Для школьников.
Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость С.
Под ёмкостью конденсатора понимается его способность накопить на своих обкладках и удержать на них электрический заряд.
Чем больший электрический заряд соберёт на себе конденсатор, тем больший заряд при разряде он отдаст во внешнюю электрическую цепь.
Ёмкость плоского конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин, чем меньше расстояние между ними и чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между его обкладками (объяснение дано в Занятии 53):
На практике конденсатор заряжают, присоединив его обкладки к полюсам источника постоянного напряжения.
Как происходит процесс зарядки конденсатора?
До зарядки каждая обкладка конденсатора имела одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов, то есть не была заряжена.
Чтобы зарядить конденсатор надо, чтобы какое-то количество свободных электронов перешло с одной обкладки на другую. Поэтому обкладки и получают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды.
Вдумаемся в смысл слов:
- чтобы зарядить конденсатор, надо разъединить заряды;
- чтобы разрядить конденсатор, надо соединить разъединённые заряды.
Проведём мысленный эксперимент.
Имеются две металлические пластинки. Каждая из них не заряжена. Это значит, что в них содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.
Перемещаться в металле могут только свободные (оторвавшиеся от атомов валентные) электроны.
Представим, что эти пластинки привели в очень тесное соприкосновение, при котором часть свободных электронов перешла, например, с верхней пластинки на нижнюю.
Тогда на поверхности верхней пластинки появится положительный заряд (там будет недостаток электронов). Поверхность же нижней пластинки зарядится отрицательно (на ней избыток электронов).
Пластинки, имеющие противоположные знаки, притягиваются друг к другу. Чтобы их разъединить, надо совершить механическую работу против силы притяжения.
После перемещения пластинок на некоторое расстояние друг от друга (после совершения механической работы), они окажутся заряженными разноимёнными равными по модулю зарядами. (Это можно представить только теоретически практически же при попытке разделить две таких пластинки из проводника зарядить не удастся, так как электроны в местах контакта успеют вернуться обратно из-за их большой подвижности в металле. Но если одна из пластинок будет диэлектриком, то они зарядятся).
Совершив работу, мы разделили заряды и зарядили пластинки. Совершённая механическая работа перешла в энергию электрического поля, образовавшегося между пластинками, которые можно считать обкладками плоского конденсатора.
Рассуждая так, мы представили процесс зарядки конденсатора.
Теперь представим процесс разрядки конденсатора.
Чтобы разрядить конденсатор, надо соединить разъединённые заряды, то есть вернуть электроны, перешедшие с верхней пластинки на нижнюю, на верхнюю пластинку. Тогда обе пластинки опять окажутся незаряженными.
Для этого надо заряженные пластинки соединить проводом. Тогда свободные электроны с отрицательно заряженной пластинки, отталкиваясь от неё, станут перемещаться в ближайший к пластинке участок провода. В результате заряд отрицательно заряженной пластинки уменьшается.
Количество электронов в этом участке провода (прилегающего к отрицательно заряженной пластинке) увеличится. Эти электроны передадут движение (энергию) электронам соседнего участка провода и так далее.
Одновременно с другого конца провода, соединённого с положительно заряженной пластинкой, свободные электроны переходят на пластинку, уменьшая её положительный заряд. Направленное движение электронов и здесь передаётся от участка к участку провода.
Перераспределение электронов от участка к участку в проводе (электрический ток) происходит до тех пор, пока количество положительных и отрицательных зарядов в каждой пластинке не станет одинаковым (пока разъединённые при зарядке пластин заряды не соединятся).
Процесс разрядки конденсатора - это процесс соединения разъединённых зарядов.
Так можно представить процессы зарядки и разрядки конденсатора.
Теперь рассмотрим качественно процесс зарядки конденсатора от источника постоянного тока.
На рисунке изображена электрическая цепь, состоящая из источника постоянного тока, конденсатора и сопротивления.
При замыкании ключа свободные электроны придут в движение, в цепи возникнет ток и конденсатор начнёт заряжаться. При этом напряжение на конденсаторе будет увеличиваться, а ток в цепи будет убывать.
Процесс зарядки конденсатора будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению источника. Это напряжение на конденсаторе называется установившимся.
Когда на пластинах накопится заряд, равный произведению ёмкости конденсатора на установившееся напряжение
тока в цепи не станет (конденсатор полностью зарядится).
Длительность процесса зарядки определяется ёмкостью конденсатора и сопротивлением цепи
Конденсатор станет разряжаться, если его обкладки замкнуть через сопротивление.
Процесс разрядки конденсатора описан выше.
Как происходит процесс перемещения (перераспределения) электронов в проводе сказано ещё в статье "Работа тока ...."
По мере разрядки конденсатора ток в цепи уменьшается.
Прохождение тока через сопротивление сопровождается выделением тепла - энергия электрического поля переходит в тепло.
Покажем ещё цепь постоянного тока, состоящую из источника постоянного тока, двух конденсаторов и двух сопротивлений.
Найдём напряжение на каждом конденсаторе (имеется ввиду установившееся напряжение).
Конденсаторы соединены последовательно, значит общее напряжение на конденсаторах равно напряжению источника:
Заряды конденсаторов, равные произведением их ёмкостей на напряжения, равны между собой:
Совместное решение этих уравнений позволяет найти напряжение на каждом конденсаторе:
То есть пока источник постоянного тока подключен, конденсаторы заряжены, так как заряд конденсатора пропорционален напряжению:
Чем больше напряжение на конденсаторе (на участке цепи, содержащей конденсатор), тем больше заряд на его обкладках.
Если источник напряжения отключить, то через сопротивления пройдёт разрядный ток, положительные и отрицательные заряды соединятся и конденсаторы разрядятся.
Комментарий подвиг меня к написанию статьи: "Ещё о зарядке тел и конденсаторов". Прочтите её.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Полезная мощность. Полная мощность. КПД электрической цепи.
Следующая запись: Решение задач на нахождение мощности и КПД в цепи постоянного тока.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45.
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.