Конденсаторы. Электрическая емкость.

Если увеличить электрический заряд проводника, то повысится его потенциал. Эта пропорциональная зависимость выражается формулой

Q=Cφ,

где С—коэффициент пропорциональности, называемый электрической емкостью.

Электрическая емкость проводника определяет величину заряда, которую необходимо сообщить проводнику для того, чтобы повысить его потенциал на один вольт.

Для создания электрической емкости применяют конденсаторы. Конденсатор в простейшем виде представляет собой систему из двух плоских металлических пластин, расположенных параллельно друг другу и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическая емкость конденсатора

Электрической емкостью конденсатора называется величина, численно равная количеству электричества, которое необходимо сообщить конденсатору для того, чтобы увеличить напряжение между его пластинами на один вольт.

В системе СИ за единицу измерения электрической емкости принят фарад.

Ф=1Кл/1В

Электрическая емкость конденсатора равна одному фараду, если при сообщении ему количества, электричества, равного одному кулону, напряжение между пластинами увеличивается на один вольт.

Фарад очень большая единица измерения. Дольными единицами фарада являются микрофарад—миллионная часть фарада (сокращенно обозначается, мкФ); пикофарад—миллионная часть микрофарада (сокращенно обозначается, пФ); 1Ф=10⁶ мкФ = 10¹² пФ; 1 мкФ = 10⁶ пФ = 10-⁶ Ф; 1 пФ = 10-⁶ мкФ = 10-¹² Ф.

Для того чтобы представить, какая большая единица измерения 1 Ф, приведем пример. Электрическая емкость земного шара меньше 1 Ф, она равна 709 мкФ, то есть 709·10-⁶ Ф. Если бы была возможность изготовить шар, имеющий электрическую емкость 1 Ф, то он имел бы радиус в 13 раз больше радиуса солнца (радиус солнца—695500 км).

Электрическая емкость плоского конденсатора определяется по формуле

где ε_α—диэлектрическая проницаемость диэлектрика, Ф/м; S—площадь одной пластины, м²; d—расстояние между пластинами, м.

Диэлектрической проницаемостью называется величина, характеризующая свойство диэлектрика поляризоваться и ослаблять силу взаимодействия между двумя зарядами, в пространстве между которыми находиться диэлектрик.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость диэлектрика определяется по формуле

где ε_о=8,85·10-¹² Ф/м—диэлектрическая проницаемость вакуума (ее также называют электрической постоянной); ε_r—относительная диэлектрическая проницаемость, представляющая отвлеченное число, которое показывает, во сколько раз диэлектрическая проницаемость данной среды больше диэлектрической проницаемости конденсатора.

Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха ε_r=1,0006. При выполнении расчетов ее принимают равной единице: ε_r=1,0. Относительные диэлектрические проницаемости некоторых материалов приведены в таблице.

Электрическая емкость конденсатора пропорциональна площади обкладок. Это объясняется тем, что чем больше площадь пластин, тем больше количество зарядов поместиться на них, так как при заряде конденсатора на каждой единице площади появляются электрические заряды. Электрическая емкость конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Это объясняется тем, что чем меньше расстояние между пластинами, тем больше взаимное влияние между противоположными зарядами и тем больше частичная нейтрализация зарядов на пластинах, что создает уменьшение электрического потенциала пластин, а следовательно, приводит к увеличению электрической емкости C=Q/U. Из сказанного ясно, что если между пластинами заряженного конденсатора с воздушным диэлектриком внести, например слюду ε_r=8,0, то в результате поляризации диэлектрика произойдет частичная нейтрализация зарядов на пластинах и уменьшиться потенциал положительной платины. Напряжение между обкладками конденсатора также уменьшиться, в результате чего увеличиться электрическая емкость и на обкладках конденсатора будут накапливаться электрические заряды при повышении разности потенциалов между платинами в 1 В.

Для увеличения электрической емкости конденсаторов их изготовляют многопластинчатыми.

Емкость таких конденсаторов определяется по формуле

где n—число пластин конденсатора.

Электрической емкостью обладают не только конденсаторы, но и линии передачи электрической энергии, все токоведущие участки электрических устройств, изолированные друг от друга и от земли. В кабельных, а также в воздушных длинных линиях емкость может достигать большой величины, и ее влияние необходимо учитывать в процессе проектирования.