Электроемкостью двух проводников называют отноше­ние заряда одного из проводников к разности потенциа­лов между ними:

Чем меньше напряжение U между проводниками при сообщении им зарядов +| q | и -\ q \, тем больше электроем­кость проводников. На проводника можно накопить боль­шие заряды, не вызывая пробоя диэлектрика. Но сама электроемкость не зависит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающего между ними напряжения.

Единицы электроемкости. Формула позволяет ввести единицу электроемкости.

Электроемкость двух проводников численно равна единице, если при сообщении им зарядов +1 Кл и -1 Кл между ними возникает разность потенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф); 1 Ф = 1 Кл/В.

Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф оказывается очень большой. Поэтому на практике часто ис­пользуют доли этой единицы: микрофарад (мкФ) — 10^-6 Ф и пикофарад (пФ) — 10^-12 Ф.

Конденсатор. Большой электроемкостью обладают сис­темы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

П ростейший плоский конденсатор состоит из двух оди­наковых параллельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга (рис.1). Если заряды плас­тин одинаковы по модулю и противоположны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчива­ются на отрицательно заряженной (см. рис.). По­этому почти все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора и однородно. рис.1. Под зарядом конденсатора понимают абсолютное зна­чение заряда одной из обкладок.

Электрические поля окружающих тел почти не прони­кают внутрь конденсатора и не влияют на разность потен­циалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденсатора практически не зависит от наличия вблизи него каких-либо других тел.

Электроемкость плоского конденсатора. Геометрия плос­кого конденсатора полностью определяется площадью S его пластин и расстоянием d между ними. От этих величин и должна зависеть емкость плоского конденсатора.

Чем больше площадь пластин, тем больший заряд мож­но на них накопить: q ~ S. С другой стороны, напряжение между пластинами согласно формуле пропорцио­нально расстоянию d между ними. Поэтому емкость

Кроме того, емкость конденсатора зависит от свойств диэлектрика между пластинами. Так как диэлектрик ослабляет поле, то электроемкость при наличии диэлектрика увеличивается.

В итоге емкость плоского конденсатора определяется:

Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. Вычислить энергию заряженного плос­кого конденсатора с однородным полем внутри него не­сложно.

Энергия заряженного конденса­тора.

Выведем формулу для энергии плоского конденсатора.

Напряженность поля, созданно­го зарядом одной из пластин, равна Е/2, где Е — напряженность поля в конденсаторе. В однородном поле одной пластины находится заряд q, распределенный по по­верхности другой пластины (рис.). Согласно формуле для потенциальной энергии заряда в однородном поле энергия конденсатора равна:

где q — заряд конденсатора, a d — расстояние между пла­стинами.

Так как Ed = U, где U — разность потенциалов между обкладками конденсатора, то его энергия равна:

Эта энергия равна работе, которую совершит электри­ческое поле при сближении пластин вплотную.

Заменив в формуле разность потенциалов или заряд с помощью выражения для электроемкости конденсатора, получим:

Можно доказать, что эти формулы справедливы для любого конденсатора, а не только для плоского.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движе­ние заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свобод­ных электронов или ионов.

Если перемещать нейтральное в це­лом тело, то, несмотря на упорядочен­ное движение огромного числа элект­ронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, бу­дет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Электрический ток имеет опреде­ленное направление. За направление тока принимают направление движе­ния положительно заряженных час­тиц. Отсюда следует, что направление тока совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля.

Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц. (Такой выбор направле­ния тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электро­нов — отрицательно заряженных частиц. Выбор направле­ния тока был сделан в то время, когда о свободных элект­ронах в металлах еще ничего не знали.)

Электрический ток, как известно, может быть получен только в таком веществе, в котором имеются свободные за­ряженные частицы. Чтобы эти частицы пришли в упоря­доченное движение, нужно создать в проводнике электри­ческое поле.

Действие тока. Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, кото­рые его сопровождают.

Во-первых, проводник, по которому течет ток, нагрева­ется.

Во-вторых, электрический ток может изменять химиче­ский состав проводника, например выделять его химиче­ские составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).

В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на сосед­ние токи и намагниченные тела. Это действие тока называ­ется магнитным. Так, магнитная стрелка вблизи проводни­ка с током поворачивается. Магнитное действие тока в от­личие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Хи­мическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверх­проводников.

Сила тока. Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение про­водника все время переносится электрический заряд. За­ряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока. Если через поперечное сечение проводника за вре­мя ∆t переносится заряд ∆q, то среднее значение силы тока равно:

Таким образом, средняя сила тока равна отношению заряда ∆q, прошедшего через поперечное сечение провод­ника за промежуток времени ∆t, к этому промежутку времени. Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Если ток переменный, то сила тока, подобно заряду, — величина переменная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направ­лений вдоль проводника принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направле­нием вдоль проводника. В противном случае I< 0.

С вязь силы тока со скоростью направленного движе­ния частиц. Пусть цилиндрический проводник имеет поперечное сечение площадью S. За положительное направление в проводнике примем направление слева на­право. Заряд каждой частицы будем считать равным q₀. В объеме проводника, ограниченном поперечными сечени­ями 1 и 2 с расстоянием ∆l между ними, содержится nS∆l частиц, где п — концентрация частиц (носителей тока). рис. 1

И х общий заряд в выбранном объеме q = q₀ nS∆l. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью v, то за время все частицы, заключенные в рассматрива­емом объеме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэто­му сила тока равна:

В СИ единицей силы тока является ампер (А). Эту еди­ницу устанавливают на основе магнитного взаимодействия токов.

Измеряют силу тока амперметрами. Принцип устрой­ства этих приборов основан на магнитном действии тока.

Н а участке цепи, изображенной на рисунке , ток направлен от точки 1 к точке 2. Разность по­тенциалов (напряжение) на концах проводника равна U = φ₁- φ₂.

Так как ток направлен слева на­право, то напряженность электрического поля направле­на в ту же сторону и φ₁ > φ₂.

Закон Ома для участка цепи: