Формула емкости конденсатора через диэлектрическую проницаемость

Формула емкости конденсатора через диэлектрическую проницаемость

Ёмкость конденсатора с диэлектриком всегда больше, чем без него. Причина состоит в том, что диэлектрик ослабляет поле. Рассмотрим сначала плоский конденсатор с воздушным промежутком между пластинами (для воздуха `epsilon~~1`). Поместим на одну из обкладок заряд `Q`, а на другую обкладку заряд `-Q`. Если площадь пластин равна `S`, то между пластинами будет существовать электрическое поле `E_0=sigma//epsilon_0=Q//(Sepsilon_0)`, а между пластинами будет существовать разность потенциалов `U_0=E_0d=Qd//(Sepsilon_0)`. Ёмкость конденсатора есть `C_0=Q//U=epsilon_0S//d`. Не изменяя зарядов на пластинах, заполним теперь промежуток между обкладками конденсатора диэлектриком с диэлектрической проницаемостью `epsilon`. В результате напряжённость электрического поля уменьшится в `epsilon` раз, `E=E_0//epsilon`; как следствие, в `epsilon` раз уменьшится напряжение между пластинами `U=U_0//epsilon` — и в `epsilon` же раз увеличится ёмкость `C=Q//U=epsilon C_0`, т. е.

`C=(epsilon epsilon_0S)/d`. (3.2.1)

В веществах, которые часто используются в конденсаторах, диэлектрические проницаемости таковы: для парафина `epsilon~~2`, а для слюды `epsilon~~7,5`. В современных конденсаторах часто используют диэлектрические слои из титаната бария `(«TiBaO»_3)` с добавлением небольшого количества других окислов. Обычно это – керамики, получаемые из тонкодисперсного порошка, размеры частиц которого порядка микрона (`10^(-6)` м). Толщины диэлектрических слоёв в таких конденсаторах порядка `10` мкм, а `epsilon` порядка нескольких тысяч (до `20000`). В другом типе конденсаторов, так называемых электролитических конденсаторах толщины диэлектрических слоёв можно сделать в сотни раз меньше, чем в керамических конденсаторах, правда, изоляционные материалы, используемые в них, имеют меньшую, чем в керамических конденсаторах, диэлектрическую проницаемость `epsilon` — от `8` до `27`.

Оценить, какого размера должны быть пластины плоского конденсатора в форме квадратов, расстояние между которыми `d=10` мкм, с диэлектрической прослойкой на основе титаната бария, чтобы его электроёмкость равнялась: а) `1` Ф, б) `1` мФ, в) `1` мкФ? Диэлектрическая прослойка на основе титаната бария `(«TiBaO»_3)` имеет `epsilon=20000`.

По формуле (3.2.1) `C=(epsilon epsilon_0L^2)/d`:

В конденсаторе без диэлектрика (когда `epsilon=1`) эти размеры равнялись бы, соответственно,

Емкость конденсаторов

Мы все знаем об электрическом токе, проводимости и сопротивлении. Но емкость является еще одной важной частью понимания концепции электричества. Возможно, вы слышали, что ничто не может хранить электричество. Однако это не так — конденсаторы способны накапливать электрический заряд. Давайте подробнее рассмотрим концепцию конденсаторов и емкости. Начнем с конденсатора.

Конденсатор образован двумя обращенными друг к другу проводниками, между которыми вставлен диэлектрик, то есть изолирующий материал. Эти два проводника называются обкладками конденсатора.

Главной характеристикой конденсаторов является величина емкости.

Емкость конденсатора — формула

Определение

Емкость конденсатора — это ничто иное, как умение конденсатора накапливать энергию в виде электрического заряда. Другими словами, емкость — это запоминающая способность конденсатора. Измеряется емкость в фарадах.

Емкость может быть рассчитана, когда известны заряд Q и напряжение V конденсатора:

Емкость используется для описания того, сколько заряда может удерживать любой проводник. Он представляет собой отношение заряда к приложенному потенциалу.

Любой объект, который может быть электрически заряжен, показывает емкость. Конденсатор с двумя параллельными пластинами — это обычная форма накопителя энергии. Емкость отображается параллельным расположением пластин и определяется с точки зрения накопления заряда. Когда конденсатор заряжен полностью, между его пластинами имеется разность потенциалов, и чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между ними, тем больше будет заряд конденсатора и тем больше будет его Емкость.

Если конденсаторы соединены последовательно, формула емкости выражается следующим образом:

Если конденсаторы подключены параллельно, формула емкости выражается следующим образом:

Где C1, C2, C3 ……. Cn — конденсаторы, а емкость выражается в фарадах.

Определите емкость конденсатора, если течет 5 кулонов заряда и приложен потенциал 2 В.

Заряд Q составляет 5 C,

Приложенное напряжение V равно 2 В.

Формула емкости определяется как

Определите емкость, если подключены конденсаторы 6 Ф и 5 Ф.

Формула последовательной емкости определяется как

Cs = 1 / C1 + 1 / C2

Емкость в параллельной формуле определяется как

Различают три вида конденсаторов:

1. Конденсатор плоский;
2. Конденсатор цилиндрический
3. Конденсатор сферический.

Конденсатор плоский

Данный конденсатор образован двумя металлическими пластинами, которые мы называем A и B, расположенными на расстоянии d.

Две проводящие пластины A и B являются пластинами конденсатора, d — их расстояние, более того, поскольку две пластины параллельны, их поверхности равны.

Мы знаем, что внутри двух поверхностей электрическое поле однородно, а снаружи равно нулю

Рассчитываем разность потенциалов между двумя пластинами

Как только разность потенциалов известна, мы можем рассчитать емкость плоского конденсатора.

Заменим найденную ранее разность потенциалов

Конденсатор цилиндрический

Конденсатор используется для хранения большого количества электрического тока в небольшом пространстве. Цилиндрический конденсатор включает полый или сплошной цилиндрический проводник, окруженный концентрическим полым сферическим цилиндром. Конденсаторы широко используются в электродвигателях, мельницах, электрических соковыжималках и других электрических инструментах. Разность потенциалов между конденсаторами различна. Существует множество электрических цепей, в которых конденсаторы должны быть сгруппированы соответствующим образом, чтобы получить желаемую емкость. Есть два общих режима, включая конденсаторы, включенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно. Единица измерения емкости — Фарад (Ф).

Его часто используют для хранения электрического заряда. Цилиндрический конденсатор — это тип конденсатора, который имеет форму цилиндра, имеющую внутренний радиус как a и внешний радиус как b.

Формула для цилиндрического конденсатора:

C = емкость цилиндра
L = длина цилиндра
a = внутренний радиус цилиндра,
b = внешний радиус
εₒ= диэлектрическая проницаемость свободного пространства (8.85×10ˉ¹²)

Цилиндрический конденсатор длиной 8 см состоит из двух колец с внутренним радиусом 3 см и внешним радиусом 6 см. Найдите емкость конденсатора.

внутренний радиус a = 3 см

внешний радиус b = 6 см

Формула для конденсатора цилиндрического:

Конденсатор сферический

Данный конденсатор состоит из сплошного или полого сферического проводника, окруженного другой полой концентрической сферической формой другого радиуса.

Формула для определения емкости сферического конденсатора

r ₁ = внутренний радиус

r ₂ = внешний радиус

ε ₀ = диэлектрический потенциал (8,85 x 10-12 Ф / м)

Значение емкости двух разных конденсаторов может быть одинаковым, а номинальное напряжение двух конденсаторов может быть разным. Возьмем два конденсатора — один с малым номинальным напряжением, а другой с высоким. Если мы заменим конденсатор с меньшим номинальным напряжением на конденсатор с более высоким номинальным напряжением, то получится конденсатор меньшего размера. Это может произойти из-за неожиданного повышения напряжения.

Нет времени решать самому?

Емкость конденсаторов: определение, формулы, примеры.

Конденсатором называют любые два проводника, разделённые диэлектрическим слоем. Такие проводники должны обладать зарядами одинаковыми по величине, но противоположными по знаку.

Возникающее электрическое поле будет полностью расположено внутри, между проводниками. По этой причине на электрическую ёмкость конденсатора не влияет его внешнее окружение. А на разность потенциалов между пластинами не влияет величина заряда.

Выражение для электроёмкости выглядит так:

Величины $ <\phi_1-\phi_2=U>$ определяют разность потенциалов, которая также носит название «напряжение» и обозначается «U». Как следует из определения, ёмкость — положительная величина. Её размер определяется габаритами пластин конденсатора, их взаимным расположением, типом диэлектрика. Форма пластин, конструкция конденсатора создаются таким образом, чтобы максимально снизить влияние на внутреннее поле со стороны любых внешних сил или полей. Электрическое поле конденсатора начинается на обкладке с зарядом «+» и заканчивается на обкладке со знаком «-». Ёмкость конденсаторов измеряют так же, как и ёмкость проводников, в международной системе СИ для этого используют Фарады (Ф). Один Фарад — ёмкость конденсатора, где при заряде 1 Кельвин, разность потенциалов 1 Вольт.

Существуют три основных типа конденсаторов: плоские, сферические, цилиндрические. Вычислить ёмкость можно, если найти напряжение на обкладках и определить величину заряда.

Плоские конденсаторы

Плоский конденсатор — элемент состоящий из двух или нескольких плоских пластин, расположенных друг напротив друга, имеющих одинаковый по величине, но разный по знаку заряд. Чтобы не возникало воздушного разряда, пластины разделяют слоем диэлектрика.

Для вычисления ёмкости плоского конденсатора используется выражение:

Здесь S — площадь пластин, чем она больше, тем выше ёмкость. Величина зазора между пластинами — d. Чем меньше d, тем больше ёмкость. Диэлектрическая проницаемость — ε. Она также оказывает значительное влияние на величину ёмкости.

Возьмём конденсатор состоящий из двух пластин, между которыми воздух, и определим его ёмкость. Затем поместим между пластинами диэлектрик, параметр ε которого выше, чем у воздуха. Измерения показывают, что ёмкость конденсатора увеличивается существенно, прямо пропорционально повышению диэлектрической проницаемости.

Чаще всего, при создании плоских конденсаторов делают не две пластины, а «пакет» обкладок в несколько слоёв. Электрическая ёмкость такого элемента, имеющего n слоёв, вычисляется с учётом толщины каждого i-го слоя $d_i$, а также диэлектрической проницаемости каждого слоя $ε_i$.

Конденсатор сферического типа

Сферический конденсатор отличается формой обкладок, у него они представляют собой сферы. И внешняя, и внутренняя — обе оболочки выполнены в виде сфер.

В отличии от плоского конденсатора, в сферическом площадь поверхности разнозаряженных пластин отличается. И формула для вычисления ёмкости элемента изменится:

где $ R_1 $ и $ R_2 $ являются радиусами обкладок.

Конденсатор цилиндрического типа

Отдельная формула используется для вычисления параметров конденсатора цилиндрической формы:

В уравнении использованы следующие параметры: l — высота, $R_1 и R_2$ – радиусы пластин. Конденсатор цилиндрического вида выполнен в виде вложенных друг в друга соосных цилиндрических пластин. Они выполнены из проводящего материала, а между ними находится диэлектрик.

Параметр, характеризующий конденсаторы — пробивное напряжение. Эта характеристика показывает минимальную величину напряжения, при которой произойдёт «пробой» диэлектрика. То есть сквозь толщу материала пройдёт сквозной электрический разряд, закорачивающий заряженные пластины.

Значение $U_max$ зависит как от характеристик диэлектрического вещества, его толщины, так и от формы конденсатора.

Расчёт емкостных батарей, соединений конденсаторов

Конденсаторы могут применяться как сами по себе – отдельно по видам, так и в виде групп элементов, соединённых параллельно или последовательно. Комбинирование конденсаторов в электроцепи позволяет с помощью стандартизированных деталей получать любые необходимые значения ёмкостей. При параллельном соединении емкость увеличивается. Если у нас имеется несколько конденсаторов, где $C_i$ — емкость i-го конденсатора, то можно записать для всей системы:

Когда конденсаторы соединяют последовательно, то результирующая ёмкость будет меньше, чем ёмкость самого маленького конденсатора в системе. Итоговая ёмкость — сумма величин обратных емкости каждого из конденсаторов.

Warning: file_put_contents(./students_count.txt): failed to open stream: Permission denied in /var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on line 20

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 467 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Покажем на простом примере, как рассчитать емкость плоского конденсатора, если известны площадь его пластин, величина промежутка между ними и тип вещества, заполняющего пространство. Площадь S=1 см2, зазор d=1 мм. Промежуток между пластинами заполнен вакуумом. При таких начальных условиях рассчёт ёмкости будет вестись по формуле:

Выпишем параметры, которые заданы в условии:

ε=1, $ ε_ 0=8,85⋅10^ \frac$; S=1см2=10 −4 м2; d=1 мм=10 − 3 м.

Применяя их в формуле, получаем выражение следующего вида:

Для конденсатора со сферическими пластинами произведём вычисление напряжённости поля. Величина промежутка между обкладками x = 1 см = 10-2 м. Радиусы обкладок заданы следующим образом: внутренний R1=1 см=10-2 м, внешний R2=3 см=3·10-2 м. Величина напряжения U=103 В.

Заряженные обкладки создают электростатическое поле. Его напряжённость не трудно вычислить, воспользовавшись формулой:

Удалённость от центра r вычисляем как R1+x.

Заряд внутренней сферической пластины, q, определяем через известные напряжение и ёмкость конденсатора:

Для емкости сферического конденсатора берём формулу:

где $R_1$ и $R_2$ — радиусы пластин.

Подставим выражение емкости в формулу для напряженности:

Подставляя числовые значения, в результате получим $E=3,45\cdot10^4 \frac$

Остались вопросы?

Здесь вы найдете ответы.

Электростатика. Расчет электрической емкости.

Емкость плоского конденсатора с однослойным диэлектриком производится согласно С = εS /d, где S – площадь каждой пластины; d – пространство между пластинами; ε — диэлектрическая проницаемость.

Емкость плоского конденсатора с однослойным диэлектриком производится согласно:

где S – площадь каждой пластины;

d – пространство между пластинами;

Емкость плоского конденсатора с двухслойным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε₁ и ε₂ каждого слоя и их толщиной, равной d₁ и d₂ вычисляем:

.

Емкость на единицу длины цилиндрического конденсатора (коаксиального кабеля) с однослойным диэлектриком и радиусами обкладок R₁ и R₂(R₁ < R₂):

.

,

и емкость конденсатора, следовательно:

.

Цилиндрический конденсатор вырождается в набор плоских.

Емкость сферического конденсатора с наружным радиусом внутренней сферической обкладки R₁ и внутренним радиусом внешней сферической обкладки R₂ описывается выражением:

.

Емкость уединенного шара радиусом R равна: