29 Электроемкость. Плоский конденсатор. Емкость конденсатора.
Применение конденсаторов в технике.
Конденсаторы. Простейшие способы разделения разноименных электрических зарядов — электризация при соприкосновении, электростатическая индукция — позволяют получить на поверхности тел лишь сравнительно небольшое число свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор — это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, так как равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению (рис. 145).
Электрическая емкость конденсатора. Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к напряжению между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора:
.
(42.1)
При неизменном расположении пластин электроемкость конденсатора является постоянной величиной при любом заряде на пластинах.
Единица
электроемкости. Единица
электроемкости в международной системе
— фарад (Ф).
Электроемкостью 1 Ф обладает такой
конденсатор, напряжение между обкладками
которого равно 1 В при сообщении обкладкам
разноименных зарядов по 1 Кл.
.
В
практике широко используются дольные
единицы электроемкости — микрофарад
(мкФ), нанофарад (нФ) и пикофарад (пФ):
1 мкФ = 10-6 Ф;
1 нФ = 10-9 Ф;
1 пФ = 10-12 Ф.
Электроемкость
плоского конденсатора. Напряженность 
поля
между двумя пластинами плоского
конденсатора равна сумме напряженностей
полей, создаваемых каждой из пластин:
.
Если на пластинах площадью S находятся электрические заряды + q и - q, то на основании формул (38.5) и (38.6) для модуля напряженности поля между пластинами можем записать
.
(42.2)
Для
однородного электрического поля связь
между напряженностью
и
напряжением U дается
выражением 
,
где d—
в данном случае расстояние между
пластинами, U —
напряжение на конденсаторе.
Из
выражений (42.1), (42.2) и (40.11) получаем
.
(42.3)
Электроемкость
конденсатора прямо пропорциональна
площади обкладок и обратно пропорциональна
расстоянию между обкладками.
При
введении диэлектрика между обкладками
конденсатора его электроемкость
увеличивается в 
раз:
.
(42.4)
Устройство и типы конденсаторов. Выражение (42.3) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади S его пластин, уменьшения расстояния d между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости . В целях экономии материалов металлические электроды конденсаторов обычно изготавливаются в виде тонкой фольги. В качестве изолирующей прокладки используется парафинированная бумага, полистирол, слюда, керамика. По типу используемого диэлектрика конденсаторы называются бумажными, слюдяными, полистирольными, керамическими, воздушными. Бумажный конденсатор изготавливают из двух полос металлической фольги, изолированных друг от друга полосами парафинированной бумаги. Полосы фольги и бумаги сворачиваются в рулон и помещаются в металлический или фарфоровый корпус. Через специальные изоляторы от листов фольги делается два вывода для подключения конденсатора в электрическую цепь (рис. 146). Аналогичное устройство имеют и конденсаторы других типов.
Наряду с конденсаторами постоянной электроемкости в практике применяются конденсаторы переменной электроемкости. Электроемкость конденсатора обычно регулируется изменением взаимного положения его пластин. При увеличении площади пластин, находящихся друг против друга, электроемкость конденсатора увеличивается, при уменьшении — уменьшается.
Энергия заряженного конденсатора. Зарядим конденсатор и затем подключим к его выводам электрическую лампу (рис. 147). При подключении лампы наблюдается кратковременная вспышка света. Из этого опыта следует, что заряженный конденсатор обладает энергией.
Если на обкладках конденсатора электроемкостью C находятся электрические заряды + q и - q, то согласно формуле (42.1) напряжение между обкладками конденсатора равно
.
(42.5)
В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду q от первоначального значения U до 0. Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно
.
(42.6)
Для работы А, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора, будем иметь:
.
(42.7)
Следовательно, потенциальная энергия Wp конденсатора электроемкостью C, заряженного до напряжения U, равна
.
(42.8)
Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность Eполя пропорциональна напряжению U, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряженности.
Применение конденсаторов. Конденсаторы как накопители электрических зарядов и энергии электрического поля широко применяются в различных радиоэлектронных приборах и электротехнических устройствах. Они используются для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока, для разделения постоянной и переменной составляющих тока, в электрических колебательных контурах радиопередатчиков и радиоприемников, для накопления больших запасов электрической энергии при проведении физических экспериментов в области лазерной техники и управляемого термоядерного синтеза.