Skip to Content

Электроемкость. Конденсаторы



Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q1 и q2, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников. Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.

Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q1 = – q2 = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости. Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

 Электроемкость. Конденсаторы

  В системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф):

 Электроемкость. Конденсаторы

  Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками. Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами (рис. 4.6.1); однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками (рис. 4.6.2). Но в других задачах пренебрежение полем рассеяния может привести к грубым ошибкам, так как при этом нарушается потенциальный характер электрического поля (см. § 4.4).

Поле плоского конденсатора. 1
Рисунок 4.6.1. Поле плоского конденсатора.
Идеализированное представление поля 2
Рисунок 4.6.2. Идеализированное представление поля плоского конденсатора. Такое поле не обладает свойством потенциальности.

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением (см. § 4.3)

 Электроемкость. Конденсаторы

  Согласно принципу суперпозиции, напряженность  Электроемкость. Конденсаторы
поля, создаваемого обеими пластинами, равна сумме напряженностей  Электроемкость. Конденсаторы
и  Электроемкость. Конденсаторы
полей каждой из пластин:

 Электроемкость. Конденсаторы

  Внутри конденсатора вектора  Электроемкость. Конденсаторы
и  Электроемкость. Конденсаторы
параллельны; поэтому модуль напряженности суммарного поля равен

 Электроемкость. Конденсаторы

  Вне пластин вектора  Электроемкость. Конденсаторы
и  Электроемкость. Конденсаторы
направлены в разные стороны, и поэтому E = 0. Поверхностная плотность σ заряда пластин равна q / S, где q – заряд, а S – площадь каждой пластины. Разность потенциалов Δφ между пластинами в однородном электрическом поле равна Ed, где d – расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора:

 Электроемкость. Конденсаторы

  Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

 Электроемкость. Конденсаторы

  Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы. Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R1 и R2. Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R1 и R2 и длины L. Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:

 Электроемкость. Конденсаторы
 Электроемкость. Конденсаторы

  Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов. При параллельном соединении конденсаторов (рис. 4.6.3) напряжения на конденсаторах одинаковы: U1 = U2 = U, а заряды равны q1 = С1U и q2 = С2U. Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом q = q1 + q2 при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует

 Электроемкость. Конденсаторы

  Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

Параллельное соединение 3
Рисунок 4.6.3. Параллельное соединение конденсаторов. C = C1 + C2.
Последовательное соединение 4
Рисунок 4.6.4. Последовательное соединение конденсаторов.  Электроемкость. Конденсаторы

При последовательном соединении (рис. 4.6.4) одинаковыми оказываются заряды обоих конденсаторов: q1 = q2 = q, а напряжения на них равны  Электроемкость. Конденсаторы
и  Электроемкость. Конденсаторы
Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U1 + U2. Следовательно,

 Электроемкость. Конденсаторы

  При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей. Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.