2.Конденсаторы. Электроёмкость конденсаторов. Применение конденсаторов.

Электроёмкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним.

Электроёмкость обозначается буквой , вычисляется по формуле:где

Единица измерения электроёмкости: Фарад (Ф).

Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Электроёмкость конденсатора определяется формулой:.

Конденсаторы бывают разных видов: бумажные, слюдяные, воздушные и т.д. по типу используемого диэлектрика.

Также бывают конденсаторы постоянной и переменной электроёмкости.

Электроёмкость конденсатора зависит от вида диэлектрика, расстояния между пластинами и площади пластин: , где

Электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора. Энергия заряженного конденсатора вычисляется по формуле:.

Основное применение конденсаторов - в радиотехнике. Также они применяются в лампах-вспышках, в газоразрядных лампах.

3.Задача на применение второго закона Ньютона.

Билет № 15

1.Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция и условия её протекания. Термоядерные реакции.

Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n).

Протоны и нейтроны являются двумя зарядовыми состояниями частицы, называемой нуклон .

Количество протонов и нейтронов можно определить по таблице Менделеева.

Порядковый номер – это количество протонов. Чтобы узнать количество нейтронов, нужно из атомной массы вычесть количество протонов.

Например, в ядре атома кислорода8 протонов и 8 нейтронов.

У каждого атома есть изотопы – это ядра с одним и тем же числом протонов, но разным количеством нейтронов. Например, у водорода три изотопа: протий, дейтерийи тритий.

Энергия, необходимая для полного разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи .

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.

В 1938 г. немецкие физики Ган и Штрасман открыли деление урана под действием нейтронов: ядро урана делится на два близких по массе ядра.

У этой реакции есть две важные особенности, которые сделали возможным её практическое применение:

1. При делении каждого ядра урана выделяется значительная энергия.

2. Деление каждого ядра сопровождается вылетом 2-3 нейтронов, которые могут вызвать деление следующих ядер, т.е. сделать реакцию цепной.

Для осуществления цепной реакции используют ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. . Именно они хорошо делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.

Ядра изотопа урана с массовым числом 238 () используют для получения плутония, который также используют для цепной ядерной реакции.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобождённых в данной массе нейтронов не уменьшалось с течением времени. Управляемую цепную реакцию проводят в ядерных реакторах , которые конструируют так, чтобы коэффициент размноженияk нейтронов был равен единице. Если число нейтронов будет увеличиваться с течением времени иk >1, то произойдет взрыв.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре (примерно 10 7 Кельвинов и выше).

Легче всего осуществить реакцию синтеза между тяжелыми изотопами водорода - дейтерием и тритием. При этом в результате получается ядро гелиянейтрони выделяется огромная энергия.

Работы над созданием управляемой термоядерной реакцией ещё ведутся.

Пока удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию в водородной бомбе.

Плоским конденсатором обычно называ-ют систему плоских проводящих пластин — обкладок, разделенных диэлектриком. Про-стота конструкции такого конденсатора по-зволяет сравнительно просто рассчитывать его электроемкость и получать значения, совпадающие с результатами эксперимента.

Укрепим две металлические пластины на изоляционных подставках и соединим с электрометром так, что одна из пластин будет присоединена к стержню электромет-ра, а вторая — к его металлическому кор-пусу (рис. 4.71). При таком соединении электрометр будет измерять разность по-тенциалов между пластинами, которые об-разуют плоский конденсатор из двух пла-стин. Проводя исследования, необходимо пом-нить, что

при постоянном значении заряда пластин уменьшение разности потенциалов свидетельствует об увеличении электроем-кости конденсатора, и наоборот.

Сообщим пластинам разноименные заря-ды и отметим отклонение стрелки электро-метра. Приближая пластины друг к другу (уменьшая расстояние между ними), заме-тим уменьшение разности потенциалов. Та-ким образом, при уменьшении расстояния между пластинами конденсатора его элект-роемкость увеличивается. При увеличении расстояния показания стрелки электрометра увеличиваются, что является свидетельст-вом уменьшения электроемкости.

об-ратно пропорциональна расстоянию между его обкладками.

C ~ 1 / d ,

где d — расстояние между обкладками.

Эту зависимость можно изобразить гра-фиком обратной пропорциональной зависи-мости (рис. 4.72).

Будем смещать пластины одну относи-тельно другой в параллельных плоскостях, не изменяя расстояния между ними.

При этом площадь перекрытия пластин будет уменьшаться (рис. 4.73). Увеличение разности потенциалов, отмеченное электрометром, будет свидетельствовать об умень-шении электроемкости.

Увеличение площади перекрытия пластан приведет к увеличению емкости.

Электроемкость плоского конденсатора про-порциональна площади пластин, которые пере-крываются.

C ~ S,

где S — площадь пластин.

Эту зависимость можно представить гра-фиком прямой пропорциональной зависи-мости (рис. 4.74).

Возвратив пластины в начальное поло-жение, внесем в пространство между ними плоский диэлектрик. Электрометр отметит уменьшение разности потенциалов между пластинами, что свидетельствует об увели-чении электроемкости конденсатора. Если между пластинами поместить другой диэлек-трик, то изменение электроемкости будет иным.

Электроемкость плоского конденсатора за-висит от диэлектрической проницаемости ди-электрика.

C ~ ε ,

где ε — диэлектрическая проницаемость ди-электрика. Материал с сайта

Такая зависимость показана на графике рис. 4.75.

Результаты опытов можно обобщить в ви-де формулы ёмкости плоского конденсатора :

C = εε 0 S / d,

где S — площадь пластины; d — расстояние между ними; ε — диэлектрическая прони-цаемость диэлектрика; ε 0 — электрическая постоянная.

Конденсаторы, которые состоят из двух пластин, в практике применяются очень редко. Как правило, конденсаторы имеют много пластин, соединенных между собой по определенной схеме.

На этой странице материал по темам:

• График электроемкости плоского конденсатора от площади его пластин

• При увеличении площади перекрывания пластин заряд на обкладках конденсатора

• Теория плоских конденсаторов

• Как влияет диэлектрик на электроёмкость?

• Сообщение на тему электроемкость

Вопросы по этому материалу:

• Какое строение плоского конденсатора?

• По изменению какой величины в опыте можно делать заключение об изменении электроемкости?

• Будем рассматривать уединенный проводник , т. е. проводник, значительно удаленный от других проводников, тел и зарядов. Его потенциал, как известно, прямо пропорционален заряду проводника. Из опыта известно, что разные проводники, будучи при этом одинаково заряженными, имеют различные потенциалы. Поэтому для уединенного проводника можно записать Величину (1) называют электроемкостью (или просто емкостью ) уединенного проводника. Емкость уединенного проводника задается зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу. Емкость уединенного проводника зависит от его размеров и формы, но не зависит от материала, формы и размеров полостей внутри проводника, а также его агрегатного состояния. Причиной этому есть то, что избыточные заряды распределяются на внешней поверхности проводника. Емкость также не зависит ни от заряда проводника, ни от его потенциала. Единица электроемкости - фарад (Ф): 1 Ф - емкость такого уединенного проводника, у которого потенциал изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл. Согласно формуле потенциала точечного заряда, потенциал уединенного шара радиуса R, который находится в однородной среде с диэлектрической проницаемостью ε, равен Применяя формулу (1), получим, что емкость шара (2) Из этого следует, что емкостью 1 Ф обладал бы уединенный шар, находящийся в вакууме и имеющий радиус R=C/(4πε 0)≈9 10 6 км, что примерно в 1400 раз больше радиуса Земли (электроемкость Земли С≈0,7 мФ). Следовательно, фарад - довольно большая величина, поэтому на практике применяются дольные единицы - миллифарад (мФ), микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ), пикофарад (пФ). Из формулы (2) следует также, что единица электрической постоянной ε 0 - фарад на метр (Ф/м) (см. (78.3)).

  37. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора (вывод). Соединение конденсаторов.

  Как нам известно из формулы емкости уединенного проводника, для того чтобы проводник имел большую емкость, он должен иметь довольно большие размеры. На практике необходимы устройства, обладающие способностью при малых размерах и небольших относительно окружающих тел потенциалах накапливать большие по величине заряды, иными словами, обладать большой емкостью. Эти устройства получили название конденсаторов . Если к заряженному проводнику перемещать другие тела, то на них возникают индуцированные (на проводнике) или связанные (на диэлектрике) заряды, при этом наиболее близкими к наводящему заряду Q будут заряды противоположного знака. Эти заряды, очевидно, ослабляют поле, которое создается зарядом Q, т. е. уменьшают потенциал проводника, что приводит, следуя из формулы зависимости емкости от потенциала С=Q/φ к повышению его электроемкости. Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), которые разделены диэлектриком. На емкость конденсатора не должны влиять окружающие тела, поэтому проводникам придают такую форму, чтобы поле, которое создавается накапливаемыми зарядами, было сосредоточено в узком зазоре между обкладками конденсатора. Этому условию удовлетворяют: 1) две плоские пластины; 2) две концентрические сферы; 3) два коаксиальных цилиндра. Поэтому в зависимости от формы обкладок конденсаторы делятся на плоские, сферические и цилиндрические . Так как поле сосредоточено внутри конденсатора, то линии напряженности начинаются на одной обкладке и кончаются на другой, поэтому свободные заряды, которые возникают на разных обкладках, равны по модулю и противоположны по знаку. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (φ 1 - φ 2) между его обкладками: (1) Найдем емкость плоского конденсатора, который состоит из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга и имеющих заряды +Q и –Q. Если считать, что расстояние между пластинами мало по сравнению с их линейными размерами, то краевыми эффектами на пластинах можно пренебречь и поле между обкладками считать однородным. Его можно найти используя формулу потенциала поля двух бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей φ 1 -φ 2 =σd/ε 0 . Учитывая наличие диэлектрика между обкладками: (2) где ε - диэлектрическая проницаемость. Тогда из формулы (1), заменяя Q=σS, с учетом (2) найдем выражение для емкости плоского конденсатора: (3) Для определения емкости цилиндрического конденсатора, который состоит из двух полых коаксиальных цилиндров с радиусами r 1 и r 2 (r 2 > r 1), один вставлен в другой, опять пренебрегая краевыми эффектами, считаем поле радиально-симметричным и действующим только между цилиндрическими обкладками. Разность потенциалов между обкладками считаем по формуле для разности потенциалов поля равномерно заряженного бесконечного цилиндра с линейной плотностью τ =Q/l (l -длина обкладок). При наличии диэлектрика между обкладками разность потенциалов (4) Подставив (4) в (1), найдем выражение для емкости цилиндрического конденсатора: (5) Чтобы найти емкость сферического конденсатора, который состоит из двух концентрических обкладок, разделенных сферическим слоем диэлектрика, используем формулу для разности потенциалов между двумя точками, лежащими на расстояниях r 1 и r 2 (r 2 > r 1) от центра заряженной сферической поверхности. При наличии диэлектрика между обкладками разность потенциалов (6) Подставив (6) в (1), получим Если d=r 2 -r 1 <пробивным напряжением - разностью потенциалов между обкладками конденсатора, при которой происходит пробой - электрический разряд через слой диэлектрика в конденсаторе. Пробивное напряжение также зависит от формы обкладок, свойств диэлектрика и его толщины. Для увеличения емкости и изменения ее возможных значений конденсаторы соединяют в батареи, при этом применяется их параллельное и последовательное соединения. 1. Параллельное соединение конденсаторов (рис. 1). У параллельно соединенных конденсаторов разность потенциалов на обкладках конденсаторов одинакова и равна φ A – φ B . Если емкости отдельных конденсаторов С 1 , С 2 , ..., С n , то, как видно из (1), их заряды есть .............. а заряд батареи конденсаторов Полная емкость батареи т. е. при параллельном соединении конденсаторов полная емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

  

  Рис.1

  2. Последовательное соединение конденсаторов (рис. 2). У последовательно соединенных конденсаторов заряды всех обкладок равны по модулю, а разность потенциалов на зажимах батареи где для любого из рассматриваемых конденсаторов Δφ i = Q/С i . С другой стороны, откуда т. е. при последовательном соединении конденсаторов суммируются величины, которые обратны емкостям. Значит, при последовательном соединении конденсаторов результирующая емкость С всегда меньше наименьшей емкости, которая используется в батарее.

  

  Электроемкость тела, как и его потен-циал, трудно определить однозначно. Для этого необходимо создать условия, при ко-торых полностью исключалось бы влияние окружающих тел. В реальных условиях ок-ружающие тела влияют на исследуемое те-ло, изменяя его потенциал и емкость.

  Укрепим на стержне заземленного элект-рометра металлический шар и сообщим ему определенный заряд. Стрелка электрометра отклонится от положения равновесия и по-кажет значение потенциала шара относи-тельно земли. Поднесем к шару металли-ческую пластину, соединенную проволокой с землей (рис. 4.63). Показания электрометра уменьшатся. Поскольку заряд шара не из-менился, то уменьшение потенциала свиде-тельствует об увеличении электроемкости шара. Изменения потенциала и соответственно емкости будут наблюдаться в случае изменения расстояния между шаром и пла-стиной.

  Таким образом, определяя емкость отдель-ного тела, необходимо учитывать размеще-ние всех окружающих тел.

  Поскольку практически этого сделать не-возможно, то используют устройство, кото-рое называется конденсатором . Простейшей для изучения и расчетов является система из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком.

  Конденсатор — это система из двух про-водников, разделенных диэлектриком.

  Размеры этих пластин (длина и ширина) намного больше расстояния между ними. Электрические свойства такой системы про-водников не зависят от размещения окружа-ющих тел. Если пластинам сообщить разно-именные заряды, то они разместятся на внутренних поверхностях пластин вследст-вие взаимного притяжения.

  Соответственно и поле заряженных пла-стин будет сосредоточено в пространстве между пластинами. Это можно объяснить на основе принципа суперпозиции полей .

  На рис. 4.64 показана структура элект-рического поля пластины, заряженной поло-жительным зарядом. Силовые линии парал-лельные и направлены в противоположные от пластины направления.

  На рис. 4.65 — подобная структура элект-рического поля отрицательно заряженной пластины. Силовые линии параллельные, а направление — противоположное предшест-вующему (рис. 4.64).

  Если пластины разместить на расстоянии d, намного меньшем, чем линейные разме-ры пластин, то в пространстве между ними силовые линии обеих пластин будут иметь одинаковое направление (рис. 4.66), а потому напряженность электрического поля бу-дет равна сумме напряженностей обоих полей:

  E’ = Е 1 + E 2 .

  Вне пластин линии напряженности име-ют противоположное направление, а потому

  E’ = E 1 — E 2 .

  Поскольку E 1 = E 2 , то E’ = 0 (рис. 4.67). Материал с сайта

  Конденсатор может накапливать значи-тельный заряд даже при небольшой раз-ности потенциалов между пластинами. В случае отдельного тела большой заряд со-здает большой потенциал, который приво-дит к автоэлектронной эмиссии или «стеканию зарядов».

  Емкость конденсатора в отличие от ем-кости отдельного тела определяется разно-стью потенциалов между обкладками.

  C = Q / (φ 1 — φ 2) = Q / Δφ .

  где Q — заряд одной из пластин; (φ 1 — φ 2) — разность потенциалов между пластинами.

  Для измерения емкости конденсатора ис-пользуется 1 фарад:

  1Ф = 1 Кл/ 1 В.

  На этой странице материал по темам:

  • Кратко о конденсаторе (физика)

  • Конденсатор физическое явление

  • Почему емкость конденсатора не зависит от влияния окружающих тел

  • Почему емкость конденсатора не зависит от окружающих тел

  • Сообщение по физике применение конденсатора

  Вопросы по этому материалу:

  И в промышленности, и в повседневной жизни нередко требуется создание большого количества положительных и отрицательных Понятно, что с помощью электризации тел и это сделать невозможно. Выходит, нужно специальное устройство. Таким устройством служит конденсатор.

  Конденсатор представляет собой несложную систему, состоящую из диэлектрика, разделяющего две обкладки. При этом очень важно, чтобы толщина этого диэлектрика была невелика по сравнению с размерами этих самых обкладок, то есть проводников.

  Простейшим видом электрических емкостных устройств является который представляет собой комплекс из двух металлических пластин, разделенных каким-либо диэлектриком. Если к этим пластинам подвести электрический ток, то количественная величина напряженности возникшего между ними электрического поля будет практически в два раза больше, чем та же напряженность у одной из этих пластин.

  Важнейшим показателем, характеризующим данную систему, является конденсатора с точки зрения основ электромеханики равна отношению заряда одной из применяемых пластин к напряжению между проводниками этого прибора. В общем виде электроемкость конденсатора будет выглядеть следующим образом:

  Если положение пластин в пространстве длительное время остается неизменным, то электроемкость конденсатора остается величиной постоянной (вне зависимости от количественных показателей заряда на пластинах).

  

  В Международной системе физических измерений электроемкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Согласно данной классификации, один фарад характеризует электроемкость такого устройства, у которого напряжение между диэлектриками составляет один вольт, а величина заряда, который подается на пластины, равна одному кулону.

  На самом деле один фарад - это очень большая величина, поэтому чаще всего используют такие единицы, как микрофарады, нанофарады и даже пикофарады.

  Электроемкость плоского конденсатора будет напрямую зависеть от площади его обкладок и станет увеличиваться при сокращении расстояния между ними. Для значительного увеличения электроемкости этих приборов между проводниками вводят те или иные диэлектрики.

  
  

  Чаще всего электроды для конденсаторов изготавливают из тонкой фольги, а в качестве основной прокладки используется бумага, слюда или керамика. Именно в соответствии с материалом, служащим основой для диэлектриков, конденсаторы и получают свои названия - бумажные, керамические, воздушные, слюдяные. Довольно большое распространение в последнее время получили электролитические конденсаторы, которые при достаточно компактных габаритах обладают значительной электроемкостью. Благодаря этим своим качествам, они активно используются в бытовой технике, а также в качестве выпрямителей электрического тока.

  Конденсаторы являются одними из самых незаменимых электрических устройств, без которых было бы попросту невозможно создание большинства бытовых и электроизмерительных приборов.