В этой статье вы узнаете как устроен конденсатор, а в конце сможете закрепить материал, ответив на простые вопросы теста.
Для чего нужны конденсаторы и откуда такое название?
Они нужны, чтобы копить (конденсировать) электрический заряд, электрическую энергию и, конечно, то что с ними неразрывно связано — электрическое поле.
Какая физическая величина характеризует эту способность?
Эта физическая величина называется ёмкостью конденсатора (электроёмкость) и обозначается буквой С от английского слова capacity — ёмкость (слайд 3).
Чем выше ёмкость С конденсатора, тем больший заряд q можно накопить при данном напряжении U. Если при напряжении U в 1 В можно накопить заряд q в 1 Кл, то такой конденсатор будет иметь ёмкость С в 1 Ф (фарад). Эта единица названа в честь английского ученого Майкла Фарадея (слайд 5). 1 фарад — очень большая единица, даже ёмкость земного шара составляет только 700 мкФ (если считать его как уединенный проводник, слайд 4).
Электроёмкость любого конденсатора зависит от его геометрических размеров и диэлектрика между обкладками конденсатора. Это доказывается и в эксперименте, и вычислениями (слайд 6-9).
Формулы показывают, что чем больше площадь обкладок конденсатора, чем меньше расстояние между ними и при внесении диэлектрика электроёмкость возрастает.
Почему при внесении диэлектрика между обкладками конденсатора его электроёмкость возрастает?
Дело в том, что под действием электрического поля молекулы диэлектрика поляризуются и образуются связанные электрические заряды (слайд 10), которые создают свое электрическое поле, направленное в противоположную сторону, в результате чего ослабляется внешнее поле, созданное зарядами на обкладках конденсатора. Если заряды q на обкладках фиксированы, значит напряжение между обкладками падает (U=Ed), а электроёмкость, наоборот, возрастает.
Диэлектрик ослабит электрическое поле и предохранит обкладки конденсатора от пробоя.
Мы выяснили от каких параметрах зависит электроёмкость, именно они учитываются при конструировании конденсаторов, для увеличения его ёмкости.
Существует несколько типов классификации конденсаторов: по форме обкладок, по типу диэлектрика, по изменению ёмкости, по размещению в электросхемах и др. (слайд 11). Рассмотрим некоторые из них.
Керамические конденсаторы
В настоящее время широко используются керамические конденсаторы (слайд 12), внешне они имеют разные цвета — разный диэлектрик. Диэлектрики по разному ведут себя при изменении температуры, их диэлектрическая проницаемость может как увеличиваться, так и уменьшаться. Т.е. конденсаторы меняют свою ёмкость от температуры. Если изменения ёмкости малые, то они пригодны в цепях, где ёмкость должна быть постоянной, например в радиоприёмной аппаратуре, в той части, которая отвечает за настройку на определённую радиостанцию.
Они могут быть и цилиндрической формы, представляют собой керамическую трубку, которая изнутри покрыта слоем серебра, который выведен на один электрод, а другой на второй проводник. Ёмкость их не очень велика.
Керамику можно формовать, она пластичная как пластилин, и в неё легко погрузить множество пластинок. Проводники привариваются к внешним электродам, снаружи покрываются оловом Sn, чтобы легко было паять, поэтому у них необязательно должны быть выводы. Такое расположение пластинок образует не один конденсатор, а множество параллельно соединённых, что позволяет увеличить электроёмкость (ёмкость при параллельном соединении складывается). Диэлектрик CaTiO3 и BaTiO3 являются сегнетоэлектриками, у них огромная диэлектрическая проницаемость. Такие конденсаторы часто используются в различных компьютерных платах (память, микропроцессор), предназначены для того, чтобы защищать микропроцессор от электрических помех. Поскольку конденсатор нельзя мгновенно зарядить, для этого требуется время, поэтому, если вдруг появляется импульс высокого напряжения, и возникает электрическое возмущение в окружающей среде, конденсатор его сгладит.
Электролитический конденсатор
Строение электролитического конденсатора (слайд 13) похоже на «рулет». В бумажном конденсаторе две ленты из проводящей фольги, между которыми лист бумаги, сворачиваются в катушку и вставляются в жёсткий корпус, тем самым достигается большая площадь обкладок и малый зазор. Бумагу можно пропитать электролитом в результате происходит окисление алюминиевой фольги и образуется тончайший слой оксида алюминия, который и является диэлектриком. Тем самым достигается высокая ёмкость электролитического конденсатора (C~1/d). Некоторые ошибочно полагают, что бумага — это и есть тот самый диэлектрик, хотя это в корне неверно. Как она может быть диэлектриком, если она смочена в растворе, который проводит электрический ток? Эти конденсаторы полярны, то есть в электрических схемах с постоянным током вы должны обязательно соблюдать правило: плюс на плюс, а минус на минус. Если перепутаете, то конденсатор может бахнуть.
Существуют конденсаторы переменной ёмкости. Они сконструированы таким образом, что их пластины могут вдвигаться и раздвигаться, тем самым меняется и S, и d.
Ионистры - суперконденсаторы
Ионистр состоит из двух пластин (слайд 15), плотно прижатых к пропитанной электролитом «начинке» из активированного пористого угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. При зарядке ионистра в правой его половине образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности пор и положительными ионами на примыкающем электролите, в левой — с положительными ионами на поверхности пор и электронами на примыкающем электролите. Разделительный слой препятствует соединению электронов с ионами в начинке после отключения от источника питания.
Для достижения больших ёмкостей используются пористые материалы, имеющие большую поверхность пор при малых внешних размерах. Оказалось, что для этой цели лучше всего подходит обычный активированный уголь (древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым).
Проверь себя
А теперь предлагаю закрепить материал, ответив на простые вопросы теста.
Если статья была полезна, ставь 👍, тебе не сложно, а мне приятно 😉
Видео разборы решения задач на конденсаторы
#тест #физика #егэ по физике #самообразование #конденсаторы