Диэлектрики и емкость
Диэлектрики
Сделать конспект по плану:
1.Определение конденсатора. Основные составные элементы конденсатора, принцип его действия, перечертить рисунок (1.13);
2. Напряженность электрического поля; определение; формула;
3.Ёмкостью конденсатора; определение; формула;
4.Ток зарядки конденсатора; определение; сущность;
5.Ток разряда конденсатора; определение; сущность;
6.Саморазряд конденсатора; ток утечки конденсатора; определение; сущность;
7. Параллельное и последовательное соединение конденсатора, нарисовать схемы и формулы к ним.
Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками.
В ряде материалов, называемых диэлектриками, электрический ток не возникает. У таких материалов электрические заряды молекул прочно связаны внутримолекулярными силами, и свободных электронов очень мало.
Примеры.
К диэлектрикам относятся — мрамор, фарфор, слюда, стекло, эбонит, трансформаторное масло, кабельная бумага, резина, парафин и др.
В молекулах диэлектрика очень трудно отделить отрицательный заряд от положительного, но под действием сил электрического поля, внутренние молекулярные заряды упруго смещаются:
Š-Šположительные заряды — по направлению поля;
Š-Šотрицательные заряды — в обратном направлении.
Вывод.
Таким образом, диэлектрик в электрическом поле поляризуется:
-на поверхности диэлектрика, обращенной к положительно заряженному проводнику, образуется отрицательный заряд –Q,
-а на противоположной поверхности — положительный заряд +Q.
С устранением внешнего электрического поля эти заряды исчезают.
Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатором, а проводники — обкладками конденсатора.
Таким образом, конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд.
Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд.
Если два таких проводника соединить с полюсами источника электрической энергии, то между ними (и разделяющем их диэлектрике) создается электрическое поле.
Положим, что конденсатор, состоящий из двух металлических пластинА и Б, являющихся его обкладками, подключен к полюсам источника тока.
Если напряжение этого источника U, то очевидно, что обкладки конденсатора находятся под таким же напряжением U.
Электрическое поле, возникшее в диэлектрике конденсатора, характеризуется напряженностью Е. Пусть расстояние между обкладками конденсатора l (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Обкладки конденсатора
Напряженность электрического поля представляет собой отношение напряжения наобкладках к расстоянию между ними, т. е. E = U/l.
Если напряжение на обкладках конденсатора выражено в вольтах, а расстояние между параллельно расположенными обкладками — в метрах, то напряженность Е электрического поля в диэлектрике конденсатора выражается в вольтах на метр (В/м).
Правило. Чем больше напряжение на обкладках конденсатора, тем больше напряженность поля в его диэлектрике.
Обкладки конденсатора, соединенные с полюсами источника энергии, имеют положительный и отрицательный заряды.
Величины зарядов, равные между собой по абсолютной величине, пропорциональны напряжению U на обкладках конденсатора.
Значит, если величину заряда на одной из обкладок обозначить буквой Q, то можно написать следующее равенство:
Q = CU.
С = Q/U
В этом равенстве величина С является так называемой емкостью конденсатора.
Если заряд Q выражен в кулонах, а напряжение U в вольтах, то емкость конденсатора С выражается в фарадахФ.
1 Ф = 1 000 000 мкФ = 1012 пФ (пикфарад).
Емкость конденсатора зависит от обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости.
Правило.
Емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь S его обкладок и диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей их, а также, чем меньше расстояние между обкладками.
Конденсаторы используются для сдвига фаз при запуске асинхронных электродвигателей, в электромобилях – как источник питания двигателя. Конденсаторы применяют в усилителях высоких и низких частот, блоках питания, частотных фильтрах, усилителях звука, процессорах и микросхемах.
Заряд и разряд конденсатора
Подключаем конденсатор к источнику энергии — происходит заряд конденсатора до напряжения между обкладками U, равного напряжению источника Е.
Обкладка, соединенная с положительным полюсом источника, получит положительный заряд, вторая обкладка — равный по величине отрицательный заряд Q = CU.
Примечание. Для заряда конденсатора необходимо, чтобы одна из обкладок потеряла, а другая приобрела некоторое количество свободных электронов.
Электроны движутся от одной обкладки конденсатора на другую под действием напряжения источника. Движение этих зарядов называется током зарядки конденсатора.
С повышением напряжения на конденсаторе ток заряда уменьшается и постепенно становится равным нулю. В начальный момент заряда конденсатора напряжение на нем быстро возрастает, так как ток заряда имеет большую величину зарядов и происходит быстрое накопление зарядов на обкладках конденсатора.
С повышением емкости конденсатора возрастает количество зарядов, накапливаемых на его обкладках, а с увеличением сопротивления цепи уменьшается зарядный ток. Это замедляет накопление зарядов на этих обкладках.
Если заряженный конденсатор замкнуть на какое-либо сопротивление R, то под действием напряжения на конденсаторе будет протекать ток разряда конденсатора.
Разряд конденсатора сопровождается переносом электронов с одной пластины (где их избыток) на другую (где их недостаток). Он продолжается до тех пор, пока потенциалы обкладок не станут одинаковыми, т. е. напряжение на конденсаторе не уменьшится до нуля.
По мере понижения напряжения разрядный ток уменьшается, и перенос зарядов с одной обкладки на другую замедляется.
Продолжительность процесса разряда конденсатора зависит от сопротивления цепи и емкости конденсатора. Увеличение сопротивления и емкости увеличивает длительность разряда.
Примечание.
С повышением сопротивления разрядный ток уменьшается, замедляя перенос зарядов с одной обкладки на другую; с возрастанием емкости конденсатора увеличивается заряд на обкладках.
При неизменном напряженииток через конденсатор не проходит, конденсатор не пропускает постоянный ток, так как между его обкладками помещен диэлектрик.
При заряде конденсатор накапливает электрическую энергию, потребляя ее от источника. Накопленная энергия сохраняется некоторое время.
Чем больше емкость конденсатора и напряжение между его обкладками, тем больше энергия, накопленная им.
После заряда в конденсаторе определенное время сохраняется накопленная энергия, и напряжение на нем не меняется.
При длительном хранении конденсатор полностью разряжается. Это явление называется саморазрядом конденсатора.
Оно объясняется тем, что любой диэлектрик не идеальный изолятор и содержит небольшое количество свободных электронов.
Поэтому под действием разности потенциалов заряды переносятся с одной обкладки на другую, т. е. появляется тoк утечки. При большом токе утечки конденсатор считается неисправным.
Конденсаторы бывают полярные (рис. 1.15) и неполярные (рис. 1.14).
Для полярных конденсаторов при включении в схему важно строгое соблюдение полярности. Если его включить в сеть неправильно, то он не будет работать.
Рис. 1.14. Неполярные конденсаторы Рис. 1.15. Электролитические конденсаторы
(полярные)