Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора

1. Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора.

2. Цель урока

Познакомиться:
с понятием «электроемкость», «конденсаторы»;
с типами конденсаторов
с формулой электроемкости и энергии
заряженного конденсатора
с практическим применением конденсаторов

3. Задачи урока

Сформировать умения:
решать задачи на расчет различных
характеристик конденсаторов
выражать величину из формулы
производить математические расчеты

4. Электроемкость – величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд.

q
q
q
C
U
С – электроемкость, Ф
q – заряд одного из проводников, Кл
U – разность потенциалов между
проводниками, В
диэлектрик
на практике:
1 мкФ = 10-6 Ф
1 пФ = 10-12 Ф
R kC
ш
ш
Если емкость шара 1 фарад,
то радиус шара равен 9 млн.км.
проводник
Электроемкость зависит от:
1. геометрических размеров и формы проводников;
2. взаимного расположения проводников;
3. диэлектрической проницаемости

5. История создания конденсатора

В 1745 году
в Лейдене немецкий физик
Эвальд Юрген фон Клейст
и голландский физик
Питер ван Мушенбрук
создали первый
конденсатор
«лейденскую банку».
1692-1761

6. Конденсатор – система двух разноименно заряженных проводников, разделенных диэлектриком

Типы конденсаторов
постоянной и переменной емкости и различаются по
роду диэлектрика между пластинами
бумажные, керамические, воздушные …

7. Плоский конденсатор - две заряженные параллельные пластины, находящиеся на малом расстоянии

- - - - - - - - - - - d
диэлектрик
+ + + + + + + + + +
C
S
0
С – электроемкость плоского
конденсатора, Ф
ε – диэлектрическая проницаемость
ε0 - электрическая постоянная, Ф/м
S - площадь пластины конденсатора, м2
d - расстояние между пластинами, м
d
Электроемкость плоского конденсатора прямо
пропорциональна площади пластины конденсатора и
обратно пропорциональна расстоянию между
пластинами

8. Шаровой конденсатор

R2
_
_
+
R1
_
Электрическое поле
сосредоточено внутри
конденсатора
_
R
R
C 4
R R
1
2
0
2
1

9. Последовательное соединение

С1
+
С2
_
+
U2
U1
+
_
C
_
q q q
1
2
U U U
q q1 q2
C C1 C 2
1
2
U
d↑ , следовательно , С↓
1 1 1
C C C
1
2

10. Параллельное соединение

С1 +
+
q q q
_
q1
C
2
U U U
_
1
С2
+
1
2
q2
CU C U C U
_
1
1
2
q
S↑, следовательно, С↑
C C C
1
2
2

11. Соединение конденсаторов одноименными полюсами

+
С1
-
Соединение конденсаторов
одноименными полюсами
q C1U 1 C 2U 2
+
С2
-
C C C
1
C U C U
q
U
C
C
C
1
1
2
1
2
2
2

12. Соединение конденсаторов разноименными полюсами

+
С1
-
Соединение конденсаторов
разноименными полюсами
q C1U 1 C 2U 2
С2
+
C C C
1
C U C U
q
U
C
C
C
1
1
2
1
2
2
2

13. Энергия заряженного конденсатора

2
qU
q
CU
W
2
2 2C
2
W – энергия заряженного конденсатора
(энергия электрического поля), Дж
q - заряд пластины конденсатора, Кл
U - разность потенциалов, В
С – электроемкость конденсатора, Ф

14. Плотность энергии конденсатора

W
V
E
2
0
2
ω – плотность энергии, Дж/м3
V – объем, м3
Е – напряженность, В/м

15. Применение конденсаторов

в радиотехнике, в
автоматизации
производственных
процессов, в
вычислительной
технике и т.д.
используется
свойство
накапливать и
сохранять заряд

16. Применение конденсаторов

Петличный микрофон.
Микрофон конденсаторный.
Студийный
конденсаторный
направленный микрофон
широкого применения.

17.

Применение конденсаторов
Лампа фотовспышки.
Батарея конденсаторов
Светильники с
разрядными лампами.

18.

Металлопленочные конденсаторы
обладают неограниченной
возможностью
самовосстановления. Таким
образом, возможность короткого
замыкания практически
исключается. Конденсаторы
устойчивы к большим импульсным
токам и высокому уровню
пульсаций.
Применяются в мобильных
телефонах, персональных
компьютерах, телевизорах,
электронных балластах и
автомобильной электронике.

19. Применение конденсаторов

в компьютерной технике –
клавиатура (зависимость емкости
от расстояния между пластинами)
На тыльной стороне клавиши одна
пластина конденсатора, а на
плате,- другая. Нажатие клавиши
изменяет емкость конденсатора.

20. Электролитические конденсаторы

Полимерные конденсаторы
с твердым электролитом
на чипсете

21.

Отличительными
чертами алюминиевых
электролитических
конденсаторов является большая
удельная емкость на единицу
объема (произведением CV) и
прекрасная работа при повышенных
токах. Поэтому они незаменимые
компоненты в цепях постоянного
тока тяговых устройств, в составе
преобразователей частоты, в схемах
электронных балластов, в ИБП
(источниках бесперебойного
питания) и импульсных
преобразователях напряжения, в
студийных лампах-вспышках и в
автомобильной электронике.

22. Решение задач

1. Определите толщину диэлектрика
конденсатора, электроемкость которого 1400
пФ, площадь пластин 1,4 ·10-3 м2. Диэлектрик –
слюда (ε=6).
2. Разность потенциалов 150 В между пластинами
плоского конденсатора. Площадь каждой
пластины 1,2·10-2 м2, заряд 5 нКл. На каком
расстоянии друг от друга находятся пластины?

23.

Дано:
Решение:
С=1400 ·10-12Ф
S=1,4 ·10-3 м2
ε=6
ε0=8,85·10-12 Ф/м
C
S
d
S
0
d
0
C
d-?
6 8,85 10 Ф 1,4 10 м
м
0,0053мм
d
1400 10 Ф
3
12
2
12
Ответ: d = 5,3 мкм

24.

Дано:
U=150 В
S=1,2·10-2 м2
q=5·10-9 Кл
ε=1
ε0=8,85·10-12Ф/м
Решение:
C
S
0
d
d
S
0
C
q
5
10
Кл
0,33 10 Ф
C
U
150В
9
9
1 8,85 10 Ф 1,2 10 м
S
м
d
C
0,033 10 Ф
0,32 10 м 3,2 мм
12
d-?
0
9
2
Ответ: d=3,2 мм
2
2

25. Решение задач

3. Площадь пластин
плоского воздушного
конденсатора равна
10-2 м2, расстояние
между ними 5 мм. До
какой разности
потенциалов был
заряжен конденсатор,
если при его разрядке
выделилось 4,2·10-3
Дж энергии?

26.

Дано:
Решение:
W CU
2
U 2W
C
S=10-2 м2
2
S
d=5 мм=5·10-3м
C
d
ε=1
ε0=8,85·10-12Ф/м
1 8,85 10 Фм 10 м
1,77 10 Ф
C
-3
W=4,2·10 Дж
5 10 м
0
12
2
2
11
3
U-?
Дж
2
4
,
2
10
2,2 10 В
U
1,77 10 Ф
3
4
11
Ответ:
U 2,2 10 В
4

27. Как изменится электроемкость плоского воздушного конденсатора, если расстояние между его пластинами увеличить в 2 раза?

1. Уменьшится в 2 раза
2. Уменьшится в 4 раза
3. Увеличится в 4 раза
4. Увеличится в 2 раза

28. Как изменится электроемкость плоского воздушного конденсатора, если площадь его пластин увеличить в два раза, а расстояние

между ними уменьшить в 2 раза?
1. Не изменится
2. Уменьшится в 4 раза
3. Увеличится в 4 раза
4. Увеличится в 2 раза

29. Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменятся при увеличении зазора между обкладками конденсатора

три величины:
- емкость конденсатора;
- величина заряда на обкладках
конденсатора;
- разность потенциалов между
ними.
1. увеличится; 2. уменьшится; 3. не изменится

30. Плоский воздушный конденсатор зарядили до некоторой разности потенциалов и отключили от источника тока. Для каждой величины -

заряд на обкладках конденсатора
- электроемкость конденсатора
-энергия электрического поля
конденсатора
определите соответствующий характер
изменения:
1. увеличится; 2. уменьшится; 3. не изменится.

31.

Плоский конденсатор отключили от
источника тока, а затем увеличили
расстояние между его пластинами. Что
произойдет при этом
- с зарядом конденсатора
- с электроемкостью конденсатора
- с напряжением на его обкладках?
Для каждой величины определите
соответствующий характер изменения:
1. увеличится; 2. уменьшится; 3. не изменится.

32. Определите электроемкость батареи состоящей из четырех одинаковых конденсаторов электроемкостью С.

1
С
С
С
С
1.
2.
2
С
С
3.
4.
5.
6.
С
С
С/4
С
2С/5
4С/3
3С/5
3С/4