Dom / Multimedia / Ładunek elektryczny na jednej płycie.

Ładunek elektryczny na jednej płycie.

Niektóre z najczęściej używanych komponentów elektronicznych to kondensatory... W tym artykule musimy dowiedzieć się, z czego się składają, jak działają i do czego służą 🙂

Rozważmy najpierw układ kondensatorów, a następnie płynnie przejdziemy do ich głównych typów i charakterystyk, a także do procesów ładowania / rozładowywania. Jak widać, dzisiaj musimy przestudiować wiele interesujących punktów мом

Tak więc najprostszy kondensator składa się z dwóch płaskich płytek przewodzących, umieszczonych równolegle do siebie i oddzielonych warstwą dielektryczną. Ponadto odległość między płytami powinna być znacznie mniejsza niż w rzeczywistości wymiary płyt:

Takie urządzenie nazywa się płaski kondensatori talerze - płytki kondensatorów... Warto wyjaśnić, że tutaj rozważamy już naładowany kondensator (proces ładowania zbadamy nieco później), to znaczy pewien ładunek koncentruje się na płytach. Co więcej, najciekawszy jest przypadek, gdy ładunki płyt kondensatora są takie same pod względem wielkości i przeciwne w znaku (jak na rysunku).

A ponieważ ładunek jest skoncentrowany na płytkach, powstaje między nimi pole elektryczne, pokazane strzałkami na naszym schemacie. Pole płaskiego kondensatora koncentruje się głównie między płytami, jednak w otaczającej przestrzeni pojawia się również pole elektryczne, które nazywane jest polem rozproszonym. Bardzo często lekceważy się jego wpływ na zadania, ale nie należy o nim zapominać 🙂

Aby określić wielkość tego pola, rozważ inną schematyczną reprezentację płaskiego kondensatora:

Każda z płytek kondensatora z osobna wytwarza pole elektryczne:

Wyrażenie na natężenie pola równomiernie naładowanej płytki jest następujące:

Oto gęstość ładunku powierzchniowego: A jest stałą dielektryczną dielektryka znajdującego się między płytami kondensatora. Ponieważ obszar płyt kondensatora jest dla nas taki sam, jak wielkość ładunku, wówczas moduły natężenia pola elektrycznego są sobie równe:

Ale kierunki wektorów są różne - wewnątrz kondensatora wektory są skierowane w jednym kierunku, a na zewnątrz - w przeciwnym. Tak więc wewnątrz płyt wynikowe pole jest określane w następujący sposób:

A jaka będzie wielkość napięcia poza kondensatorem? I wszystko jest proste - po lewej i prawej stronie płytek pola płyt kompensują się, a wynikowa intensywność wynosi 0 🙂

Procesy ładowania i rozładowywania kondensatorów.

Wymyśliliśmy urządzenie, teraz zastanówmy się, co się stanie, jeśli podłączysz źródło prądu stałego do kondensatora. Zgodnie z zasadami obwody elektryczne kondensator jest oznaczony w następujący sposób:

Więc połączyliśmy płytki kondensatora z biegunami źródła prądu stałego. Co się stanie?

Wolne elektrony z pierwszej płytki kondensator pędzić do dodatniego bieguna źródła, w związku z czym na płytce zabraknie ujemnie naładowanych cząstek i zostanie naładowany dodatnio. W tym samym czasie elektrony z bieguna ujemnego źródła prądu przesuną się na drugą płytkę kondensatora, w wyniku czego pojawi się na niej nadmiar elektronów, odpowiednio, płytka zostanie naładowana ujemnie. W ten sposób na płytkach kondensatora powstają ładunki o różnych znakach (to przypadek, który rozważaliśmy w pierwszej części artykułu), co prowadzi do pojawienia się pola elektrycznego, które utworzy pewne pole między płytami kondensatora. Proces ładowania będzie kontynuowany, aż ta różnica potencjałów zrówna się z napięciem źródła prądu, po czym proces ładowania się zakończy, a ruch elektronów wzdłuż obwodu ustanie.

Po odłączeniu od źródła kondensator może zachować nagromadzone ładunki przez długi czas. W związku z tym naładowany kondensator jest źródłem energii elektrycznej, co oznacza, że \u200b\u200bmoże dostarczać energię do obwodu zewnętrznego. Stwórzmy prosty obwód, po prostu łącząc ze sobą płytki kondensatora:

W takim przypadku obwód zacznie płynąć prąd rozładowania kondensatora, a elektrony zaczną przesuwać się z ujemnie naładowanej płytki do dodatniej. W rezultacie napięcie na kondensatorze (różnica potencjałów między płytami) zacznie się zmniejszać. Proces ten zakończy się w momencie, gdy ładunki płyt kondensatora zrównają się, odpowiednio, pole elektryczne między płytami zniknie, a prąd przestanie płynąć przez obwód. W ten sposób rozładowuje się kondensator, w wyniku czego całą zgromadzoną energię oddaje do obwodu zewnętrznego.

Jak widać, nie ma tu nic trudnego 🙂

Pojemność i energia kondensatora.

Najważniejszą cechą jest pojemność elektryczna kondensatora - wielkość fizyczna, którą definiuje się jako stosunek ładunku kondensatora jednego z przewodników do różnicy potencjałów między przewodami:

Pojemność zmienia się w faradach, ale wartość 1 F jest dość duża, dlatego najczęściej pojemność kondensatorów mierzy się w mikrofaradach (μF), nanofaradach (nF) i pikofaradach (pF).

A ponieważ wyprowadziliśmy już wzór na obliczenie napięcia, wyrażmy napięcie na kondensatorze w następujący sposób:

Tutaj mamy - jest to odległość między płytami kondensatora i - ładunek kondensatora. Zastąp tę formułę wyrażeniem określającym pojemność kondensatora:

Jeśli mamy powietrze jako dielektryk, to we wszystkich formułach możemy go zastąpić

Dla zmagazynowanej energii kondensatora obowiązują następujące wyrażenia:

Oprócz pojemności kondensatory charakteryzują się jeszcze jednym parametrem, a mianowicie wielkością napięcia, które może wytrzymać jego dielektryk. Jeśli napięcie jest zbyt wysokie, elektrony dielektryka odrywają się od atomów i dielektryk zaczyna przewodzić prąd. Zjawisko to nazywa się awarią kondensatora, w wyniku czego płytki są ze sobą zamknięte. W rzeczywistości charakterystyką często używaną podczas pracy z kondensatorami nie jest napięcie przebicia, ale napięcie robocze - to znaczy wartość napięcia, przy której kondensator może pracować w nieskończoność i nie nastąpi awaria.

Ogólnie rzecz biorąc, dzisiaj rozważaliśmy podstawowe właściwości kondensatorów, ich konstrukcję i właściwości, więc to kończy artykuł, aw następnym omówimy różne opcje podłączenia kondensatorów, więc odwiedź naszą stronę ponownie!

Jak wiecie, wokół naładowanych ciał istnieje pole elektryczne, które zawiera energię.

Czy można gromadzić ładunki i energię pola elektrycznego? Urządzeniem pozwalającym na kumulację ładunków jest kondensator (od Lat.condensare - kondensacja). Najprostszy płaski kondensator składa się z dwóch identycznych metalowych płytek - płytek, umieszczonych na krótki dystans od siebie i oddzielone warstwą dielektryka, np. powietrza (Rys.83). Grubość dielektryka jest niewielka w porównaniu z wymiarami płyt.

Postać: 83. Najprostszy kondensator i jego oznaczenie na schemacie

Pokażmy z doświadczenia zdolność kondensatora do magazynowania ładunków. W tym celu należy podłączyć dwie metalowe płytki do różnych biegunów maszyny elektroforetycznej (rys. 84). Płytki otrzymają ładunki o tym samym module, ale innym znaku. Pojawi się pole elektryczne. Pole elektryczne kondensatora jest praktycznie skoncentrowane pomiędzy płytkami wewnątrz kondensatora.

Postać: 84. Ładowanie kondensatora z maszyny elektrycznej

Po wyłączeniu maszyny elektrycznej ładunki na płytach i pole elektryczne między nimi pozostaną.

Jeśli płytki naładowanego kondensatora są połączone przewodnikiem, przez pewien czas płynie prąd. Oznacza to, że naładowany kondensator jest źródłem prądu.

W zależności od dielektryka istnieje kilka typów kondensatorów: z dielektrykiem stałym, ciekłym i gazowym. Wyróżnia je również kształt płytek: płaskie, cylindryczne, kuliste itp. (Ryc. 85).

Postać: 85. Różne typy kondensatorów

Właściwość kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych charakteryzuje się pojemność elektrycznalub pojemność. Aby zrozumieć, od czego zależy ta wielkość fizyczna, przejdźmy do doświadczenia.

Łączymy dwie metalowe płytki, zamocowane na równoległych do siebie wspornikach izolacyjnych, za pomocą elektrometru. Jedną z płytek łączymy z prętem elektrometru, drugą uziemiamy, łącząc ją z korpusem urządzenia (ryc. 86, a). Dotknijmy zewnętrznej strony płyty A naelektryzowaną kulką, nadając jej w ten sposób ładunek dodatni + q. Pod działaniem pola elektrycznego płyty A nastąpi redystrybucja ładunków w płycie B: ładunki ujemne będą znajdować się po wewnętrznej stronie płytki. Wolne elektrony będą pochodzić z ziemi, aby zneutralizować dodatnie ładunki na zewnątrz płytki B. W ten sposób na płycie B. pojawi się równy ładunek ujemny -q

Postać: 86. Zależność pojemności kondensatora od powierzchni, odległość między płytami, dielektryk między płytami

Igła elektrometru odchyli się od położenia zerowego. Za pomocą jednakowo naładowanych kulek będziemy nadal przekazywać ładunki do kondensatora w kolejnych równych porcjach. Zauważymy, że wraz ze wzrostem ładunku odpowiednio o 2, 3, 4 razy, odpowiednio o 2, 3, 4 razy, odczyty elektrometru wzrosną, tj. Wzrośnie napięcie między płytami kondensatora. Ponadto stosunek ładunku do napięcia pozostanie stały:

Wartość mierzona jako stosunek ładunku jednej z płytek kondensatora do napięcia między płytami nazywana jest pojemnością kondensatora.

Pojemność kondensatora oblicza się według wzoru:

Farad (F) jest traktowany jako jednostka pojemności w SI, nazwa została nadana na cześć angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Pojemność kondensatora jest równa jedności, jeśli po nadaniu mu ładunku 1 C pojawia się napięcie 1 V.

1 F to bardzo duża pojemność, dlatego w praktyce stosuje się mikrofarad (μF) i pikofarad (pF).

1 μF \u003d 10-6 F; 1 pF \u003d 10-12 F.

Dowiedzmy się, od czego zależy pojemność skraplacza. Aby to zrobić, weź kondensator z płytkami o dużej powierzchni (ryc. 86, b). Powtórzmy to doświadczenie. W tym przypadku stosunek ładowania do napięcia pozostaje stały

ale stosunek ładunku do napięcia jest teraz większy niż w pierwszym eksperymencie, czyli C1\u003e C. Im większy obszar płytki, tym większa pojemność kondensatora.

Ponownie wykonamy pierwszy eksperyment, ale teraz zmienimy odległość między płytami (ryc. 86, c). Wraz ze zmniejszaniem się odległości między płytami zmniejsza się naprężenie między nimi. Wraz ze spadkiem odległości między płytami kondensatora przy stałym ładunku zwiększa się pojemność kondensatora.

Zróbmy jeszcze jeden eksperyment. Zainstalujmy płytki kondensatora A i B w pewnej odległości od siebie. Ładujemy płytę A. Zwróć uwagę na odczyty elektrometru, gdy między płytami jest powietrze. Między płytami umieszczamy arkusz pleksiglasu lub inny dielektryk (ryc. 86, d). Zauważymy, że napięcie między płytami zmniejszy się. Dlatego pojemność kondensatora zależy od właściwości wprowadzonego dielektryka.

Po wprowadzeniu dielektryka zwiększa się pojemność kondensatora.

Kondensator, jak każde naładowane ciało, ma energię. Sprawdźmy to z doświadczenia. Naładujmy kondensator i podłączmy do niego żarówkę. Światło będzie jasno migać. Oznacza to, że naładowany kondensator ma energię. Energia z kondensatora jest zamieniana na energię wewnętrzną z żarnika lampy i przewodów. Aby naładować kondensator, należało wykonać pracę, aby oddzielić ładunki dodatnie i ujemne. Zgodnie z prawem zachowania energii, wykonana praca A jest równa energii kondensatora E, tj.

gdzie E jest energią kondensatora.

Pracę wykonywaną przez pole elektryczne kondensatora można znaleźć za pomocą wzoru:

gdzie Uav jest średnią wartością napięcia.

Ponieważ napięcie nie pozostaje stałe podczas procesu rozładowania, konieczne jest znalezienie średniej wartości napięcia:

Uav \u003d U / 2; wtedy A \u003d qU cf \u003d qU / 2,
ponieważ q \u003d CU, to A \u003d CU 2/2.

Oznacza to, że energia kondensatora o pojemności C będzie równa:

Kondensatory mogą przechowywać energię przez długi czas, a po rozładowaniu oddają ją niemal natychmiast. Właściwość kondensatora do gromadzenia i szybkiego uwalniania energii elektrycznej jest szeroko stosowana w elektrotechnice i urządzenia elektryczne, w technice medycznej (sprzęt rentgenowski, aparaty do elektroterapii), w produkcji dozymetrów, fotografii lotniczej.

pytania

Do czego służą kondensatory?
Co charakteryzuje pojemność kondensatora?
Jaka jest jednostka pojemności elektrycznej w układzie SI?
Co decyduje o pojemności kondensatora?

Ćwiczenie 38

Płytki płaskiego kondensatora są podłączone do źródła napięcia o wartości 220 V.Pojemność kondensatora wynosi 1,5 10-4 μF. Ile będzie równe ładunek kondensatora?
Ładunek płaskiego kondensatora wynosi 2,7 10-2 C, jego pojemność wynosi 0,01 μF. Znajdź napięcie między płytkami kondensatora.

Zadanie

Korzystając z Internetu, dowiedz się, jak został ułożony pierwszy kondensator - bank Leyden. Zrób to.
Przygotuj rozmowę o historii kondensatora.

1.250V. 2,55V. 3,10V. 4.45V.

Pytanie 2.

Jak nazywa się wyładowanie, które zachodzi w rurze gazowej przy niskich ciśnieniach?

1. Dugovoi. 2. Tlący się. 3. Spark. 4. Korona. 5. Plazma.

Pytanie 3.

Jak nazywa się proces emisji elektronów przez rozgrzaną metalową katodę?

1. Elektroliza. 2. Dysocjacja elektrolityczna.

3. Emisja termionowa. 4. Jonizacja udarowa.

Pytanie 4.

Jakie jest pole elektromagnetyczne indukcji w przewodniku o długości 2 m poruszającym się w polu magnetycznym z

B \u003d 10 T przy prędkości 5 m / s wzdłuż linii indukcji magnetycznej.

1.0V. 2,10 V 3,50 V 4,100 V.

Pytanie 6.

Określić indukcyjność cewki, jeśli przechodząc przez nią prąd elektryczny przy sile 5 A w pobliżu cewki powstaje strumień magnetyczny o mocy 100 W.

1,4 G. 2.5 Mr. 3.20 Mr. 4,100 G.

Pytanie 7.

Co to jest energia pole magnetyczne cewki o L \u003d 200 mH z prądem równym 5A?

1. 0,025 J. 2. 0,25 J. 3. 2,5 J. 4,25 J.

Pytanie 9.

Kiedy rama obraca się w polu magnetycznym, na jej końcach pojawia się pole elektromagnetyczne, które zmienia się w czasie zgodnie z prawem: e \u003d 10 sin 8 t. Jaka jest maksymalna wartość pola elektromagnetycznego, jeśli wszystkie wartości w równaniu są podane w SI?

1,4 V 2,5 V 3,8 V 4,10 V.

Pytanie 10.

Efektywna wartość napięcia w odcinku obwodu prądu przemiennego wynosi 100 V. Jaka jest w przybliżeniu wartość szczytowa napięcia w tym odcinku?

1.100 V. 2. Około 142 V. 3. 200 V. 4. Około 284 V.

Pytanie 11.

Obwód oscylacyjny jest podłączony do: źródła prądu przemiennego. W jakich warunkach powstaje rezonans w tym obwodzie oscylacyjnym?

1. Jeżeli częstotliwość źródła prądu przemiennego jest mniejsza niż częstotliwość jego własnego

2. Jeżeli częstotliwość źródła prądu przemiennego jest równa częstotliwości własnej

obwód oscylacyjny.

3. Jeżeli częstotliwość źródła prądu przemiennego jest większa niż częstotliwość jego własnego

oscylacje obwodu oscylacyjnego.

Pytanie 12.

Na jakim zjawisku fizycznym opiera się zasada działania transformatora?

1. O tworzeniu pola magnetycznego przez poruszanie się ładunki elektryczne.

2. O tworzeniu pola elektrycznego przez przemieszczanie ładunków elektrycznych.

3. O zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

Pytanie 13.

Gdzie będą kierowane linie natężenia wiru pola elektrycznego wraz ze wzrostem pola magnetycznego?

Pytanie 14.

Wibratory nadawczo-odbiorcze Hertz są wzajemnie prostopadłe. Czy wibracje będą występować w wibratorze odbierającym?

1. Tak, bardzo mocne. 2. Tak, ale słabo. 3. Nie powstanie.

Pytanie 15.

Jakie urządzenie w odbiorniku A.S. Popova służy jako czuły wskaźnik fal elektromagnetycznych?

1. Antena. 2. Coherer. 3. Elektromagnes.

4. Uziemienie. 5. Cewka. 6. Zasilanie bateryjne.

Pytanie 16.

Dlaczego szczelina powietrzna między zworą a cewką indukcyjną generatora stara się być jak najmniejsza?

1. Aby zmniejszyć rozmiar generatora.

2. Zwiększenie rozpraszania pola magnetycznego.

3. Aby zmniejszyć upływ magnetyczny.

Pytanie 17.

Która z wymienionych emisji ma najniższą częstotliwość?

1. Promienie ultrafioletowe. 2. Promienie podczerwone.

3. Widzialne światło. 4. Fale radiowe.

Pytanie 19.

Radio wykrywacza odbiera sygnały ze stacji radiowej działającej na fali

30 m. Jaka jest częstotliwość oscylacji w obwodzie oscylacyjnym odbiornika radiowego?

1,10 ^ -7 Hz. 2,10 ^ 7 Hz. 3,9 * 10 ^ 9 Hz.

Pytanie 20.

Jakie fale radiowe zapewniają najbardziej niezawodną komunikację radiową przy wystarczającej mocy nadawczej?

1. Długie fale. 2. Fale średnie. 3. Krótkie fale. 4. Fale ultrakrótkie.

1. Ładunek 3000 C energii elektrycznej przepływa przez przewodnik w ciągu 10 minut. Określ natężenie prądu w przewodniku.

2. Określić prąd w podłączonym obwodzie przy 127 V, jeśli rezystancja obwodu wynosi 24 omy.

3. Narysuj schemat obwodu elektrycznego składającego się ze źródła prądu połączonego szeregowo, żarówki, dwóch rezystorów i klucza. Jak włączyć woltomierz do tego obwodu, aby zmierzyć napięcie na lampie?

4. Określić napięcie na końcach przewodnika, którego rezystancja właściwa wynosi 0,1 Ω * mm2 (do kwadratu) / m, jeżeli jego długość wynosi 3 m, to przekrój 0,05 mm2 (do kwadratu), a natężenie prądu 0,5 A. W

Pomóż mi proszę

1. prędkość podnoszenia ciężaru 15,7 kN rośnie z prędkością 1 m / s. ile mocy zużywa silnik elektryczny napędzający windę? określić natężenie prądu, jeśli napięcie w sieci 220 V.i wydajność silnik 92 ?

2. na zdjęciach.

3. Ile ciepła wyemituje nagrzewnica pracująca pod napięciem 120V, jeśli jego element jest wykonany z niklu o długości 50 m i sekcja 0,6 mm ^ 2 za 20 minut praca?