Определение параллельно-пластинчатого конденсатора
Параллельно-пластинчатый конденсатор — это конденсатор, состоящий из двух параллельных проводящих пластин, каждая из которых имеет одинаковую площадь поперечного сечения (A) и разделена определенным расстоянием (d), как показано на рисунке слева. Одна из проводящих пластин заряжена положительно (+Q), а другая — отрицательно (-Q), где величина электрический заряд На каждой пластине заряд одинаков. Благодаря этому заряд не переходит к молекулам воздуха, конденсатор изолируется от окружающей среды, и между двумя пластинами образуется вакуум.
Разница в типах электрических зарядов на обеих пластинах проводника создает электрическое поле и разность электрических потенциалов между ними. Положительно заряженная пластина имеет более высокий электрический потенциал, а отрицательно заряженная — более низкий. Как объяснялось в разделе об электрическом потенциале, если между двумя пластинами конденсатора существует разность электрических потенциалов, то в конденсаторе накапливается электрическая потенциальная энергия. Электрическая потенциальная энергия, запасенная в конденсаторах, имеет множество применений.
Факторы, влияющие на емкость параллельно-пластинчатого конденсатора
Изначально конденсатор не заряжен электрическим током и не нейтрален. Для зарядки конденсатора его подключают к источнику напряжения, например, к батарее, с помощью кабеля. Одна из контактных пластин подключается к положительному полюсу батареи, а другая — к отрицательному полюсу.
Помните, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются. Электроны имеют отрицательный заряд и легко перемещаются, поскольку находятся на поверхности атома, тогда как протоны имеют положительный заряд и не могут двигаться, поскольку находятся в ядре атома. Если в проводящей пластине больше протонов, чем электронов, пластина имеет положительный заряд; наоборот, если количество электронов превышает количество протонов, пластина имеет отрицательный заряд.
После подключения конденсатора к батарее положительный полюс батареи заряжается положительно. Таким образом, он притягивает электроны к проводящей пластине, а отрицательный полюс батареи заряжается отрицательно и отталкивает электроны к проводящей пластине. Электрическое смещение между батареей и проводящей пластиной приводит к тому, что проводящая пластина теряет электроны, приобретая положительный заряд, и принимает электроны, приобретая отрицательный заряд. Движение электронов прекращается, когда разность электрических потенциалов между двумя проводящими пластинами становится равной разности электрических потенциалов между двумя полюсами батареи.
Функция конденсатора заключается в хранении электрического заряда и электрической потенциальной энергии . Величина способности конденсатора хранить электрический заряд и электрическую потенциальную энергию называется емкостью. Чем больше электричества хранится, тем больше запасенная электрическая потенциальная энергия, и тем больше емкость конденсатора. Какие факторы влияют на емкость параллельно-пластинчатого конденсатора?
Площадь поверхности проводящей пластины
Параллельно-пластинчатый конденсатор накапливает электрический заряд на пластинах проводника. Если площадь поверхности пластины мала, то накапливается мало электрического заряда, в противном случае, если площадь поверхности пластины велика, то накапливается много электрического заряда. Чем больше электрического заряда накапливается на пластине проводника, тем больше электрическая потенциальная энергия конденсатора. Следовательно, чем больше электрическая потенциальная энергия конденсатора, тем больше его емкость. На основании этого обзора можно сделать вывод, что емкость конденсатора (C) пропорциональна площади поверхности пластины проводника (A).
Расстояние между двумя проводящими пластинами
Перенос электронов прекращается, когда разность потенциалов между двумя проводящими пластинами становится равной разности потенциалов между двумя полюсами батареи. Как увеличить электрический заряд на обеих проводящих пластинах? Один из способов — уменьшить расстояние между двумя проводниками (минимизировать d). Когда два проводника сближаются, количество электрического заряда остается таким, что электрическое поле, создаваемое этим зарядом, остается постоянным. Исходя из уравнения V = E d, когда электрическое поле (E) постоянно, разность электрических потенциалов (V) уменьшается, если расстояние между двумя проводящими пластинами уменьшается (d).
Разность потенциалов между двумя проводящими пластинами уменьшается до тех пор, пока она не станет меньше разности потенциалов между двумя полюсами батареи. Это приводит к повторному перемещению электронов до тех пор, пока электрический заряд каждой проводящей пластины не увеличится. Перемещение электронов прекращается, когда разность потенциалов между двумя пластинами становится равной разности потенциалов между двумя полюсами батареи.
При уменьшении расстояния между двумя проводящими пластинами электрический заряд на каждой пластине увеличивается, так что электрическая потенциальная энергия конденсатора также увеличивается. Если электрическая потенциальная энергия конденсатора увеличивается, емкость конденсатора также увеличивается. При уменьшении расстояния заряд увеличивается, так что емкость увеличивается; при увеличении расстояния заряд уменьшается, так что емкость уменьшается. Можно сделать вывод, что емкость конденсатора (C) обратно пропорциональна расстоянию между двумя проводящими пластинами (d).
Уравнение емкости параллельно-пластинчатого конденсатора
Ранее были объяснены факторы, влияющие на емкость параллельно-пластинчатых конденсаторов. Значение емкости можно легко определить с помощью расчетов, используя уравнение. В разделе, посвященном определению электрического поля с помощью закона Гаусса, формула для расчета электрического поля вблизи электрически заряженной пластины проводника выглядит следующим образом: E = σ / εoгде σ = Q / A, так что уравнение электрического поля изменяется на E = Q/A: εo = Q/A x 1/εo = Q / A εoУравнение электрического потенциала имеет вид V = E d, где E = Q / A ε.o так что уравнение изменяется на V = Q d / A εoУравнение емкости имеет вид C = Q/V, где V = Q d / A ε.o так что уравнение емкости изменяется на C = Q: Q d / A εo = Q x A εo / Q d = A εo / д.
Исходя из уравнения емкости C = A ε o / d, можно заключить, что емкость (C) пропорциональна площади поверхности (A) и обратно пропорциональна расстоянию (d) между двумя проводящими пластинами.
E = электрическое поле, σ = плотность заряда, ε₀ = диэлектрическая проницаемость вакуума = 8.85 × 10⁻¹² Ф /м, Q = электрический заряд, A = площадь поверхности проводящей пластины, V = разность электрических потенциалов.
