Общие сведения о емкости
На рис.1а показана плотная металлическая сфера, заряженная отрицательно. Благодаря взаимному отталкиванию электронов они располагаются равномерно по поверхности сферы, а внутри сфера остается нейтральной. Если этим же зарядом (этим же количеством электронов) наэлектризовать другую металлическую сферу большего размера, то электроны расположатся опять на ее поверхности, но дальше друг от друга (рис.1б). В таком случае, говорят, что электрическая емкость второй сферы больше. Действительно, для того, чтобы получить ту же самую плотность частиц, надо добавить к сфере еще электронов.
Теперь ясно, что металлические тела бОльших размеров имеют бОльшую электрическую емкость. Однако, емкость любой системы можно увеличить не только за счет увеличения ее размеров, но и другими способами. Это показано на рис.1в, где два одинаковых металлических тела, заряженных разноименными зарядами, помещены близко друг к другу. Благодаря взаимному притяжению заряды располагаются более густо на обращенных друг к другу сторонах тел. Так "освобождается" место для введения дополнительных внешних зарядов, т.е. увеличивается емкость. Эта особенность используется в различных видах конденсаторов.
Сведения о конденсаторах
Система, состоящая из 2-х проводников, разделенных диэлектриком, называется конденсатором. Главным свойством конденсатора является то, что на его обкладках могут накапливаться равные по величине и противоположные по знаку электрические заряды. Другим важным свойством конденсатора является его способность пропускать переменный ток (кроме электролитических конденсаторов) и не пропускать постоянный.На рис.3а схематично показан незаряженный конденсатор, металлические обкладки которого электрически нейтральны, потому как число положительных и отрицательных частиц на каждом электроде одинаково и они взаимно нейтрализуются.
В заряженном конденсаторе положительному электроду (обкладке) недостает свободных электронов, а отрицательный имеет избыток (рис.3б). В этом случае между обкладками заряженного конденсатора существует определенное напряжение, а в диэлектрике возникает электрическое поле.
Напряжение между обкладками, которое возникает при зарядке конденсатора, зависит как от количества электричества, так и от емкости конденсатора. Если два конденсатора различной емкости зарядить одним и тем же количеством электричества, то напряжение на меньшем конденсаторе будет выше напряжения на бОльшем. Подобный случай можно представить, когда в два сосуда разного диаметра налито одинаковое количество воды. Нетрудно представить, что уровень воды в сосуде меньшего диаметра будет выше уровня воды в бОльшем.Единица измерения электрической емкости называется Фарада (обозначается как Ф) в честь английского физика Майкла Фарадея (1791 - 1867).
Конденсатор имеет емкость 1Фарада, если при зарядке его одним кулоном электричества получим между обкладками напряжение 1В, т.е. 1Фарада = 1Кулон / 1Вольт. Емкость обозначается как С, количество электричества - Q, напряжение - U. Следовательно, C = Q/U. Емкость величиной в 1Ф - это большая емкость и на практике работают с более мелкими величинами. Это микрофарада, нанофарада, пикофарада.
Это явление называется поляризацией диэлектрика. Чем больше фиктивных зарядов образуется на поверхности диэлектрика, тем более он поляризуется. На рис.5а показан заряженный конденсатор, между обкладками которого есть вакуум. Емкость такого конденсатора зависеть будет от площади обкладок и расстояния между ними. Следует отметить, что заряды на каждой из обкладок не расположены особенно плотно друг к другу. Это получается потому, что расстояние между двумя обкладками довольно большое и силы взаимного притяжения между зарядами не особенно велики. На рис.5б между электродами такого же заряженного конденсатора помещен диэлектрик. Вследствие возникшей поляризации фиктивные заряды на поверхности диэлектрика оказываются очень близко к зарядам на обкладках, и поэтому силы взаимного притяжения более значительны. Таким образом, заряды на обкладках скапливаются гуще и освобождают место для других зарядов, т.е. емкость конденсатора увеличивается.