kondenzatorom, istovremeno na njega primenjuje termin kapacitivnost. Poput posude u koju možete „naliti“ punjenje iz posude. Zove se kondenzator jer je proces sličan taloženju pare: postepeno ćemo pokupiti proizvoljnu količinu električne energije. I po uglavnom To je u redu.

    Termin kondenzator

    Istorijski gledano, Leyden teglu treba smatrati prvim kondenzatorom. Do danas se vodi debata o tome ko je izumeo uređaj, budući da su oba naučnika, ponesena događajima, izbegavala da vode urednu evidenciju; jedno je neosporno – električni kapacitet uređaja nije mogao da se izmeri, nije postojao odgovarajući koncept “ električni kapacitet kondenzatora.”


    Snimak ekrana štampane verzije Voltine rasprave, 1782

    Osoba koja je skovala taj izraz bila je nemoćna da izgovori tu riječ ranije od Alessandra Volte 1782. godine, izvještavajući Kraljevsko naučno društvo o istraživanjima u oblasti elektrostatike. Da shvati odakle dolazi struja. Poznato je da će u narednih pet godina Luigi Galvani otkriti "životinjski elektricitet", što je dovelo Voltu pravo do stvaranja prve baterije. Izvještavajući društvo, mladi naučnik je uskraćen za pomenuto znanje, luminar pokušava da shvati odakle dolazi naboj. On obrazlaže otprilike ovako: „Do danas postoji mnogo dokaza o postojanju atmosferski elektricitet. Ljudi su nemoćni da pronađu tragove prisutnosti. Može značiti: postojeći elektroskopi su preslabi, nesposobni da otkriju tako suptilnu materiju. Stoga moramo pronaći način da izbacimo tečnosti iz zraka.”

    Praktično izvršavajući ono što je rečeno, Alessandro Volta predlaže uređaj koji se zove elektrofor (ne treba ga brkati). Uređaj hvata tekućine iz atmosferskog provodnika (vazduh). Princip rada Volte podsjeća na proces kondenzacije: skuplja električnu energiju.

    Electrophorus

    Zapad naziva elektrofor kapacitivnim tipom generatora. Gore navedeno sugerira da je takva definicija usvojena zahvaljujući Volti, koju je napisalo Englesko kraljevsko društvo. Uređaj je izmislila druga osoba - švedski fizičar John Clark Wilke. Desilo se to dvije decenije ranije - 1762. godine.

    Danas se vjeruje da je Volta uređaju dao popularnost, nazivajući svog miljenika vječnim generatorom električne energije. Ovo je takođe u suštini tačno; gumu možete trljati hiljadama godina. “Kondenzator” više liči (vidi sliku) na masivni pečat. Na vrhu, pored glavne središnje ručke, nalazi se i bočna - za uklanjanje negativnog potencijala. Vidimo tri sloja:

    1. Podloga je opciona, na nju je zalijepljena guma.
    2. Tanki sloj gume služi kao tijelo za naelektriziranje trenjem.
    3. Na vrhu je tanak metalni lim opremljen sa dvije ručke, jedna (centralna) je izolirana.


    Izgled elektrofora

    Nakon što ste započeli rad, morate ukloniti "pečat" i protrljati gumu vunom. Zatim se glatki disk vraća nazad. Područje kontakta s gumom je malo zbog prisutne hrapavosti; pozitivan naboj se ne stječe brzo. Moramo sačekati. Operater nakratko uzemljuje poklopac sa bočnom ručkom, uklanjajući negativni naboj, ostavljajući pozitivno naelektrisanje na dnu. Kada jednom rukom dodirnete metal, možete čuti jasno čujni zvuk pucketanja. Nakon podizanja poklopca, guma nosi višak elektrona, što omogućava da se eksperiment ponovi nekoliko puta (teško je povjerovati, neki izvori kažu stotine ponavljanja).

    Odvajajući tijela oštrim povlačenjem izolacijske ručke, operater prima statički elektricitet. Izum, prilično revolucionaran, vrijedan je pažnje da se pojavio nekoliko godina nakon ukidanja zakona o lovu na vještice. Prema Volti, krug od gume trebao bi biti što tanji, oko 50 inča. Uspijeva postići najbolji rezultat. Metalni lim je zapravo i ploča. U suprotnom, morate dugo čekati da se volumen provodnika napuni. U običnom govoru, "kondenzator" se zove gumena pita. Pita prekrivena metalnim filom.

    Da li je elektrofor zaista nepresušan izvor energije? IN idealnim uslovima, iako je teško povjerovati. Negativni naboj gume polarizira metalnu ploču, stvarajući određeni potencijal. Prisiljen van na vanjska površina elektroni se uklanjaju dodirivanjem uzemljene elektrode. Ostaje odvojiti komponente elektrofora. Nakon što ste dodirom uništili pozitivan naboj i čuli zvuk iskre, možete ponovo započeti eksperiment.

    Elektrofor zaista podsjeća na kondenzator. Nakon uklanjanja viška negativnog naboja, on se zapravo pretvara u spomenuti uređaj. Kondenzator se ne može čuvati dugo vremena, jer će elektroni iz gume postepeno teći na metal. Uređaj će se isprazniti. Zapravo, guma i metal su međusobno odvojeni zrakom, koji služi kao dielektrik. Umjesto gume koristimo razne polimere, na primjer teflon.

    Ostaje da se primeti: u doba Volte nisu poznavali metode za oslobađanje gume od statičkog naboja. "Obloga" kondenzatora bi mogla dugo vremena skladištiti teret elektrona. Volta predlaže stavljanje uzorka ispod sunčeve zrake, ili pomaknite upaljenu svijeću u blizini. Kroz jonizovani plamen, elektroni napuštaju kondenzator. Danas je jasno da je gumu dovoljno oprati kako ne bi ostali tragovi statičkog naprezanja. Za rad ćete morati ponovo da ga osušite.

    Leyden jar

    Vjeruje se da je Felix Savary otkrio oscilacije rezonantnog kola. Dok sam puštao Leyden teglu kroz upletenu bakrenu nit, posmatrao sam nestalan pokret igle kompasa. 1826., kada su Engleska, Francuska, Njemačka i dijelom Italija grozničavo istraživale novi fenomen koji je u naučni svijet donio Oersted.


    Istorijat nastanka se može pročitati u odgovarajućoj recenziji. Treba reći da niko zapravo nije pokušao shvatiti koliki je električni kapacitet kondenzatora. To nije potrebno iz očiglednih razloga: Leyden teglu je uglavnom koristila naučna zajednica, rješavajući specifične probleme. Iskustvo Felixa Savaryja dugo je ostalo nezapaženo...

    Godine 1842, naš stari prijatelj, Sir Joseph Henry, pronalazač i telegrafski entuzijasta, preuzeo je oscilatorno kolo i električni kapacitet kondenzatora. Napišite to napismeno nakon što ste Savaryjeve beleške testirali u praksi:

    “Anomalija koja je tako dugo ostala neobjašnjena, a koja se na prvi pogled čini da postoji suprotno našoj teoriji elektriciteta i magnetizma, nakon pažljivog proučavanja svrstao sam je kao do sada nepoznati fenomen. Pražnjenje se javlja čudno (suprotno Franklinovoj teoriji), osjećaj da, nakon izlaska iz tegle, tekućina počinje da luta naprijed-nazad. Ono što smo vidjeli tjera nas da priznamo: proces počinje na normalan način, zatim dolazi do nekoliko promjena smjera, svaki put kada amplituda postaje manja, sve dok pokreti potpuno ne zamru. Očigledno, fenomen se danas ne može objasniti; fizičari su se susreli s njim (Savary), ali su bili nemoćni.”

    Očigledno, naučnika uopće ne zanima električni kapacitet kondenzatora - njegove misli su apsorbirane u anomaliju koju bi želio istražiti. Pet godina kasnije, fizičar Helmholc, koji je pročitao Henrijev izveštaj na sastanku Berlinskog fizičkog društva, rekao je:

    “Dok sam obavljao elektrolizu, primijetio sam neobične fluktuacije. Taj osjećaj, proces osciliranja se nastavlja, sve dok sama vis viva ne nestane zauvijek, apsorbirana ukupnim otporom kola. Stječe se utisak da strujom teku dvije struje suprotnih smjerova, prvo jedna, a onda druga preuzima.”

    Spor je prekinuo slavni William Thomson, po imenu Lord Kelvin. Proučivši proces matematički, izjavio je: u krugu, očito, postoje stvari kao što su električni kapacitet kondenzatora i induktivnost presavijenog bakrene žice. O prolaznim električnim strujama postao je klasik. Iako Lord Thomson induktivnost naziva elektrodinamičkim kapacitetom, značenje formule je nedvosmisleno. Naučnik je prvi rekao: energija se prenosi između kondenzatora i induktora, postepeno slabeći aktivni otpor lancima.

    Formula prikazana na slici data je u modernim vrijednostima, oznake su standardne. C je električni kapacitet kondenzatora, L je induktivnost zavojnice, q je količina naboja, I je struja kola. Drugi simboli se odnose na operacije diferencijacije. Termin induktivnost uveo je mnogo kasnije - 1886. godine od strane Olivera Hevisajda. Formula rezonantna frekvencija, koji ovisi o električnom kapacitetu kondenzatora i induktivnosti zavojnice, izveo je James Maxwell 1868. godine.

    Električni kapacitet– kvantitativna mjera sposobnosti provodnika da zadrži naelektrisanje.

    Najjednostavniji načini razdvajanja različitih imena električnih naboja– elektrifikacija i elektrostatička indukcija – omogućavaju dobijanje male količine slobodnih električnih naboja na površini tijela. Koriste se za akumulaciju značajnih količina suprotnih električnih naboja kondenzatori.

    Kondenzator je sistem od dva provodnika (ploče) razdvojenih dielektričnim slojem čija je debljina mala u odnosu na veličinu vodiča. Na primjer, formiraju se dvije ravne metalne ploče smještene paralelno i razdvojene dielektričnim slojem stan kondenzator.

    Ako se pločama ravnog kondenzatora daju naboji jednaki po veličini suprotan znak, tada će jačina električnog polja između ploča biti dvostruko jača od jačine polja na jednoj ploči. Izvan ploča, jačina električnog polja je nula, budući da su naboji jednaki drugačiji znak na dvije ploče, izvan ploča se stvaraju električna polja čije su jačine jednake po veličini, ali suprotne po smjeru.

    Kapacitet kondenzatora je fizička veličina određena omjerom naboja jedne od ploča i napona između ploča kondenzatora:

    Uz konstantan položaj ploča, električni kapacitet kondenzatora je konstantna vrijednost za bilo koje punjenje na pločama.

    Jedinica za električni kapacitet u SI sistemu je Farad. 1 F je električni kapacitet takvog kondenzatora, čiji je napon između ploča jednak 1 V kada se pločama daju suprotni naboji od po 1 C.



    Električni kapacitet ravnog kondenzatora može se izračunati pomoću formule:

    S – površina ploča kondenzatora

    d – razmak između ploča

    – dielektrična konstanta dielektrika

    Električni kapacitet lopte može se izračunati pomoću formule:

    Energija napunjenog kondenzatora.

    Ako je jačina polja unutar kondenzatora E, tada je jačina polja stvorena naelektrisanjem jedne od ploča E/2. U jednoličnom polju jedne ploče postoji naelektrisanje raspoređeno po površini druge ploče. Prema formuli za potencijalna energija naelektrisanja u jednoličnom polju, energija kondenzatora je jednaka:

    Koristeći formulu za kapacitivnost kondenzatora:

    Kondenzatori.

    Ako se izolovanom provodniku da naelektrisanje Dq, tada će se njegov potencijal povećati za Dj, a odnos Dq/Dj ostaje konstantan: Dq/Dj=C, gde je C električni kapacitet provodnika, tj. veličina, brojčano jednak naboju, koji se mora prenijeti provodniku kako bi se njegov potencijal povećao za jedan (za 1V). Električni kapacitet provodnika zavisi od njihove veličine, oblika, dielektričnih svojstava medija u koji su smešteni i položaja okolnih tela, ali ne zavisi od materijala provodnika. U SI po jedinici električni kapacitet 1 farad (F): [C]=1A=1kl/1V=1A 2 *s 4 /kg*m 2. Kapacitet jednak 1F je vrlo velik, pa se u praksi češće koriste jedinice mikrofarada (1 µF = 10 -6 F) ili pikofarada (1 µF = 10 -12 F). Kondenzator je sistem od dva provodnika (ploče) koji nisu međusobno povezani. Često se između ploča postavlja dielektrik. Kada su ovi vodiči nabijeni jednakim i suprotnim nabojima, polje koje stvaraju ovi provodnici gotovo je u potpunosti lokalizirano u prostoru između njih. Kondenzatori su uređaji za skladištenje električnih naboja. Omjer naboja na ploči kondenzatora i potencijalne razlike između njih je konstantan: q/(j 1 -j 2)=C.

    Ravni kondenzator sastoji se od dvije ploče površine S, koje se nalaze na maloj udaljenosti d jedna od druge, naelektrisanja na pločama +q i –q. Općenito, ako je prostor između ploča ispunjen dielektrikom sa dielektrična konstanta e, tada je jačina elektrostatičkog polja između ploča jednaka zbroju jačine polja koje stvara svaka od ploča.

    E=s/e 0 e. Kapacitet ravnog kondenzatora je C=e 0 eS/d.

    Paralelno i serijsko povezivanje kondenzatora. U praksi su kondenzatori često povezani Različiti putevi. Nađi ekvivalentni kapacitet- to znači pronaći kondenzator takvog kapaciteta koji će, pri istoj potencijalnoj razlici, akumulirati isti naboj q kao banka kondenzatora. At serijska veza N kondenzatora, punjenje na pločama je isto, napon na cijeloj bateriji kondenzatora jednak je zbiru napona na svakom kondenzatoru posebno: U ukupno =U 1 +U 2 +U 3 +...+UN N, a ukupni kapacitet N kondenzatora je 1/C ukupno =1 /S 1 +1/S 2 +1/S 3 +...+1/S N . At paralelna veza kondenzatorima, napon U na svim kondenzatorima je isti i ukupni kapacitet C total baterije jednak je zbiru kapacitivnosti pojedinačnih kondenzatora, C ukupno = C 1 + C 2 + C 3 +... + C N.

    Kako u industriji tako i u Svakodnevni životčesto je potrebno kreirati velika količina pozitivno i negativno Jasno je da se to ne može učiniti uz pomoć elektrifikacije tijela. Ispostavilo se da vam je potreban poseban uređaj. Takav uređaj je kondenzator.

    Kondenzator je jednostavan sistem koji se sastoji od dielektrika koji razdvaja dvije ploče. U ovom slučaju je vrlo važno da debljina ovog dielektrika bude mala u odnosu na dimenzije samih ovih ploča, odnosno provodnika.

    Najjednostavniji tip električnih kapacitivnih uređaja je kompleks od dva metalne ploče odvojeno nekom vrstom dielektrika. Ako dovedemo do ovih ploča struja, tada će kvantitativna vrijednost intenziteta električnog polja koje nastaje između njih biti gotovo dvostruko veća od istog intenziteta za jednu od ovih ploča.

    Najvažniji indikator koji karakteriše ovaj sistem, je kondenzator sa stanovišta osnova elektromehanike, jednak omjeru naboja jedne od ploča koje se koristi i napona između vodiča ovog uređaja. IN opšti pogled Kapacitet kondenzatora će izgledati ovako:

    Ako položaj ploča u prostoru ostaje nepromijenjen dugo vremena, tada električni kapacitet kondenzatora ostaje konstantan (bez obzira na kvantitativne pokazatelje naboja na pločama).

    U Međunarodnom sistemu fizičkih mjerenja, električni kapacitet kondenzatora mjeri se u faradima (F). Prema ovoj klasifikaciji, jedan farad karakterizira električni kapacitet uređaja u kojem je napon između dielektrika jedan volt, a količina naboja koja se dovodi na ploče jednaka je jednom kulonu.

    Zapravo, jedan farad je vrlo velika vrijednost, tako da su najčešće korištene jedinice mikrofaradi, nanofaradi, pa čak i pikofaradi.

    Električni kapacitet ravnog kondenzatora direktno će ovisiti o površini njegovih ploča i povećavat će se kako se udaljenost između njih smanjuje. Da bi se značajno povećao električni kapacitet ovih uređaja, između vodiča se uvode određeni dielektrici.


    Najčešće su elektrode za kondenzatore izrađene od tanke folije, a kao glavna brtva koriste se papir, liskun ili keramika. U skladu sa materijalom koji služi kao osnova za dielektrike, kondenzatori dobijaju nazive - papir, keramika, vazduh, liskun. Prilično rasprostranjena u U poslednje vreme got elektrolitički kondenzatori, koji, uprkos svojim prilično kompaktnim dimenzijama, imaju značajan električni kapacitet. Zbog ovih kvaliteta, aktivno se koriste u kućanskih aparata, kao i kao ispravljači električne struje.

    Kondenzatori su među najneophodnijim električnih uređaja, bez kojih bi bilo jednostavno nemoguće stvoriti većinu kućanskih i električnih mjernih instrumenata.