Электроёмкость и конденсаторы

Слайд 1. Электроёмкость и конденсаторы

Физика, 10 класс: от теории накопления заряда до практического применения

Слайд 2. Аналогия для понимания

Представьте два сосуда: узкий стакан и широкое ведро. Чтобы наполнить их до одного уровня, в ведро нужно налить гораздо больше воды.

Так же и с проводниками: одни могут «вместить» в себя большой заряд при малом потенциале, а другие — нет. Эта «вместимость» и называется электроёмкостью.

Слайд 3. Определение электроёмкости

Электроёмкость — физическая величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд.

Обозначается буквой $C$.

Формула для уединенного проводника: $C=\frac{q}{\phi }$.

Для системы из двух проводников: $C=\frac{q}{U}$.

Важно: $C$ не зависит от заряда $q$ или напряжения $U$, она определяется геометрией и средой.

Слайд 4. График зависимости $q(U)$

Поскольку электроёмкость проводника постоянна, зависимость заряда от напряжения является прямой пропорциональностью.

Тангенс угла наклона этой прямой к оси напряжений численно равен ёмкости $C$. Чем круче идет график, тем больше ёмкость данного проводника.

Слайд 5. Единицы измерения ёмкости

Слайд 6. Устройство конденсатора

Конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика.

Толщина диэлектрика обычно очень мала по сравнению с размерами обкладок. Это позволяет электрическим полям зарядов на обкладках концентрироваться внутри конденсатора, почти не выходя наружу.

Слайд 7. Зарядка и разрядка

При подключении к источнику тока свободные электроны перетекают с одной обкладки на другую. В результате обкладки приобретают равные по модулю, но противоположные по знаку заряды $+q$ и $-q$.

Если соединить обкладки проводником, заряды нейтрализуют друг друга. В цепи возникнет кратковременный электрический ток, а энергия электрического поля превратится в другие виды энергии.

Слайд 8. Плоский конденсатор

Это простейшая модель: две параллельные пластины площадью $S$ на расстоянии $d$ друг от друга.

Формула ёмкости: $C=\frac{\epsilon {\epsilon }_{0}S}{d}$.

$\epsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды.

${\epsilon }_0$ — электрическая постоянная ($8,85\cdot 10^{-12}$ Ф/м).

Слайд 9. От чего зависит ёмкость?

Площадь пластин ($S$): чем больше площадь, тем больше заряда можно «разместить» на поверхности.

Расстояние ($d$): чем меньше расстояние, тем сильнее притяжение между зарядами на разных обкладках, что удерживает их.

Вещество ($\epsilon$): диэлектрик ослабляет электрическое поле внутри, что позволяет добавить ещё больше заряда при том же напряжении.

Слайд 10. Влияние диэлектрика

Диэлектрическая проницаемость $\epsilon$ показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с данным диэлектриком больше, чем в вакууме. Вода имеет высокий показатель, но не используется из-за проводимости.

Слайд 11. Энергия заряженного конденсатора

Заряженный конденсатор — это накопитель энергии электрического поля.

Энергия вычисляется по формулам:

$W=\frac{qU}{2}=\frac{C{U}^2}{2}=\frac{q^2}{2C}$.

Эта энергия выделяется при разрядке, например, в виде вспышки света или искры.

Слайд 12. Где применяют конденсаторы?

Сглаживают пульсации напряжения в блоках питания компьютеров и смартфонов.

Вместе с катушкой индуктивности позволяют настраивать радио на нужную волну.

Обеспечивают работу фотовспышек, отдавая всю энергию за миллисекунды.

Многие современные клавиши работают на изменении ёмкости при нажатии.

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

1. Почему ёмкость плоского конденсатора увеличивается при сближении пластин?

2. Заряженный конденсатор отключили от источника и раздвинули пластины. Как изменится напряжение на нём?

3. Можно ли использовать воду в качестве диэлектрика в реальных приборах?

4. В чём главное отличие конденсатора от обычного аккумулятора?

Слайд 14. Подведем итоги

Электроёмкость $C$ — способность накапливать заряд, измеряется в Фарадах (Ф).

Конденсатор состоит из двух обкладок и диэлектрика между ними.

Ёмкость зависит от площади $S$, расстояния $d$ и проницаемости $\epsilon$.

Конденсаторы хранят энергию $W=\frac{C{U}^2}{2}$ и широко используются в технике.