Электрическая емкость конденсатора

Два проводника, которые изолированы друг от друга и помещены вблизи, образуют конденсатор.

Проводники, образующие конденсатор, заряжают одинаковыми по величине и разноименными зарядами.

Широкое применение в практике находит плоский конденсатор, состоящий из двух плоских параллельных металлических пластин, разделенных слоем диэлектрика. Дистанция между пластинами мала по сравнению с их размером. Пластины конденсатора называют обкладками конденсатора.

Чтобы зарядить пластины равными противоположными зарядами, можно присоединить их к полюсам электрической машины. Тогда на одну пластину перейдет отрицательный заряд, на другую же – положительный заряд.

Можно соединить одну из пластин с полюсом машины, а другую заземлить; тогда на другой пластине по индукции возникнет заряд, одинаковый по величине и разноименный по знаку заряду первой пластины. Если пластину А зарядить положительно, то пластина В по индукции заряжается отрицательно; положительный же заряд пластины В нейтрализуется электронами, притекшими на пластину с земли, которая является практически неисчерпаемым их источником. Привлекаясь к положительно заряженной пластине А, отрицательный заряд В будет располагаться по внутренней поверхности пластины, обращенной к А.

В случае если пластина А заряжена отрицательно, то свободные электроны пластины В отталкиваются от пластины А и уходят в землю, пластина В при этом заряжается положительно.

В обоих случаях заряды сосредоточены только на обращенных друг к другу поверхностях А и В.

Отсутствие зарядов на наружных поверхностях дает возможность целиком передавать заряды конденсатору посредством наружных сторон пластин. Заряд конденсатора определяется зарядом одной из его пластин, так как на другой по индукции возникает равный по величине заряд.

Соединим одну пластину конденсатора со стрежнем электрометра, а другую пластину и корпус электрометра заземлим. С помощью пробного шарика будем передавать конденсатору заряд последовательно равными порциями. Мы заметим, что при увеличении заряда в 2, 3, 4 и более раз соответственно в 2, 3, 4 и более раз возрастает разность потенциалов конденсатора.

Эта величина, которая измеряется отношением заряда конденсатора к разности потенциалов его пластин (или обкладок) и есть емкость конденсатора.

Обозначая ее буквой С, можно написать:

C = q/(ϕ1 – ϕ2).

Электрическое поле конденсатора практически сосредоточено между пластинами внутри него, поэтому окружающие его тела не влияют на емкость конденсатора.

Проведем опыт. Возьмем плоский конденсатор, состоящий из двух металлических пластин А и В, укрепленных на изоляторах.

Соединим с электрометром пластину А, пластину же В заземлим. Зарядим пластину А, электрометр отметит при этом некую разность потенциалов конденсатора. Если приближать пластину В к А, то можно заметить, что разность потенциалов пластин уменьшается.

Уменьшение разности потенциалов пластин конденсатора при неизменном заряде на нем указывает на увеличение его емкости.

Таким образом, емкость плоского конденсатора будет тем больше, чем меньше дистанция между пластинами либо же чем меньше толщина диэлектрика, заключенного между пластинами.

Сдвигая пластину В относительно пластины А вверх и вниз, мы будем менять площади пластин, взаимно перекрывающих друг друга. Наблюдая при этом за показаниями электрометра, можно установить, что чем больше площадь взаимно перекрывающихся пластин конденсатора, тем больше его емкость. Чем больше площадь пластин конденсатора, тем больший заряд можно сосредоточить на них при данной равности потенциалов.

Проделаем еще один опыт. Для этого расположим пластины конденсатора А и В на каком-либо расстоянии одна от другой, и пластину А зарядим.

Заметим величину разности потенциалов, когда в роли диэлектрика выступает воздух. Теперь разместим между пластинами стеклянный лист или любой другой диэлектрик; мы увидим, что разность потенциалов ними уменьшится. Чтобы поднять ее до прежнего уровня, необходимо добавить на пластину А заряд. Из этого следует, что замена слоя воздуха между пластинами конденсатора любым другим диэлектриком увеличивает его емкость.

Пусть С₀ - емкость конденсатора, когда между его пластинами пустота или воздух, а С – его емкость с использованием диэлектрика.

Разделив С и С₀, найдем диэлектрическую проницаемость диэлектрика ԑ:

ԑ = С/С₀.

Таким образом, чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика, тем больше электрическая емкость конденсатора.