Основно съдържание

Физика – 11. клас (България)

Курс: Физика – 11. клас (България) > Раздел 3

Урок 3: Електростатична индукция и кондензатори

Статия за кондензаторите

Какво са кондензаторите?

Кондензаторите съхраняват енергия, като съдържат двойки противоположни заряди на определено разстояние едни от други. Тъй като един положителен заряд и един отрицателен заряд се привличат и естествено искат да се "съберат", когато се държат отдалечени на фиксирано разстояние (например от "слой" изолиращ материал като въздух), тяхното взаимно привличане съхранява потенциална енергия, която се освобождава, ако те се съберат отново. Най-просто устроеният кондензатор представлява успоредни метални пластини, които са разделени с изолационен слой; електроните се придвижват към едната пластина (отрицателната пластина), а равно количество електрони напускат другата пластина (положителната пластина).

Може би си спомняш, че зарядите създават линии на електричното поле, които излизат от положителните заряди и водят към отрицателните заряди. При един кондензатор с успоредни пластини, линиите на електричното поле сочат директно през пространството между двете пластини. Знаем, че електричните полета и разликите в напрежението вървят заедно, така че също се оказва, че двете пластини са с различни напрежения. Големината на тази разлика в напрежението

V

(в българските учебници отбелязваме с

U

) е свързана със зарядите на двете плочки Q (в българските учебници е с малка буква, q):

Q = C \cdot V

Константата

С

се нарича капацитет. Тя определя колко разлика в заряда съхранява кондензаторът, когато се приложи определено напрежение. Ако един кондензатор има много висок капацитет, тогава малка разлика в напрежението на пластините ще доведе до голяма разлика в броя електрони (общия заряд

Q

) на двете пластини.

След като противоположни заряди са били поставени от всяка страна на един плосък кондензатор, зарядите могат да бъдат използвани за извършване на работа, като им се позволи да се придвижат един към друг в една електрическа верига. Това обикновено изисква придвижването им през електрическа верига (като ток) и извършването на някаква задача по пътя като светване на крушка. Общата енергия, която може да бъде извлечена от напълно зареден кондензатор, също е свързана с капацитета и напрежението,

E = \frac{1}{2} C \cdot V^{2}

Ако свържеш кондензатор (с капацитет

С

) към батерия (с напрежение

V

), той бавно ще натрупа заряд във всяка плоча (

Q

), като електроните се натрупват в едната плоча и после излизат от другата. След като премахнеш батерията, тази разлика в заряда между двете плочи остава за неопределено време, докато кондензаторът не бъде свързан към електрическа верига (като крушка), през която може да освободи заряда си. След като това се случи, зарядите бавно ще излязат от едната плоча на кондензатора, ще преминат през електрическата верига и ще навлязат в другата плоча. Кондензаторът до голяма степен функционира като презареждаема батерия. Основната разлика е, че способността на кондензатора да съхранява енергия не идва от химични реакции, а от начина, по който физическото му устройство му позволява да държи отрицателни и положителни заряди поотделно. Това прави кондензатора много бърз при зареждането и освобождаването на заряда, много по-бърз от батериите. Те са важни за приложения, при които са необходими бързи изблици ток, като светкавици на камери.

Кондензаторите съхраняват ли заряд?

Кондензаторите не съхраняват заряд. Кондензаторите всъщност съхраняват дисбаланс на заряд. Ако една плоча на един кондензатор има

1

кулон заряд, съхранен в нея, другата плоча ще има

- 1

кулон, което ще направи общия заряд (събрания заряд на двете плочи) 0. Ако съединиш двете плочи на кондензатора накъсо, като свържеш плочите чрез жица с пренебрежимо съпротивление, ще видиш незабавно протичане на ток (в зависимост от размера на кондензатора това може да доведе до искри), докато електроните от плочата с

- 1

кулон се придвижват към плочата с

+ 1

кулон. Това внезапно протичане на ток освобождава цялата енергия, която е съхранена в кондензатора.

За да си помогнем да разберем кондензаторите с успоредни плочи, нека разгледаме следната ситуация. Представи си, че започнеш с две метални плочи без разлика в заряда (

Q = 0

). Прикрепяш батерия, която първо добавя един електрон към едната страна на кондензатора. Електронът има електрично поле, което отблъсква други електрони, и това поле "се простира" през пространството и "бута" електроните в другата плоча, карайки тази плоча да придобие индуциран положителен заряд. Сега първата плоча има заряд от

- 1 е

, а отдалечената плоча има заряд от

+ 1 е

, като "е" е начинът, по който обикновено записваме елементарния заряд на единичен електрон.

Сега си представи, че повтаряш този процес отново и отново, докато не се натрупа значително количество отрицателен заряд върху една плоча и докато не се индуцира равен положителен заряд на другата плоча. В определен момент съществуващият отрицателен заряд на първата плоча ще отблъсква така силно, че няма да позволява добавянето на повече отрицателни заряди към тази плоча. В този случай кондензаторът е напълно зареден. Този максимален заряд

Q

съответства на крайното напрежение на заредения кондензатор в зависимостта

Q = C \cdot V

Как формата на кондензатора влияе на този процес?

Разстояние: Колкото по-отдалечени са двете плочи, толкова по-малко свободните електрони на отдалечената плоча усещат "бутането" на електроните, които добавяш към отрицателната плоча, което затруднява добавянето на още отрицателни заряди към отрицателната плоча. Ако плочите са отдалечени на безкрайно разстояние, просто ще добавяш отрицателни заряди към вече отрицателна метална повърхност, което ще е доста трудно. Ако плочите бяха много близо една до друга, или дори се докосваха, ще караш токът да протече през къса верига, което ще е лесно. Това означава, че капацитетът на кондензатор с успоредни плочи трябва да е обратнопропорционално свързан с разстоянието, на което плочите са разделени.

Площ: По-лесно е да добавим заряд към кондензатор, ако успоредните плочи имат огромна площ. Две широки метални плочи ще дадат на два отблъскващи се подобни заряди по-голямо разстояние, на което да се разположат в плочата, което улеснява добавянето на още отрицателни заряди към плочата. Подобно, много малка площ на плочата е причина електроните да се натрупат по-бързо, което затруднява получаването на голяма разлика в заряда за дадено напрежение. От това можем да предположим, че капацитетът на плоския кондензатор трябва да е свързан с площите на плочите.

Тези два принципа могат да бъдат изразени като формула за плосък кондензатор:

C = ɛ \frac{A}{d}

А е площта на плочите, а d е разстоянието между плочите.

ɛ

е константа, наречена диелектрична проницаемост, която определя колко лесно изолиращият слой между плочите позволява на електричното поле да се образува. Ако се използва различен изолиращ материал между плочите, тази константа ще има различна стойност, като материалите с по-висока стойност на тази константа по принцип са по-добри кондензатори.

Помисли за следното… дефибрилатори

Понякога регулярният ритъм на сърцето ти, което изпомпва кръв през тялото ти, спира да е регулярен. Оказва се, че най-ефективният начин да накараме сърцето да започне да бие нормално е просто да му пуснем "шок" с гигантски кондензатор. Когато сърцето на пациента бие твърде бързо или не бие в правилна последователност (наречено фибрилация), парамедиците прикрепят два електрода към гърдите на пациента. Тези електроди се свързват с дефибрилатор, който се състои от батерия и гигантски кондензатор. Когато парамедиците използват дефибрилатори, батериите бавно зареждат кондензаторите като добавят електрони към една плоча и премахват равен брой електрони от другата плоча. След като кондензаторът бъде зареден до зададеното напрежение, парамедиците бързо освобождават заряда на кондензатора през електродите на гърдите на пациента с надеждата да "рестартират" биенето на сърцето.

[Лицензиране]

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.