На Горох
Физика, 10 класс, 11 класс

§ 1.24. Электрическая емкость

"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.

Объяснение темы В оглавлении: § 1.24. Электрическая емкость

Кратко о теме

Электрическая ёмкость показывает, какой заряд может накопить проводник или конденсатор при заданном потенциале или напряжении. Конденсатор состоит из двух обкладок, разделённых диэлектриком, и способен запасать электрический заряд и энергию. Его ёмкость зависит от устройства, размеров обкладок и вещества между ними, но при неизменной конструкции не зависит от заряда и напряжения. Для плоского конденсатора площадь обкладок и диэлектрик увеличивают ёмкость, а расстояние между обкладками уменьшает её.

Объяснение темы

Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.

Определения и обозначения

Электрическая ёмкость проводника — отношение его заряда к потенциалу относительно выбранного нулевого уровня: C = q/φ. Она показывает, какой заряд соответствует данному потенциалу; ёмкость зависит от формы и размеров проводника, а также от окружающей среды. Это удобно для сравнения проводников, способных накапливать заряд.

Ёмкость конденсатора — отношение модуля заряда одной обкладки к разности потенциалов между обкладками: C = q/U. Здесь q — заряд одной обкладки по модулю, а U — напряжение между обкладками. Такая величина описывает систему в целом, а не отдельную обкладку.

Конденсатор — система из двух проводников-обкладок, разделённых диэлектриком или воздушным промежутком, предназначенная для накопления электрического заряда и энергии. Обкладки позволяют создать поле и удерживать противоположные заряды близко друг к другу. Это свойство используют в электрических цепях.

Ёмкость плоского конденсатора равна C = εε₀S/d, где S — площадь обкладок, d — расстояние между ними, ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — электрическая постоянная. Формула помогает предсказать, как изменение конструкции повлияет на ёмкость. Она применима, когда обкладки плоские и их размеры значительно больше расстояния между ними.

Как это устроено

Когда проводнику сообщают заряд, его электрическое поле изменяется, а вместе с ним меняется и потенциал проводника. При увеличении заряда потенциал обычно растёт: для одного и того же проводника заряд и потенциал пропорциональны. Поэтому отношение q/φ характеризует не конкретный заряд, а способность проводника накапливать заряд при заданном потенциале.

У конденсатора важна разность потенциалов между обкладками, потому что именно она связана с полем внутри системы. Потенциал каждой обкладки по отдельности зависит от выбора нулевого уровня, а разность потенциалов от этого выбора не меняется. Обкладки получают равные по модулю противоположные заряды, поэтому в формулу подставляют модуль заряда одной из них: суммарный заряд обеих обкладок равен нулю и не показывает, сколько заряда разделено в конденсаторе.

Близкие обкладки с противоположными зарядами создают поля, направленные между ними в одну сторону, поэтому в промежутке эти поля усиливают друг друга. Снаружи обкладок поля направлены противоположно и в значительной мере компенсируются. В результате электрическое поле сосредоточено главным образом между обкладками, а конденсатор может хранить заметный заряд при сравнительно небольшом напряжении.

Площадь обкладок влияет на количество заряда, который можно разместить при заданном напряжении: большая площадь позволяет накопить больше заряда, поэтому C растёт вместе с S. Если увеличить расстояние d, при том же заряде разность потенциалов станет больше, а отношение q/U — меньше. Диэлектрик поляризуется в поле и ослабляет его внутри промежутка; поэтому при том же заряде напряжение уменьшается, а ёмкость возрастает в ε раз.

Единица ёмкости следует из определения C = q/U: один фарад равен одному кулону на вольт, 1 Ф = 1 Кл/В. Фарад — крупная единица для многих практических устройств, поэтому часто используют микрофарады (мкФ), нанофарады (нФ) и пикофарады (пФ). При переводе важно помнить: 1 мкФ = 10⁻⁶ Ф, 1 нФ = 10⁻⁹ Ф, 1 пФ = 10⁻¹² Ф.

Основные зависимости электрической ёмкости

Объект или случайФормула ёмкостиОт чего зависитЕдиница измерения
Уединённый проводникC = q/φОт формы, размеров проводника и окружающей средыФарад (Ф)
КонденсаторC = q/UОт конструкции и диэлектрика, а не от заряда и напряжения при неизменных условияхФарад (Ф)
Плоский конденсаторC = εε₀S/dОт площади обкладок S, расстояния d и диэлектрической проницаемости εФарад (Ф)
Изменение площади обкладокC прямо пропорциональна SУвеличение площади повышает ёмкость—
Изменение расстояния между обкладкамиC обратно пропорциональна dУвеличение расстояния уменьшает ёмкость—

Сначала определите, о каком объекте идёт речь: для проводника нужна связь с потенциалом, для конденсатора — с напряжением, а для плоского конденсатора — геометрическая формула. Затем проверьте, какие параметры остаются неизменными. По формулам можно понять направление изменения ёмкости, даже не подставляя числа.

Разбор задач

Задача 1. Конденсатору сообщили заряд 6 мкКл, после чего напряжение между его обкладками стало 12 В. Найдём ёмкость по определению C = q/U. Переведём заряд в кулоны: 6 мкКл = 6 · 10⁻⁶ Кл.

  1. Подставим известные величины: C = (6 · 10⁻⁶ Кл)/12 В.
  2. Выполним деление: C = 0,5 · 10⁻⁶ Кл/В = 0,5 · 10⁻⁶ Ф.
  3. Переведём результат в более удобную единицу: C = 0,5 мкФ.

Вычисление показывает, сколько кулонов заряда приходится на каждый вольт напряжения. Проверка единиц даёт Кл/В, то есть фарады. Ответ: 0,5 мкФ.

Задача 2. Найдём ёмкость плоского воздушного конденсатора с площадью обкладок 0,02 м² и расстоянием 1 мм. Для воздуха принимаем ε ≈ 1, поэтому используем C = ε₀S/d. Сначала переведём миллиметры в метры: d = 0,001 м.

  1. Подставим ε₀ ≈ 8,85 · 10⁻¹² Ф/м, S = 0,02 м² и d = 0,001 м.
  2. Вычислим: C = 8,85 · 10⁻¹² · 0,02 / 0,001 Ф = 1,77 · 10⁻¹⁰ Ф.
  3. При необходимости переведём в пикофарады: C = 177 пФ.

Размерность результата получается в фарадах, поскольку в формуле учтена электрическая постоянная. Малое значение объясняется небольшой площадью обкладок по сравнению с расстоянием между ними. Ответ: 1,77 · 10⁻¹⁰ Ф, или 177 пФ.

Задача 3. Расстояние между обкладками уменьшили в 3 раза, а пространство между ними заполнили диэлектриком с ε = 4. Сравним ёмкости по формуле C = εε₀S/d. Площадь обкладок и ε₀ не меняются, поэтому в отношении останутся только изменения ε и d.

  1. Уменьшение расстояния втрое означает d₂ = d₁/3, поэтому множитель 1/d увеличится в 3 раза.
  2. Заполнение промежутка диэлектриком даёт ещё множитель ε = 4 по сравнению с воздухом.
  3. Перемножим факторы: C₂/C₁ = 3 · 4 = 12.

Оба изменения повышают ёмкость, поэтому результат должен быть больше исходного. Здесь не требуется знать начальную площадь или расстояние: они сокращаются при сравнении. Ответ: ёмкость увеличилась в 12 раз.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать зарядом конденсатора сумму зарядов двух обкладок. Поскольку заряды противоположны, такая сумма равна нулю; путаница возникает из-за слова «заряд» без уточнения. Проверка: в формуле C = q/U должно стоять значение модуля заряда одной обкладки.

Вторая ошибка — использовать для конденсатора формулу C = q/φ. Её применяют к уединённому проводнику, а для пары обкладок нужно учитывать напряжение между ними. Перед вычислением проверьте, какой объект описан в условии и какая разность потенциалов дана.

Третья ошибка — полагать, что при увеличении заряда обязательно растёт ёмкость. Так рассуждают, забывая, что ёмкость определяется устройством конденсатора; при неизменной конструкции вместе с q пропорционально меняется U. Проверьте себя: если отношение q/U осталось прежним, ёмкость не изменилась.

Четвёртая ошибка — перепутать влияние площади и расстояния. Увеличение площади повышает ёмкость, а увеличение расстояния между обкладками её уменьшает; ошибку легко допустить, запоминая формулу без смысла дроби. Проверка по C = εε₀S/d: S стоит в числителе, d — в знаменателе.

Связь с другими темами

Для работы с ёмкостью нужны понятия электрического заряда, потенциала и разности потенциалов, а также напряжённости электрического поля и диэлектрической проницаемости. Заряженный конденсатор способен запасать энергию электрического поля; её величину связывают с ёмкостью, зарядом и напряжением. Дальше понятие ёмкости используют при расчёте соединений конденсаторов и электрических цепей, а также при изучении применения конденсаторов в радиотехнике и электронике.

Что запомнить

  • Электрическая ёмкость характеризует способность тела или системы накапливать заряд.
  • Для конденсатора C = q/U.
  • Ёмкость измеряется в фарадах.
  • При неизменных геометрии и диэлектрике ёмкость не зависит от заряда и напряжения.
  • Для плоского конденсатора C = εε₀S/d.
  • Увеличение площади обкладок или диэлектрической проницаемости повышает ёмкость.
  • Увеличение расстояния между обкладками уменьшает ёмкость.
Зависимость заряда конденсатора от напряжения
q = 2Uq = 5U510102550U, Вq, мкКл
При неизменной ёмкости заряд прямо пропорционален напряжению. Чем больше ёмкость, тем круче наклон графика q(U).

Частые вопросы по теме

Почему ёмкость конденсатора не меняется при увеличении его заряда?

При неизменных размерах обкладок и диэлектрике ёмкость задаётся конструкцией конденсатора. Если заряд увеличить, напряжение между обкладками возрастёт в той же пропорции, поэтому отношение q/U останется прежним.

Почему в формуле ёмкости берут заряд только одной обкладки?

Обкладки получают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Заряд конденсатора q обозначает модуль заряда одной обкладки, а не сумму зарядов обеих обкладок.

Чем электрическая ёмкость проводника отличается от ёмкости конденсатора?

Для уединённого проводника ёмкость определяют как C = q/φ, где φ — потенциал относительно выбранного нулевого уровня. Для конденсатора используют разность потенциалов между обкладками: C = q/U.

Почему диэлектрик увеличивает ёмкость конденсатора?

Поле заряженных обкладок поляризует диэлектрик: в нём разделяются связанные заряды, поле которых ослабляет поле конденсатора. Поэтому при том же заряде разность потенциалов становится меньше, а отношение q/U — больше.

Можно ли получить большую ёмкость, увеличивая площадь обкладок?

Да. Для плоского конденсатора ёмкость прямо пропорциональна площади обкладок, поэтому её увеличение повышает ёмкость при неизменных расстоянии и диэлектрике.

Спросить по теме параграфа

§ 1.24. Электрическая емкость

Эта же тема в других учебниках

Учебник

Оглавление →
Предмет
Физика
Класс
10 класс, 11 класс
Учебник
"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.