Конденсаторы. Энергия электрического поля

Что такое конденсатор

Конденсатор — это устройство для накопления электрического заряда и энергии электрического поля. В простейшем случае он состоит из двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика. Конденсаторы применяют в радиотехнике, электронике, во вспышках фотоаппаратов и фильтрах питания.

Электроёмкость

Электроёмкость характеризует способность проводника или конденсатора накапливать заряд. Это отношение заряда одной обкладки к напряжению между обкладками:

C = q / U

Ёмкость измеряется в фарадах. Один фарад — очень большая величина, поэтому на практике используют микрофарады и пикофарады. Ёмкость не зависит ни от заряда, ни от напряжения, а определяется размерами, формой обкладок и диэлектриком между ними.

Плоский конденсатор

Ёмкость плоского конденсатора вычисляется по формуле:

C = epsilon * epsilon_0 * S / d

где S — площадь обкладки, d — расстояние между обкладками, epsilon — диэлектрическая проницаемость вещества между ними, epsilon_0 — электрическая постоянная. Чем больше площадь и меньше расстояние, тем больше ёмкость. Применение диэлектрика с большой проницаемостью также увеличивает ёмкость, поэтому пространство между обкладками заполняют специальными материалами, например слюдой или керамикой.

Соединения конденсаторов

При параллельном соединении ёмкости складываются, при последовательном складываются обратные величины, и общая ёмкость получается меньше наименьшей.

Энергия конденсатора

Заряженный конденсатор обладает энергией электрического поля. Её можно вычислить по любой из трёх формул:

W = q * U / 2
W = C * U^2 / 2
W = q^2 / (2 * C)

Пример решения задачи

Конденсатор ёмкостью C = 2 мкФ заряжен до напряжения U = 100 В. Найти заряд и энергию.

q = C * U = 0,000002 * 100 = 0,0002 Кл
W = C * U^2 / 2 = 0,000002 * 10000 / 2 = 0,01 Дж

Накопленную энергию конденсатор способен отдать очень быстро, поэтому именно конденсаторы используют в фотовспышках и в схемах, где нужен короткий мощный импульс тока.

Частые ошибки

Не путайте формулы соединений: при последовательном соединении ёмкость уменьшается, а при параллельном увеличивается. Это противоположно правилам для резисторов, поэтому ученики часто ошибаются.

Кратко о главном

• Конденсатор накапливает заряд и энергию поля.
• Электроёмкость: C = q / U.
• Ёмкость плоского конденсатора: C = epsilon * epsilon_0 * S / d.
• При параллельном соединении ёмкости складываются.
• Энергия конденсатора: W = C * U^2 / 2.