ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 23
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 23. Конденсаторы. Электроёмкость конденсатора

Почему геометрия и диэлектрик определяют способность накапливать заряд?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему геометрия и диэлектрик определяют способность накапливать заряд?

Наблюдаем и объясняем

Ёмкость: геометрия и подключение

Меняй площадь, зазор и диэлектрик. Сравни изоляцию с подключением к источнику.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

100 см²
1 мм

ε₀ = 8,85·10⁻¹² Ф/м. Плоский конденсатор с однородным линейным диэлектриком, без краевых эффектов и утечек.

01

Устройство: две обкладки и изоляция

Конденсатор состоит из двух проводников, разделённых диэлектриком. В обычной модели на обкладках находятся заряды +q и −q. Зарядом конденсатора называют модуль заряда одной обкладки, а не сумму +q + (−q).

Электроёмкость C = q/U характеризует способность накапливать заряд при данном напряжении. Единица — фарад: 1 Ф = 1 Кл/В. Для линейного диэлектрика и неизменной геометрии C не зависит от q и U в рабочем диапазоне.

Определение

C = q/U

Заряд одной обкладки

q = CU

Единицы

1 мкФ = 10⁻⁶ Ф; 1 нФ = 10⁻⁹ Ф

Нулевой суммарный заряд пары обкладок не означает незаряженного конденсатора.

Почему q не равно нулю при зарядах +q и −q?

В определении используется модуль заряда одной обкладки. Их противоположные заряды создают поле в зазоре.

02

Плоская модель: площадь и зазор

Для плоского конденсатора C = ε₀εᵣS/d, где S — площадь перекрытия обкладок, d — расстояние, ε₀ ≈ 8,85·10⁻¹² Ф/м. Формула предполагает небольшой зазор относительно размеров пластин и пренебрежение краевыми эффектами.

Удвоение площади удваивает C; удвоение зазора уменьшает C вдвое. Полное заполнение однородным линейным диэлектриком с εᵣ > 1 увеличивает ёмкость в εᵣ раз.

Плоская модель: площадь и зазор: сравнение
ИзменениеПри прочих равных
S → 2SC → 2C
d → 2dC → C/2
Вакуум заменили диэлектриком εᵣC → εᵣC
Изменили U при той же геометрииC прежняя в линейной модели

Ёмкость плоского конденсатора определяется геометрией и средой.

Что нужно перевести при площади 100 см²?

100 см² = 0,01 м². Перевод площади отличается от перевода длины, поскольку коэффициент возводится в квадрат.

Конденсаторы на электронной плате

Ёмкость реального конденсатора задаётся его устройством и материалом диэлектрика. Номинальные ёмкость и допустимое напряжение — разные характеристики.

Giovanna 27 · CC BY 4.0 · Источник. Без изменений.

Цифровой мультиметр

Некоторые мультиметры имеют режим измерения ёмкости. Измерять её как напряжение нельзя: нужно учитывать режим и подключение конкретного прибора.

André Karwath aka Aka · CC BY-SA 2.5 · Источник. Без изменений.

03

Подключение: сохраняется заряд или напряжение

Если конденсатор отключён и утечкой пренебрегают, модуль заряда q постоянен. Тогда при увеличении C напряжение U = q/C уменьшается. Если конденсатор остаётся подключённым к идеальному источнику, сохраняется U, а заряд q = CU изменяется.

Эти два опыта дают разные результаты. Фраза «вставили диэлектрик» недостаточна без указания подключения. Сам источник может отдавать или принимать заряд и энергию.

Изолированный конденсатор

q постоянно; U меняется

Подключённый к источнику

U постоянно; q меняется

Перед изменением геометрии или среды нужно определить, что сохраняет электрическая схема.

Почему при подключённом источнике q не сохраняется?

Обкладки обмениваются зарядом через цепь источника. Изолированной системой сам конденсатор не является.

04

Расчёт: проверяем масштаб

При S = 0,01 м², d = 0,001 м и εᵣ = 1 ёмкость C = 8,85·10⁻¹¹ Ф = 88,5 пФ. При U = 100 В заряд одной обкладки q = 8,85 нКл. Малое число в фарадах нормально для такой геометрии.

В интерактиве меняй S, d и εᵣ, затем сравни режимы постоянных q и U. Числа показывают результат формул; толщина пластин и изображённые знаки зарядов не задают реальный молекулярный масштаб.

Геометрия в СИ

S в м², d в м

Ёмкость

C = ε₀εᵣS/d

Режим схемы

q = CU или U = q/C

Приставки пико-, нано- и микро- отличаются на множители 1000.

Увеличивает ли диэлектрик число свободных электронов внутри зазора?

В идеальной модели он поляризуется; свободный ток через зазор не является причиной увеличения ёмкости.

Соберём главное

Шесть выводов

01Нулевой суммарный заряд пары обкладок не означает незаряженного конденсатора.
02Ёмкость плоского конденсатора определяется геометрией и средой.
03Перед изменением геометрии или среды нужно определить, что сохраняет электрическая схема.
04Приставки пико-, нано- и микро- отличаются на множители 1000.
05Формула плоского конденсатора использует площадь перекрытия обкладок.
06Реальные диэлектрики имеют ограничения по допустимому электрическому полю.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Что такое конденсатор?
2. Как определяется ёмкость конденсатора?
3. Какая единица ёмкости в СИ?
4. Какова ёмкость идеального плоского конденсатора?
5. Площадь пластин удвоили при прежнем зазоре. Что стало с C?
6. Зазор увеличили в 2 раза при прежней площади. Что стало с C?
7. При C = 2 мкФ и U = 100 В чему равен q?
8. Изолированный заряженный конденсатор полностью заполнили диэлектриком ε = 4. Что стало с U?
9. Конденсатор подключён к идеальному источнику постоянного U. Ввели диэлектрик ε = 4. Что стало с q?
10. От чего зависит C идеального линейного конденсатора?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 23. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 23. Конденсаторы. Электроёмкость конденсатора. Кл2.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

Дополнительная проверка: Диэлектрик в конденсаторе · OpenStax.

↑

Загрузка прогресса…