Конденсатор – система из двух проводников, предназначенная для хранения зарядов и энергии электрического поля.
Взаимодействие тел с электрическим полем зависит от того, из каких веществ они состоят, а именно, содержат, или нет, эти вещества заряженные частицы (электроны или ионы), способные свободно перемещаться под действием электрических сил.
Заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в электрическом поле, называют свободными зарядами, а вещества, содержащие их, - проводниками. Проводниками являются металлы, жидкие растворы и расплавы электролитов. Свободными зарядами в металле являются электроны внешних оболочек атомов, потерявшие с ними связь. Эти электроны, называемые свободными электронами, могут свободно двигаться по металлическому телу в любом направлении. В растворах солей свободными зарядами служат положительно и отрицательно заряженные ионы.
В условиях электростатики, т.е., когда электрические заряды неподвижны, напряжённость электрического поля внутри проводника всегда равна нулю. Действительно, если предположить, что поле внутри проводника всё-таки есть, то тогда на находящиеся в нём свободные заряды будет действовать электрические силы, пропорциональные напряжённости поля, и эти заряды начнут двигаться, а значит, поле перестанет быть электростатическим. Таким образом, электростатическое поле внутри проводника отсутствует.
Исчезновение внутри проводника электростатического поля происходит следующим образом. Пусть металлический проводник в форме шара вносят в электрическое поле, напряжённость которого в данной области постоянна, т.н. однородное поле. Как только это произойдёт, свободные электроны проводника под действием электрических сил начнут перемещаться (см. стрелки на рис. 36а), в результате чего одна часть проводника зарядится положительно, а другая – отрицательно. Этот процесс перемещения закончится тогда, когда образовавшиеся заряды на противоположных частях шара создадут внутри проводника такое поле, которое полностью компенсирует внешнее электрическое поле. После этого напряжённость электрического поля внутри шара станет равной нулю, и свободные заряды опять станут неподвижными. При этом переместившиеся заряды изменят поле снаружи проводника (рис. 36б), а его силовые линии станут перпендикулярными поверхности шара, т.к. составляющая вектора напряжённости, параллельная поверхности проводника, вызвала бы движение его свободных зарядов. Явление, приводящее к исчезновению электростатического поля внутри проводника, называют электростатической индукцией.
Вещества, в которых нет свободных зарядов, называют диэлектриками или изоляторами. Примерами диэлектриков могут служить различные газы, некоторые жидкости (вода, бензин, спирт и др.), а также многие твёрдые вещества (стекло, фарфор, плексиглас, резина и др.).
Существуют два вида диэлектриков – полярные и неполярные. В молекуле полярного диэлектрика положительные заряды находятся преимущественно в одной её части («+» полюс), а отрицательные – в другой («-» полюс). У неполярного диэлектрика положительные и отрицательные заряды одинаково распределены по молекуле.
Во внешнем поле на разноимённые полюса молекулы полярного диэлектрика действуют противоположно направленные силы (F и –F на рис. 36в), которые стараются повернуть молекулу вдоль вектора напряжённости поля. Внешнее поле действует также и на молекулу неполярного диэлектрика, перемещая внутри неё разноимённые заряды в разные стороны, в результате чего эта молекула становится похожей на молекулу полярного диэлектрика, ориентируясь тоже вдоль линий поля. Таким образом, во внешнем поле заряды в молекулах диэлектрика смещаются в направлении действия электрических сил (рис. 36г). Это явление называют поляризацией диэлектрика.
При поляризации диэлектрика на его противоположных по отношению к внешнему полю поверхностях появляются разноимённые электрические заряды, называемые связанными. Связанные заряды создают в диэлектрике электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен противоположно вектору внешнего поля, в результате чего электрическое поле внутри диэлектрика уменьшается в e раз. Величину e называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика, которая равна для воздуха - 1,0006, бензина – 2,3, плексигласа – 3,4, стекла - от 5 до 10, а для воды – 81.
Вопросы для повторения:
· Что такое свободные заряды, проводники и диэлектрики?
· Опишите явление электростатической индукции.
· Что такое поляризация диэлектрика?
Рис. 36. Металлический шар в поле до (а) и после (б) электростатической индукции; (в) – силы, действующие на молекулу полярного диэлектрика во внешнем поле; (г) – хаотичная ориентация молекул полярного диэлектрика в отсутствии (верх) и присутствии (низ) внешнего электрического поля, E.
§ 38. КОНДЕНСАТОРЫ: ЭЛЕКТРОЁМКОСТЬ, ЭНЕРГИЯ.
Пусть проводники А и Б разделёны диэлектриком и первоначально не заряжены. Если перенести с одного из них на другой некоторый заряд q, то эти проводники зарядятся разноимёнными, но одинаковыми по модулю зарядами (рис. 38а). Таким образом, любые два проводника можно сделать системой для хранения и накопления электрического заряда. Систему из двух проводников (обкладок), разделённых тонким слоем диэлектрика, способную хранить электрические заряды значительной величины, называют конденсатором.
Заряд, находящийся на каждой обкладке конденсатора, создаёт между ними электрическое поле, напряжённость которого пропорциональна величине этого заряда, q. Поэтому работа по перенесению любого заряда между обкладками конденсатора, а значит, и напряжение между его обкладками будет пропорциональна заряду q. Таким образом, заряд q любого конденсатора должен быть пропорционален напряжению U между его обкладками, что можно записать следующим образом:
q = CU , (38.1)
где С – постоянный для данного конденсатора коэффициент, называемый электроёмкостью конденсатора и равный отношению заряда одной из его обкладок к напряжению между этой обкладкой и другой. Электроёмкость конденсатора не зависит от заряда на его обкладках и определяется только размерами, формой и относительным расположением этих обкладок.
Единицей электроёмкости в СИ является фарад (Ф), названный так в честь М. Фарадея. Конденсатор имеет электроёмкость в 1 Ф, если напряжение между его обкладками, обладающими разноимёнными зарядами по 1 Кл, равно 1 В. Из (38.1) следует, что 1 Ф = 1 Кл/1 В. Электроёмкость реальных конденсаторов гораздо меньше 1 Ф, поэтому для её измерения часто используются микрофарад (мкФ, 10-6 Ф) или пикофарад (пФ, 10-12 Ф).
Конденсатор, у которого обкладками являются плоские, параллельные друг другу, металлические пластины, разделённые тонким слоем диэлектрика, называют плоским конденсатором (рис. 38б). Электрическое поле между пластинами плоского конденсатора однородное, что позволяет найти следующее вы ражение для электроёмкости С плоского конденсатора:
где S – площадь каждой из пластин, d – расстояние между ними, а e - диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика, разделяющего эти пластины. Таким образом, электроёмкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его обкладок, диэлектрической проницаемости среды между ними и обратно пропорциональна расстоянию между ними.
Большинство конденсаторов, используемых в различных радиоэлектронных и технических устройствах, по своей конструкции напоминают плоские конденсаторы. Пластинами в них служат две полоски алюминиевой фольги, разделенные тонким слоем диэлектрика: парафинированной бумаги, слюды, воздуха и т.п. По типу используемого диэлектрика конденсаторы называют бумажным, слюдяным, воздушным и т.п. Самой большой электроёмкостью обладают электролитические конденсаторы, в которых изолирующим слоем диэлектрика является тончайшая плёнка оксида алюминия, образующаяся на алюминиевой фольге, помещённой в электролит.
При переносе заряда с одной обкладки на другую совершается работа, которая переходит в потенциальную энергию WП конденсатора. Очевидно, что энергия заряженного конденсатора зависит от величины заряда q и напряжения U между его обкладками. Эту зависимость, одинаковую для всех видов конденсаторов, легко вывести для плоского конденсатора, между пластинами которого имеется однородное поле напряжённостью Е (рис. 38в). Вклад обеих пластин в суммарное электрическое поле одинаков, и значит, напряжённость электрического поля, создаваемая каждой пластиной, равна Е/2. Чтобы перенести заряд q с пластины А на пластину Б, в поле напряжённостью E/2 на расстояние d, надо совершить работу WП =qEd/2. Так как U=Ed (см. §37), то WП =qU/2. Учитывая (38.1), получаем следующее выражение для энергии заряженного конденсатора:
Вопросы для повторения:
· Что называют конденсатором и его электроёмкостью?
· От чего зависит электроёмкость плоского конденсатора?
· Как зависит энергия конденсатора от величин заряда и напряжения между его обкладками?
Рис. 38. (а) – схематическое изображение конденсатора; (б) – к вычислению электроёмкости плоского конденсатора по формуле (38.2); (в) – к выводу формулы (38.3) для энергии плоского конденсатора.
§ 39. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И ЕГО ДЕЙСТВИЯ. СИЛА ТОКА.