Контрольні запитання.

1. Що називається : ємністю відокремленого провідника, ємністю конденсатора?

2. Що називається: конденсатором ?Чому дорівнює ємність плоского конденсатора?.

3. Що таке „ крайовий ефект” і за яких умов ним можна знехтувати?

4. Чому та як внесення діелектрика змінює ємність конденсатора?

5. Чому дорівнює ємність системи конденсаторів, з”єднаних: а) паралельно; б) послідовно?

6. Чи можна розглядати конденсатор з двома (або трьома) шарами діелектрика як два (або три) послідовно з”єднані прості конденсатори?

7. Що таке паразитна ємність і від чого залежить її величина?

8. Які існують види конденсаторів?

9. Де застосовуються конденсатори? Для чого?

10. В яких одиницях вимірюється ємність?

Додпток.

1. Трохи про історію конденсатора.

Перший конденсатор ( так звану “лейденську банку” ) створили німецький фізик Эвальд Юрген фон Клейст и голландський фізик Пітер ван Мушенбрук в Лейдені в 1745 році. Учень професора Мушенбрука багач Кюнеус пробував ‘зарядити електрикою” воду в скляній колбі, яку тримав у долонях. Для цього він під”єднав металевий ланцюжок до машини Геріке, а другий її кінець опустив в банку з водою. Коли, на його думку, зарядка закінчилася, Кюнеус вирішив вийняти ланцюжок з банки рукою – і отримав страшний електричний удар, від якого він мало не помер. ( Машина Геріке була створена раніше магдебурзьким бургомістром Отто фон Геріке і виглядала так: це була куля з сірки, яку можна було обертати. Якщо, обертаючи, притримувати долонями, то на кулі накопичується заряд). Новина про лейденську банку дуже скоро поширилася по Європі. Виготовлялися все нові, потужніші, банки, з їх допомогою отримували великі електричні іскри-іноді навіть до 10 см. Електричні досліди скоро стали навіть вишуканою розвагою. Ось як описується така розвага: “ Сімсот паризьких монахів взялися за руки. Коли перший монах доторкнувся до банки, всі сімсот монахів, зведені однією судомою, заверещали.” І так подорожували підприємливі експериментатори по великих і малих містах Європи, показуючи “ електричні чудеса”: запалювали спирт, вбивали курчат, викликали дивне світло в темноті. В 1747 році лейденську банку привезли в Америку, в Бостон. На лекцію про електрику прийшов високий, імпозантний, середніх років джентльмен. Це був Бенджамін Франклін (до речі, він зображений на 100-доларовій купюрі). Його настільки зацікавили побачені досліди, що він наступних сім років присвятив вивченню електричних явищ. Саме Б.Франклін ввів в науку поняття додатного та від”ємного зарядів, терміни “батарея”, “розряд”, “провідник”. Великою заслугою Франкліна є вияснення природи блискавки і створення громовідводу у 1760 р. Разом з тим Б.Франклін був ще й політиком. Він бере участь у складанні Декларації незалежності, а також у переговорах з Англією, внаслідок чого було признано повну незалежність американських колоній і утворилася незалежна держава – Сполучені Штати Америки.

2. Як виглядають і для чого потрібні конденсатори.

Мал.1.Плоский конденсатор Мал.2.

Ліворуч- конденсатора для поверхневого монтажу,

праворуч- конденсатори для об”ємного монтажу,

зверху-керамічні, знизу- електролітичні

На мал. 1 зображено плоский конденсатор, який складається з провідних паралельних пласти (які називаються обкладками конденсатора), розташованих близько одна від одної. Простір між пластинками може бути заповнений діелектриком. Важливим є те, що відстань між пластинами має бути набагато меншою, ніж площа пластин.

Існують сферичні конденсатори - це дві (або більше) концентричні провідні сфери; циліндричні конденсатори – дві (або більше) коаксіальні циліндричні поверхні.

Ємність конденсатора залежить від форми обкладок, геометричних розмірів і діелектричної проникливості діелектрика ( табл. 1).

Питомою ємністю називається відношення ємності конденсатора до об”єму ( маси) діелектрика. Висока питома ємність досягається при малих товщина діелектрика, але при цьому збільшується можливість пробою конденсатора.

Конденсатори поділяються на такі, що придатні для плоского монтажу та для об”ємного монтажу, а також на керамічні та електролітичні ( мал. 2).

Назва	Ємність	Електричне поле	Схема
Плоский конденсатор
Циліндричний конденсатор
Сферичний конденсатор
Сфера

( Тут площа пластин плоского конденсатора позначена буквою А)

По виду діелектрика конденсатори поділяються на:

• Конденсатори вакуумні (обкладки без діелектрика знаходятся в вакуумі).

• Конденсатори з газоподібним діелектриком.

• Конденсатори з рідким діелектриком.

• Конденсатори з твердим неорганічним діелектриком: скляні (склоемалеві, склокерамічні, склоплівкові), слюдяні, керамічні, тонкошарові з неорганчних плівок.

• Конденсатори з твердим органичним діелектриком:паперові, паперометалеві, плівкові, комбіновані —паперовоплівкові, тонкошарові з органічних синтетичних плівок.

• Електролітичні оксидно-напівпровідникові конденсатори. Такі конденсатори відрізняються від усіх інших типів своею величезною питомою ємністю. В якості діелектрика використовується оксидний шар на металічному аноді. Друга обкладка (катод) —це або електроліт (в електролітичних конденсаторах), або шар напівпровідника (в оксидно-напіпровідникових), нанесений безпосередньо на оксидний шар. Анод виготовляється залежності від типу конденсатора, з алюмінієвої, ніобієвої або танталовї фольги або зпеченного порошка.

Застосування конденсаторів.

Конденсатори використовуються практично в усіх галузях електротехніки:

1. конденсатори (разом з котушками індуктивності і/або резисторами) використовуються для побудови різних електричних кіл, зокрема, фільтрів, кіл зворотнього зв”язку, коливних контурів;

2. в фотоспалахах, електромагнітних прискорювачах, імпульсних лазерах з оптичною накачкою;

3. так як конденсатор здатен довший час зберігати заряд, то його можна використати як елемент памяті або пристрій для зберігання електричної енергії.

4. вимірюючий перетворювач (ВП) малих переміщень: мала зміна відстані між обкладками суттєво змінює ємність конденсатора;

5. вимірюючий преретворювач для визначення вологості повітря, деревини ( зміна складу діелектрика призводить до зміни ємності);

6. вимірювання рівня рідини ( непровідна рідина заповнює простір між обкладками і ємність конденсатора змінюється в залежності від рівня рідини).

З”єднання конденсаторів.

Конденсатори можна з”єднувати між собою послідовно або паралельно. Таке з”єднання називається батарея. Для отримання великих ємностей конденсатори з”єднують паралельно. При цьому напруга на обкладках конденсаторів однакова, і загальна ємність батареї дорівнює алгебраїчній сумі ємностей всіх конденсаторів:

Якщо у всіх паралельно з”єднаних конденсаторах відстань між обкладками і властивості діелектрика однакові, то ці конденсатори можна представити як один великий конденсатор, розділений на фрагменти меншої площі.

При послідовному з”єднанні конденсаторів заряди всіх конденсаторів однакові. Загальна ємність С такої батареї визначається за формулою (6):

(6)

Ця ємність завжди менша, ніж найменша ємність конденсатора, що входить у батарею. При такому з”єднанні зменшується напруга пробою. Якщо площі обкладок всіх конденсаторів, що з”єднані послідовно, однакові, то їх можна представити в вигляді одного великого конденсатора, між обкладками якого знаходиться стопка діелектричних пластин.

Лабораторна робота 2-4.

Вивчення залежності опору металічних

провідників від температури.

Мета роботи: дослідження залежності опору металів від температури, визначення температурного коефіцієнту опору.

Обладнання: термостат для нагрівання досліджуваного опору, електричний нагрівач, термометр, вимірювальний блок, який складається з реохорда, гальванометра, магазину опорів, джерела постійного струму( гальванічний елемент або акумуляторна батарея ), перемикач.

Теоретичний вступ.

Вимірюючи одночасно напругу на кінцях будь-якої ділянки провідника і силу струму, що протікає через цю ділянку, німецький фізик Георг Ом ( 1787 – 1854 ) встановив, що сила електричного струму пропорційна напрузі між кінцями цієї ділянки:

. (1)

Коефіцієнт пропорційності в цій формулі називається електричною провідністю провідника: , а - це електричний опір ( або просто опір )

Отже, чим більший опір провідника, тим менша сила струму на даній ділянці кола при заданій напрузі. Опір провідника залежить від його геометричних розмірів ( від довжини і площі поперечного перетину), матеріалу провідника і температури.

Для циліндричного провідника довжиною і площею поперечного перетину опір визначається формулою:

, (2)

де -питомий опір ( це опір однорідного провідника , який має одиничну довжину і одиничну площу поперечного перетину).

В системі одиниць СІ одиницею опору є ом (позначається Ом). Ом – це опір провідника, по якому при напрузі 1 В проходить струм 1 А.

Одиницею електричної провідності є сіменс ( См ).

Одиницею питомого опору є ом-метр ( Ом·м ).

Найкращими провідниками є метали ( срібло, мідь, алюміній, залізо). Вони мають кристалічну структуру: в вузлах кристалічної гратки знаходяться додатно заряджені іони, а слабо зв’язані електрони утворюють так званий "електронний газ". Іони, що знаходяться в вузлах гратки, здійснюють коливання відносно положення їх рівноваги. При проходженні струму електрони розсіюються на іонах. Чим більша температура металу, тим більша амплітуда коливань іонів і частішають зіткнення електронів з іонами. Оскільки зіткнення порушують впорядкований рух електронів, то зі збільшенням температури збільшується і опір проходженню струму.

Залежність опору металів від температури визначається приблизною формулою:

= (1+ , (3)

де t – температура в градусах Цельсія (°С), і – значення опору відповідно при 0 °С і при температурі , а і – індивідуальні константи металу, які визначаються експериментально. Оскільки виявляється, що b << a, то приблизно можна вважати, що

(4).

Питомий опір провідника також залежить від матеріалу провідника і від температури:

, (5)

де – питомий опір при температурі 0 °С, а – температурний коефіцієнт опору, який характеризує відносну зміну питомого опору при зміні температури на 1 °С або 1 К:

(6)

Температурні коефіцієнти опору речовин різні при різних температурах. Проте для багатьох металів залежність від температури незначна. Для всіх чистих металів опір приблизно прямо пропорційний до абсолютної температури в Кельвінах, і тому 1/273 К^1.

Важливість вивчення залежності опору металів від температури полягає в тому, що як в експериментальній фізиці, так і в техніці, для точного визначення температури широко застосовують так звані термометри опору. Частіше за все це дротяні опори, виготовлені, наприклад, з платинового дроту і проградуйовані в спеціальних термостатах. Такими термометрами можна дуже точно вимірювати як дуже великі, так і дуже малі температури. Діапазон застосування термометра опору набагато ширший, ніж у ртутного або рідинного термометрів, і користуватися ним набагато простіше. Наприклад, платиновим термометром опору можна вимірювати температур у діапазоні від 263 °С до +1000 °С з точністю до декількох десятитисячних градуса.