Электростатический потенциал и емкость. Физика, 11 класс — Конденсаторы и электрическая емкость

Электростатический потенциал и емкость. Физика, 12 класс - Конденсаторы и емкость Конденсатор представляет собой систему из двух заряженных проводников, разделенных изолятором. Проводники имеют заряды Q1 и Q2 и потенциалы V1 и V2 соответственно. В большинстве случаев это Q1 и –Q2, а разность потенциалов V = V1 – V2 между ними. Эти проводники заряжаются путем подключения их к двум клеммам батареи. Q называется зарядом конденсатора. Полный заряд на конденсаторе равен Q - Q = 0. Электрическое поле пропорционально заряду Q, поскольку чем больше заряд на проводниках, тем сильнее будет электрическое поле между ними. Также разность потенциалов между двумя проводниками — это не что иное, как работа, совершаемая для перемещения единичного положительного пробного заряда с одного проводника на другой против электрического поля. Если заряд увеличивается, совершаемая работа будет больше, и, следовательно, разность потенциалов V будет больше. Таким образом, Q также пропорционально V. Установлено, что отношение Q/V всегда постоянно. V ∝ Q C = Q/V Постоянная C любого конденсатора называется емкостью. В основном, C не зависит от Q или V, однако зависит от геометрической конфигурации конденсатора, т.е. размера, формы, расстояния между двумя проводниками, а также от природы изолятора, присутствующего между проводниками. Единица измерения емкости в системе СИ — фарад. Емкость конденсатора равна 1 фараду, когда заряд на проводнике равен 1 кулону, а разность потенциалов между проводниками равна 1 В. 1 Ф = 1 Кл/В Конденсатор с фиксированной емкостью обозначается как , а конденсатор с переменной емкостью — как . Из выражения для емкости можно заключить, что конденсатор может удерживать большое количество заряда при относительно небольшой разности потенциалов. При высокой разности потенциалов сильное электрическое поле ионизирует окружающий воздух, и образовавшиеся заряды движутся к противоположно заряженному проводнику, тем самым в некоторой степени нейтрализуя количество зарядов на проводниках. Это утечка заряда из-за плохой изоляции среды между проводниками. Среда должна быть непроводящей, поэтому мы можем определить её диэлектрическую прочность. То есть максимальное электрическое поле, которое диэлектрическая среда может выдержать без пробоя (преодоления её изоляционных свойств), называется её диэлектрической прочностью. Для воздуха она составляет около 3 × 10⁶ В·м⁻¹. Когда расстояние между проводниками составляет порядка 1 см, то между проводниками возникает высокая разность потенциалов порядка 3 × 10⁴ В. Для того чтобы удерживать большое количество заряда без пробоя, емкость должна быть большего значения. На практике один фарад — это очень большая единица измерения; обычно мы используем 1 мкФ, 1 нФ, 1 пФ и т. д.