 |
Тема 5. Емкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов в батарею.
|
|
|
|
5.1 Электроемкость характеризует способность проводников или системы из нескольких проводников накапливать электрические заряды.
Различают электроемкость уединенного проводника, системы проводников (в частности, конденсаторов).
Уединенным называется проводник, расположенный вдали от других заряженных и незаряженных тел так, что они не оказывают на этот проводник никакого влияния.
Электроемкость уединенного проводника — физическая величина, равная отношению электрического заряда уединенного проводника к его потенциалу С =q/ φ
В СИ единицей электроемкости является Фарад (Ф).
1 Ф очень большая единица емкости, применяют дольные единицы:
1 пФ (пикоФарад) = 10-12Ф, 1 нФ (наноФарад) = 10-9Ф, 1 мкФ (микроФфарад) = 10-6Ф и т.д.
Электроемкость проводника не зависит от рода вещества и заряда, но зависит от его формы и размеров, а также от наличия вблизи других проводников или диэлектриков.
Обычно на практике имеют дело с двумя и более проводниками, тк. их электрическая емкость больше,чем у уединенного проводника.
Два проводника, разделенных слоем диэлектрика называются конденсатором.
Конденсатор — это прибор, служащий для накопления электрических зарядов (эл.энергии).
Самый простой конденсатор — плоский (две пластины, разделенные диэлектриком — воздухом, промасленнойбумагой и т.п.) При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников.
Обкладкам конденсатора сообщают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды, что способствует накоплению зарядов, так как разноименные заряды притягиваются и поэтому располагаются на внутренних поверхностях пластин. Под зарядом конденсатора понимают заряд одной пластины.
|
|
|
Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками: С =q/ Δφ
Для плоского конденсатора емкость можно вычислить по формуле C = ε0 ε S/d
где S - площадь пластины (обкладки),
d - расстояние между пластинами,
ε - диэлектрическая проницаемость вещества, находящегося между обкладками конденсатора,
ε0 = 8,85 *10-12 Ф/м — электрическая постоянная
Таким образом, емкость плоского конденсатора зависит от площади обкладок, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками конденсатора, но не зависит от материала, из которого эти пластины изготовлены.
Энергия заряженного конденсаторв E эл.= CU2/2 =q2/(2C)
Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:
1. по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;
2. по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;
3. по типу диэлектрика — воздушные, бумажные, слюдяные, керамические, электролитические и т.д.
Соединение конденсаторов
Для получения необходимой емкости конденсаторы соединяют между собой в батареи, применяя при этом параллельное, последовательное и смешанное соединения.
При параллельном соединении конденсаторов соединяются между собой одноименные обкладки в один узел,.
Общий заряд равен алгебраической сумме зарядов каждой из обкладок отдельных конденсаторов: q=q1+q2+q3
Разность потенциалов между обкладками всех конденсаторов одинакова: U=U1=U2=U3
Емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. C = C1+C2+C3
Если между обкладками плоского конденсатора находятся два различных диэлектрика, причем первый занимает часть площади S1 а второй — часть площади S2 (например, воздушный конденсатор частично погружен в керосин, то такую систему можно рассматривать как два параллельно соединенных конденсатора.
|
|
|
При последовательном соединении конденсаторов между собой соединяются разноименные обкладки..
Заряды всех обкладок будут одинаковыми (по величине) q=q1=q2=q3
Напряжение на батарее равно сумме напряжений на всех конденсаторах: U=U1+U2+U3
Величина, обратная емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов. 1/C = 1/C1+1/C2+1/C3
Задачи:
1. Наибольшая емкость конденсатора 60 мкФ. Какой заряд он накопит при подключении источника постоянного напряжения 60В?
2.При введении в пространство между пластинами воздушного конденсатора твердого диэлектрика напряжение на конденсаторе уменьшилось с 400 до 100 В. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика?
3. Емкость батареи конденсаторов, образованной двумя последовательно включенными конденсаторами, 100 пФ, а заряд 20 нКл. Определите емкость второго конденсатора, а также разность потенциалов на обкладках каждого из них, если емкость первого 200 пФ.
4.Определите емкость батареи конденсаторов, изображенной на рисунке. Емкость каждого конденсатора 10 мкФ.
5.Конденсатору емкостью 20 мкФ сообщили заряд 5 мкКл. Какова энергия заряженного конденсатора?
Тема 6. Постоянный электрический ток. Законы Ома для участка и для полной цепи. Короткое замыкание.
6.1. Электрический ток - это направленное движение свободных, заряженных частиц, под действием электрического поля.
УСЛОВИЯ:
1.Проводник (свободные заряды) Свободные заряды являются носителями тока.
2. Электрическое поле. Эл.поле необходимо для того, чтобы привести в движение свободные заряды.
Оба эти условия, являются необходимыми для создания тока. Если не выполняется хоть одно условие – тока в цепи не будет.
Основными характеристиками тока и цепи являются:
- напряжение- разность потенциалов между концами проводника(U - единицы измерения В)
- сопротивление(характеристика самой цепи)-величина, характеризующая противодействие проводника прохождению по нему электрического тока(R - единицы измерения Ом)
|
|
|
- сила тока - заряд проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени (I – единицы измерения А)
Если сила тока со временем не изменяется, электрический ток называют постоянным током.
Участком цепи называется часть, фрагмент цепи, для которого не обязательно известно откуда возникло напряжение на зажимах
Закон Ома для участка цепи.
Сила тока в цепи пропорциональна напряжению на концах участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка. I= U/R
6.2.Простейшая полная цепь постоянного тока состоит из источника тока и нагрузки (резистора). Такая цепь обязательно замкнутая.
Источник тока - это устройство в котором происходит разделение зарядов за счет работы сторонних сил, имеющих неэлектрическую природу(например химические, механические).
Основная характеристика источника - его электродвижущая сила – ЭДС. Она равна максимальному напряжению, которое создает источник в цепи.
Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением.
Электрическое сопротивление всей цепи без источника питания называется внешним сопротивлением цепи. Соответствующие напряжения называются внутренним и внешним напряжением в цепи, а участки- внешним и внутренним участками цепи.
Закон Ома для полной цепи. I = ε / (R + r)
Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи.
При замыкании источника питания самого на себя(накоротко) возникает короткое замыкание. При этом сила тока возрастает в несколько раз. Iкз = ε /r
Задачи:
1. Сопротивление источника тока 0,5 Ом, его ЭДС 24 В. Определите ток возникнет в цепи при подключении нагрузки 9,5 Ом.
2. Источник тока с внутренним сопротивлением 1 Ом, присоединенный к цепи с сопротивлением 5 Ом дает ток 0,2 А. Определите ЭДС источника тока, напряжение на внешнем участке цепи и силу тока при коротком замыкании.
3. К источнику тока с ЭДС 16 В и внутренним сопротивлением 0,5 Ом подключено внешнее сопротивление. Чему оно равно, если сила тока при этом равна 2 А? Определите внутреннее и внешнее напряжение в цепи.
|
|
|
4. Батарея сЭДС 30 В создает ток 3 А. Напряжение на зажимах цепи 20 В. Найдите сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление батареи.
5. ЭДС батарейки 1,5 В. Ток короткого замыкания равен 30 А. Чему равно внутреннее сопротивление батарейки? Каким будет напряжение на его полюсах, если подключить нагрузку сопротивлением 1 Ом?
|
|
|
