Электричество и электрическая железная дорога. Конспект лекций по физике, страница 9

2. Система из двух близко расположенных проводников, заряженных разноименно одинаковым по величине зарядом, называется конденсатором.  Проводники конденсатора называются обкладками. Возможно три способа расположения обкладок, при котором внешние электрические заряды не искажают электрическое поле между обкладками, а собственное электрическое поле локализовано в пространстве между обкладками. Это  сферический, цилиндрический и плоский конденсаторы.

Электрическая емкость конденсатора определяется как отношение заряда одной из обкладок к разности потенциалов между обкладками:

                                                      4.2

3. Плоский конденсатор представляет собой две плоские пластины, расстояние между которыми много меньше размеров пластин (рис. 4.1) . Если одну из обкладок зарядить, например, положительно, а вторую заземлить, то на её внутренней стороне индуцируется отрицательный заряд, а положительный заряд оттолкнется и стечет на заземление. Процесс зарядки происходит до тех пор, пока разноименные заряды пластин не станут одинаковыми по величине, это соответствует минимуму электрической энергии.. При этом электрическое поле будет сосредоточено практически между пластинами, где заряды расположены наиболее близко.  Снаружи пластин длина силовых линий большая, поле слабое и на него могут влиять внешние поля, но этим можно пренебречь.

Определим емкость плоского конденсатора. Пусть на пластинах заряд +qи – q. Напряженность электростатического поля двух разноименно заряженных пластин  равна , где  – поверхностная плотность заряда на пластинах, равная отношению заряда одной из пластин к площади поверхности пластины. Напряжение между пластинами для однородного поля равно . Подставив в определяющую формулу емкости конденсатора 4.2, получим

.                                                            4.3

Емкость конденсатора пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика между обкладками, так как поле связанных зарядов ослабляет поле свободных зарядов на обкладках  . При том же заряде на обкладках разность потенциалов уменьшается. Для увеличения емкости конденсаторов вместо обычной слюды, парафинированной бумаги применяют сегнетоэлектрики, диэлектрическая проницаемость которых в сотни и более раз выше, но зависит от напряжения. Применяются так называемые электролитические конденсаторы, в которых диэлектриком служит тончайший слой окислов алюминия. Их емкость сравнительно велика, но включать их можно только в цепь постоянного тока в соответствии с полярностью. Иначе слой окислов разрушается и происходит пробой.

4. Конденсаторы соединяют в батарею параллельно или последовательно. Для увеличения емкости и накапливаемого заряда применяют параллельное соединение (рис. 4.2), при котором замкнуты одноименно заряженные обкладки. Заряд батареи равен сумме зарядов обкладок  , а падение напряжения на всех конденсаторах одинаково. Поделим сумму зарядов на напряжение  батареи   . По определению, отношение заряда конденсатора к напряжению есть емкость

.                                                          4.4

Последовательное соединение конденсаторов применяют для повышения предельного напряжения, чтобы избежать электрического пробоя диэлектрика конденсатора (рис. 4.3).  При последовательном соединении заряды конденсаторов одинаковы, потому что при зарядке батареи обкладки двух соседних конденсаторов, замкнутые проводником, в сумме имеют нулевой заряд.   Общее напряжение батареи равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах: .  Поделим сумму напряжений на величину заряда батареи  . Эти отношения равны обратной величине емкости:

.                                                      4.5

При последовательном соединении емкость батареи меньше емкости конденсатора с самой малой емкостью.

5. Заряженный конденсатор обладает энергией. В этом можно убедиться, разрядив конденсатор на проводник. При этом возникает искра и даже электрическая дуга, выделяется теплота в подводящих проводниках.