Определение емкости конденсаторов
В маленьком стакане может поместиться немного воды, а в большом — больше. Чем больше объем стакана, тем больше воды он может вместить. Таким образом, каждый стакан имеет емкость или размер, соответствующий его способности вмещать воду. Подобно стеклу, конденсаторы также могут накапливать электрические заряды и электрическую потенциальную энергию. Конденсатор Способность накапливать электрический заряд и электрическую потенциальную энергию называется емкость.
Факторы, влияющие на емкость
Способность стакана удерживать воду определяется его объемом. А что насчет конденсаторов, что определяет способность конденсатора накапливать электрический заряд?
На рисунке сбоку показан простой конденсатор, состоящий из двух проводящих пластин, разделенных определенным расстоянием. Перед подключением к источнику напряжения, например, к батарее, обе пластины не имеют электрического заряда. Затем одна из пластин подключается к положительному полюсу батареи, а другая — к отрицательному полюсу батареи с помощью кабеля.
После подключения к положительному полюсу батареи положительный заряд батареи притягивает отрицательно заряженные электроны к пластинам, так что электроны перемещаются к положительному полюсу батареи. Это приводит к тому, что пластины теряют электроны (отрицательный заряд) и накапливают протоны (положительный заряд), в результате чего пластины становятся положительно заряженными.
После подключения к отрицательному полюсу батареи положительный заряд на пластине притягивает отрицательно заряженные электроны на отрицательном полюсе батареи, так что электроны перемещаются к пластине. Это приводит к перегрузке пластины электронами, в результате чего пластина становится отрицательно заряженной. Процесс перемещения электронов между пластинами и батареей прекращается, когда разность потенциалов между двумя пластинами становится равной разности потенциалов между двумя полюсами батареи.
Как увеличить электрический заряд на обеих полюсах батареи? Другими словами, что нужно сделать, чтобы электроны перемещались к положительному полюсу батареи и от него? Перемещение электронов происходит только тогда, когда разность электрических потенциалов между двумя полюсами батареи больше, чем разность электрических потенциалов между двумя проводниками. Для того чтобы электрон снова переместился и электрический заряд в каждой полюсе батареи увеличился, используемую батарею заменяют другим источником напряжения с большей разностью электрических потенциалов. Перемещение электронов прекращается, когда разность потенциалов в источнике напряжения становится равной разности потенциалов конденсатора. Следовательно, если разность потенциалов в источнике напряжения больше, то и разность потенциалов конденсатора будет больше.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что чем больше электрический заряд, накопленный в каждой проводящей пластине, тем больше разность электрических потенциалов между двумя проводящими пластинами. Следовательно, электрический заряд (Q) пропорционален разности электрических потенциалов (V). Связь между электрическим зарядом и разностью электрических потенциалов представлена в следующем сравнении:
Q α V
Приведенные выше сравнения преобразуются в уравнения путем добавления константы C:
Q = CV или C = Q / V
Q = электрический заряд (кулон), V = разность электрических потенциалов или напряжение (вольт), C = постоянная, которая называется емкостью конденсатора.
Величина емкости не зависит от электрического заряда и электрического напряжения, а зависит от формы и размера проводящей пластины. Математическое доказательство зависимости емкости от формы и размера проводящей пластины приведено в разделе, посвященном параллельно-пластинчатому конденсатору. В этом разделе предполагается, что между двумя проводниками существует вакуум.
Емкость конденсатора также зависит от природы материала, находящегося между двумя проводящими пластинами. Материал, находящийся между двумя проводящими пластинами, называется диэлектриком. Емкость конденсаторов с диэлектриком подробно рассматривается в разделе... диэлектрические постоянные.
Единица емкости
Единицей измерения электрического заряда является кулон, а единицей измерения разности электрических потенциалов — вольт, что основано на приведенном выше уравнении емкости. Единицей измерения емкости является кулон на вольт (Кл/В), также называемый фарадом (Ф), который происходит от имени британского ученого Майкла Фарадея (1791–1867). Таким образом, 1 фарад = 1 кулон/вольт.
Предположим, что конденсатор имеет емкость 2 Фарада, это означает, что на одной из проводящих пластин конденсатора накапливается электрический заряд +2 Кулона, а на другой – -2 Кулона. При этом разность потенциалов между двумя проводящими пластинами составляет 1 Вольт. Если к конденсатору подключить батарею напряжением 12 Вольт, то на одной из проводящих пластин заряд Q = CV = (2) (12 Вольт) = +24 Кулона, а на другой – -24 Кулона.
Обратите внимание, что фарад — это огромная единица измерения емкости, поэтому его обычно используют в меньшей единице, а именно микрофарад, сокращенно мкФ (10).-6 фарада) или пикофарад, сокращенно pF (10-12 Фарад). Математические расчеты, показывающие, что Фарад является гигантской единицей, обсуждались в разделе, посвященном параллельно-пластинчатому конденсатору.
