Электроемкость. Энергия электрического поля

1. Электроемкость

В курсе физики основной школы вы уже познакомились с конденсатором – устройством, предназначенным для накопления электрических зарядов.
Например, плоский конденсатор (рис. 54.1) состоит из двух параллельных пластин, расстояние между которыми намного меньше их размеров. Эти пластины называют обкладками конденсатора.

Между обкладками конденсатора находится диэлектрик. Им может быть, например, воздух. Но чаще пространство межу обкладками заполняют жидким или твердым диэлектриком.

Если сообщить обкладкам конденсатора равные по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды, то поле, созданное этими зарядами, будет сосредоточено практически полностью между обкладками (см. рис. 51.6).

Зарядом конденсатора называют модуль заряда любой из го обкладок (напомним, что разноименные заряды на обкладках конденсатора равны по модулю).

Если увеличить заряды обкладок конденсатора, скажем, 3 раза, то при этом напряженность поля между обкладками увеличится также в 3 раза. Значит, в 3 раза увеличится и работа поля по перемещению заряда с одной обкладки на другую. Следовательно, напряжение между обкладками увеличится тоже в 3 раза.

Это рассуждение показывает, что напряжение между обкладками конденсатора прямо пропорционально заряду конденсатора. Поэтому отношение заряда q конденсатора к напряжению U между его обкладками не зависит ни от заряда, и от напряжения. Следовательно, это отношение является характеристикой самого конденсатора.

Отношение заряда конденсатора к напряжению между его обкладками называют электроемкостью:

C = q/U. (1)

Единица электроемкости. Единицей электроемкости является 1 фарад (Ф). Эта единица названа в честь английского ученого Майкла Фарадея.

1Ф = 1 Кл / 1 В.

Если конденсатор имеет электроемкость 1 Ф, то при заряде 1 Кл напряжение между его обкладками равно 1 В. Это очень большая электроемкость, поэтому для практических целей используют такие единицы электроемкости как микрофарад (10^-6 Ф) и пикофарад (1 пФ = 10^-12 Ф).

? 1. Чему равен заряд конденсатора, если его электроемкость равна 5 мкФ, а напряжение между его обкладками 200 В?

? 2. Как изменится электроемкость конденсатора, если:
а) заряд конденсатора увеличить в 2 раза?
б) напряжение между обкладками конденсатора уменьшить в 3 раза?

От чего зависит электроемкость плоского конденсатора?

Поставим опыт
Соединим одну из обкладок школьного демонстрационного конденсатора с корпусом электрометра, а другую – с его стержнем (рис. 54.2, а).

Зарядим конденсатор и начнем сближать обкладки. Мы увидим, что показания электрометра уменьшаются (рис. 54.2, б). Это означает, что разность потенциалов (напряжение) между обкладками уменьшается.

Поскольку заряд обкладок остается при этом неизменным, из формулы C = q/U следует, что при уменьшении расстояния между обкладками электроемкость конденсатора увеличивается.

Если при неизменном расстоянии между пластинами конденсатора внести между ними диэлектрик (например, лист органического стекла), то разность потенциалов между пластинами уменьшится. Это указывает на то, что емкость конденсатора увеличилась.

Изменяя площадь пластин конденсатора, мы увидим, что при увеличении площади пластин емкость конденсатора увеличивается.

Более точные опыты и расчеты показывают, что электроемкость плоского конденсатора выражается формулой

C = (εε₀S)/d, (2)

где S – площадь одной из обкладок, d – расстояние между ими, ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между ними, ε₀ = 8,85 * 10^-12 Кл² / (Н * м²) (так называемая электрическая постоянная).

? 3. Как изменится электроемкость конденсатора, если:
а) площадь его обкладок увеличить в 3 раза?
б) расстояние между обкладками уменьшить в 2 раза?
в) заполнить пространство между обкладками диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 4?

Соотношение между напряжением на конденсаторе и напряженностью поля между его обкладками. В пространстве между обкладками плоского конденсатора электрическое поле можно считать практически однородным. Поэтому если расстояние между ними обозначить d, получим следующее соотношение (см. § 53):

E = U/d.

? 4. Чему равен заряд плоского конденсатора, если его электроемкость 20 пФ, напряженность поля между обкладками 50 кВ/м, а расстояние между обкладками равно 5 мм?

? 5. Расстояние между обкладками плоского конденсатора увеличили в 3 раза при неизменном заряде. Как изменились напряжение между обкладками и напряженность поля?

2. Энергия заряженного конденсатора

Поставим опыт
Замкнем обкладки заряженного конденсатора через лампочку накаливания. Мы увидим, что при разрядке конденсатора лампочка вспыхнет. Это означает, что заряженный конденсатор обладает энергией.

Предположим, что мы раздвигаем обкладки заряженного конденсатора, начальное расстояние между которыми практически равно нулю. Раздвигая пластины, мы совершаем положительную работу, потому что разноименно заряженные обкладки притягиваются. При этом согласно закону сохранения энергии потенциальная энергия конденсатора возрастает. Расчет показывает, что она увеличивается на

W_p = qU/2, (3)

где q – модуль заряда обкладки (заряд конденсатора), U – напряжение между его пластинами. Это и есть энергия заряженного конденсатора.

Множитель ½ в формуле (3) обусловлен тем, что, раздвигая пластины конденсатора, мы перемещаем каждую из них в поле, созданном зарядом одной (другой) пластины. А напряженность поля, создаваемого одной обкладкой, в 2 раза меньше модуля напряженности поля между обкладками.

? 6. Докажите, что энергия заряженного конденсатора выражается также формулами

Wp = q²/2C, (4)
Wp = CU²/2. (5)

Подсказка. Воспользуйтесь формулой C = q/U.

Из формулы (4) следует, что энергия заряженного конденсатора обратно пропорциональна его электроемкости, а из формулы (5) следует, что она, наоборот, прямо пропорциональна электроемкости. Не противоречат ли эти формулы одна другой?

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, как изменяется энергия конденсатора при изменении его электроемкости. Конденсаторы, электроемкость которых можно изменять, широко используются, особенно в радиотехнике: например, с их помощью настраивают радиоприемник на волну той или иной радиостанции (подробнее мы расскажем об этом в курсе физики 11-го класса). Такие конденсаторы называют конденсаторами переменной емкости.

Например, в описанном выше опыте (см. рис. 54.2) электроемкость конденсатора увеличивалась при сближении его пластин.

Исследуя зависимость энергии конденсатора от его электроемкости, очень важно учитывать, какая величина остается неизменной при изменении электроемкости: заряд конденсатора или напряжение между его пластинами.

? 7. Электроемкость конденсатора увеличивают в 3 раза при неизменном заряде.
а) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (4).
б) Как изменилось напряжение между обкладками конденсатора?
в) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (5).

? 8. Электроемкость конденсатора увеличивают в 3 раза при неизменном напряжении между обкладками.
а) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (5).
б) Как изменился заряд конденсатора?
в) Найдите изменение энергии конденсатора, используя формулу (4).

Таким образом, мы видим, что противоречия между формулами (4) и (5) нет: обе эти формулы дают одинаковое значение энергии конденсатора, если принять во внимание, что заряд конденсатора и напряжение между его обкладками связаны соотношением C = q/U.

3. Энергия электрического поля

Потенциальную энергию зарядов в электрическом поле важно рассматривать также как энергию электрического поля. При перемещении зарядов друг относительно друга энергия созданного этими зарядами электрического поля изменяется.

Например, раздвигая заряженные обкладки конденсатора, мы совершаем положительную работу, потому что обкладки притягиваются друг к другу. Согласно закону сохранения энергии совершенная работа равна увеличению энергии электрического поля. Увеличивая расстояние между пластинами, мы увеличиваем объем пространства, занятый электрическим полем: на рисунке 54.3, а, б занятая электрическим поем область пространства для наглядности выделена светлым.

Расчеты показывают, что для однородного поля энергия электрического поля в заданной области пространства пропорциональна объему этой области и квадрату напряженности поля.

Дополнительные вопросы и задания

9. Все размеры воздушного конденсатора уменьшили в 2 раза и затем заполнили пространство между его обкладками диэлектриком.
а) Как изменилась электроемкость конденсатора вследствие уменьшения его размеров?
б) Чему равна диэлектрическая проницаемость диэлектрика, если после заполнения им пространства между обкладками значение электроемкости конденсатора стало равно первоначальному?

10. Маленький заряженный шарик подвешен на нити между вертикально расположенными пластинами воздушного конденсатора. Масса шарика 0,2 г, заряд 30 нКл, расстояние между пластинами 5 см. Нить отклонена на угол 30º от вертикали.
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на шарик.
б) Чему равна сила, действующая на шарик в электростатическом поле?
в) Чему равна напряженность поля между пластинами конденсатора?
г) Чему равна разность потенциалов между пластинами конденсатора?

11. Пространство между пластинами плоского конденсатора заполнено диэлектриком, диэлектрическая проницаемость которого равна 7. Заряды пластин конденсатора остаются неизменными. Как изменится при удалении диэлектрика:
а) электроемкость конденсатора?
б) разность потенциалов между его пластинами?
в) энергия конденсатора?