Максимальная напряженность поля конденсатора. Что такое электроемкость конденсатора

Как мы уже видели (см. § 80), проводник, обладающий большой электроемкостью, должен иметь очень большие размеры. Например, уединенный металлический шар емкостью в имеет радиус Можно, однако, создать такую систему, состоящую из проводников, разделенных диэлектриками, которая будет обладать большой емкостью при малых размерах. Такого рода электрическая система называется конденсатором. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластин - обкладок, разделенных тонким слоем диэлектрика (рис. 167). Обкладкам этого конденсатора, называемого плоским, сообщаются разноименные равные по величине заряды.

В соответствии с формулой (31) емкость С плоского конденсатора равна отношению заряда одной из его обкладок к разности потенциалов этих обкладок:

Введем обозначения: расстояние между обкладками конденсатора, площадь каждой обкладки, - поверхностная плотность заряда обкладки, диэлектрическая проницаемость среды, находящейся между обкладками. При малом значении можно считать поле внутри конденсатора однородным. Тогда, учитывая, что напряженность поля равна по величине градиенту потенциала, можно написать

или, учитывая формулу (18) и наличие диэлектрика,

Подставляя последнее выражение в формулу (51) и учитывая, что получим формулу емкости плоского конденсатора:

Из этой формулы следует, что емкость плоского конденсатора тем больше, чем больше площадь обкладок и диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей их, и чем меньше расстояние между обкладками.

Практически конденсатор обычно изготовляют из двух тонких, узких и длинных лент металлической фольги, проложенных очень тонкой лентой пропарафинированной бумаги. Получающаяся трехслойная полоса свертывается плотным рулоном. Такой конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает емкостью (металлический шар такой же емкости имел бы радиус В конденсаторах переменной емкости применяются обычно газообразные и жидкие диэлектрики.

В связи с тем, что вне конденсатора электрическое поле отсутствует (см. § 77), заряженный конденсатор не может индуцировать заряды на расположенных по соседству с ним проводниках. Поэтому соседние проводники не влияют на емкость конденсатора. Конденсаторы находят широкое применение в электротехнике.

Несколько конденсаторов можно объединить в батарею. Определим емкость конденсаторной батареи при параллельном и последовательном соединениях конденсаторов.

У всех параллельно соединенных конденсаторов разность потенциалов на обкладках одинакова и равна так как обкладки соединены проводником (рис. 168, а). Сумма одноименных зарядов на обкладках Емкость такой батареи равна

где емкость первого конденсатора, емкость второго конденсатора и

У последовательно соединенных конденсаторов (рис. 168, б) заряды всех обкладок одинаковы по величине и равны а разность потенциалов

Емкость такой батареи

где величина, обратная емкости первого конденсатора, величина, обратная емкости второго конденсатора, и т. д. Поэтому

Небезынтересно отметить, что орган для накапливания электрической энергии, имеющийся в некоторых рыб (электрический скат, электрический угорь и др.), представляет собой батарею конденсаторов значительной емкости, находящуюся под довольно высоким напряжением и развивающую при разряде большую мощность (у электрического угря напряжение достигает 1000 В, а разрядная мощность Эта батарея состоит из тонких чередующихся слоев проводящей (нервной) и непроводящей (соединительной) ткани. Электроэнергия вырабатывается нервной системой спинного мозга.

С помощью плоского конденсатора американский физик Милликен в 1909 г. впервые осуществил экспериментальное определение величины заряда электрод на Идея опыта Милликена состояла в следующем. Между горизонтально расположенными пластинами плоского конденсатора приложена разность

потенциалов измеряемая вольтметром V (рис. 169). Расстояние между пластинами нижняя пластина заряжена отрицательно. В пространство между пластинами вбрызгиваются посредством пульверизатора мельчайшие капельки жидкого масла, а воздух в этом пространстве ионизируется ультрафиолетовыми лучами. Образующиеся ионы могут присоединяться («прилипать») к масляным капелькам. В результате многие из капелек оказываются электрически заряженными.

На отрицательно заряженные капельки действуют две силы: направленная вниз сила тяжести

и направленная вверх электрическая сила

где масса капельки, ее заряд, напряженность электрического поля, ускорение силы тяжести. Наблюдая за одной из таких капелек с помощью микроскопа и изменяя посредством потенциометра разность потенциалов, можно подобрать такое значение , при котором капелька неподвижно повиснет в воздухе. Это означает, что по величине

Так как очень мелкие капельки практически шарообразны (см. § 59), то массу наблюдаемой капельки можно определить из очевидного соотношения

где диаметр капельки, измеряемый с помощью микроскопа плотность масла. Подставив в формулу (56) выражение массы (57) и выражение напряженности поля (52), получим соотношение

позволяющее рассчитывать величину заряда

На основе многочисленных измерений Милликен установил, что заряд оказывается всегда или равным, или кратным некоторому элементарному заряду т. е. заряду электрона.

Лекция 8. Энергия электрического поля

Понятие энергии электрического поля неразрывно связано с понятиями её накопления и расходования. Отсюда следует, что должны быть рассмотрены и накопители этой энергии – электрические конденсаторы. Существенно при этом понимание школьниками, насколько большая энергия может быть сосредоточена в сравнительно небольшом объёме современного конденсатора. Особую значимость имеют эксперименты, показывающие, в каких процессах эта энергия может быть использована для практических нужд.

Изучение электрической ёмкости и конденсаторов позволяет сопоставить примитивные, но принципиально важные методы электростатики с возможностями современных электроизмерительных приборов. К ним, в частности, относятся широко распространённые в быту цифровые мультиметры, позволяющие измерять ёмкости от единиц пикофарад. Поэтому можно сначала оценивать ёмкость и диэлектрическую проницаемостьметодами электростатики, а затем более точно измерять эти величины с помощью мультиметра.

Интересной методической проблемой является обоснование целесообразности введения понятия электроёмкости уединённого проводника и разработка оптимальной методики формирования этого понятия.

Сформировать понятие энергии электрического поля в полном объёме на уроках физики вряд ли удастся. Поэтому в классах профильного обучения необходимы внеурочные исследования учащихся.

8.1. Электроёмкость уединённого проводника

Выполняя исследования, учащиеся, конечно, заметили, что проводники могут накапливать и сохранять электрические заряды. Это свойство проводников характеризуется электрической ёмкостью. Выясним, как зависит потенциал уединённого проводника от его заряда. Потенциал можно измерять относительно бесконечно удалённой точки. На практике удобнее измерять потенциалы заряженных тел относительно земли.

На стержень электрометра наденем полый проводящий шар, и корпус электрометра соединим с заземлением. Электрометр будем использовать в качестве электростатического вольт-метра, измеряющего потенциал шара относительно земли или, что то же самое, разность потенциалов между шаром и землёй.

Пробным шариком, прикоснувшись к кондуктору источника электричества, перенесём внутрь шара некоторый заряд q . Стрелка электростатического вольтметра отклонится, показывая определённый потенциал . Повторим опыт, сообщая полому шару заряды 2q , 3q ... Обнаруживаем, что стрелка вольтметра отклоняется, показывая значения 2, 3...

Таким образом, отношение заряда Q проводящего тела к его потенциалу остаётся постоянным и характеризует электроёмкость проводника:

Заменим полый шар электрометра другим, например, меньшего размера, и повторим опыт. Наблюдаем, что при сообщении ему тех же зарядов q , 2q , 3q , ... вольтметр показывает значения, растущие пропорционально заряду, но бльшие, чем в предыдущей серии опытов. Значит, ёмкость C = Q / этого шара меньше.

В системе СИ электрическая ёмкость выражается в фарадах : 1 Ф = 1 Кл/1 В.

8.2. Электроёмкость сферического проводника

Пусть в среде с диэлектрической проницаемостью находится сферический проводник радиусом R . Если потенциал в бесконечности считать равным нулю, то потенциал заряженной сферы

Тогда электрическая ёмкость сферы радиусом R есть Таким образом, ёмкость уединённого проводящего шара пропорциональна его радиусу.

Простые опыты показывают, что тела, несущие электрический заряд, можно считать уединёнными в том случае, если окружающие тела не вызывают значительного перераспределения заряда на них.

8.3. Конденсатор

Изготовим конденсатор из двух одинаковых проводящих пластин, расположенных параллельно, и соединим его с электрометром, выполняющим функцию вольтметра. На стержень электрометра насадим полую проводящую сферу. Зарядим одну из пластин пробным шариком, перенеся им заряд q с наэлектризованной эбонитовой палочки или иного источника электричества. При этом вольтметр покажет некоторое напряжение U между пластинами.

Будем переносить внутрь полой сферы, а значит, и на пластину конденсатора равные заряды. При этом увидим, что показания вольтметра увеличиваются на равные значения. Значит, система двух проводящих пластин обладает ёмкостью

и может выполнять функцию конденсатора – накопителя электрического заряда. Подчеркнём, что здесь q – заряд одной из пластин конденсатора.

8.4. Ёмкость плоского конденсатора

Вычислим теоретически электрическую ёмкость плоского конденсатора. Напряжён ность поля, создаваемого одной из его пластин где – поверхностная плотность заряда на пластине. Согласно принципу суперпозиции напряжённость электрического поля между пластинами конденсатора в два раза больше (см. исследование 5.7):

Так как поле однородное, то разность потенциалов между пластинами, расположенными на расстоянии d друг от друга, равна Отсюда ёмкость плоского конденсатора есть :

Подтвердим теорию экспериментом. Для этого соберём плоский конденсатор, зарядим его и соединим пластины с электростатическим вольтметром. Оставив заряд конденсатора неизменным, будем менять остальные его параметры, наблюдая за вольтметром, показания которого обратно пропорциональны ёмкости конденсатора:

Увеличение расстояния d между пластинами конденсатора ведёт к пропорциональному увеличению напряжения между ними, значит, ёмкость конденсатора С ~ 1/d . Смещая пластины друг относительно друга так, чтобы они оставались параллельными, будем увеличивать площадь перекрытия пластин S . При этом в той же степени уменьшается напряжение между ними, т.е. растёт ёмкость конденсатора: С ~ S . Заполним промежуток между пластинами диэлектриком с диэлектрической проницаемостью и увидим, что показания вольтметра уменьшатся в раз, т.е. С ~ .

Так как заряд системы оставался неизменным, то можно сделать вывод, что ёмкость конденсатора прямо пропорциональна площади перекрытия пластин, обратно пропорциональна расстоянию между ними и зависит от свойств среды, т.е. С ~ S /d , что и подтверждает формулу (8.2). Значение электрической постоянной 0 получаем, измерив в опытах U , q , d , S , и вычислив ёмкость один раз по формуле (8.1), а другой – по формуле (8.2).

8.5. Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении двух конденсаторов ёмкостями С 1 и С 2 напряжения на них одинаковы и равны U , а заряды q 1 и q 2 различны. Понятно, что общий заряд батареи равен сумме зарядов конденсаторов q = q 1 + q 2 , а её ёмкость:

(8.3)

8.6. Последовательное соединение конденсаторов

К батарее из двух последовательно соединённых конденсаторов подключим электростатический вольтметр с полой сферой. Сообщим соединённой с вольтметром обкладке первого конденсатора заряд +q . По индукции вторая обкладка этого конденсатора приобретёт заряд –q , а соединённая с ней проводником обкладка второго конденсатора – заряд +q . В результате оба конденсатора будут нести одинаковый заряд q . При этом напряжения на конденсаторах различны. Понятно, что сумма напряжений на каждом из конденсаторов равна общему напряжению батареи:

Но U = q /С , U 1 = q /С 1 , U 2 = q /С 2 , поэтому ёмкость батареи определяется формулой

8.7. Энергия плоского конденсатора

Сообщим одной из пластин плоского конденсатора заряд q такой величины, чтобы разность потенциалов между пластинами стала равна U . Если расстояние между пластинами d , то напряжённость электрического поля в конденсаторе Е = U /d .

Одна из пластин конденсатора с зарядом q находится в созданном второй пластиной однородном электрическом поле напряжённостью Е /2, поэтому на неё действует сила притяжения ко второй пластине f = qE /2. Потенциальная энергия заряда q в этом поле равна работе, которую совершает электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную:

Подставляя в это равенство значение Ed = U и пользуясь формулой (8.1), получаем, что энергия электрического поля между пластинами конденсатора:

(8.5)

8.8. Энергия произвольного конденсатора

Полученная формула справедлива не только для плоского, но и вообще для любого конденсатора. Действительно, напряжение на конденсаторе данной ёмкости прямо пропорционально его заряду U = q/C. Если заряд изменился на малую величину q , то электрическое поле совершило работу А = U q . Полная работа поля, очевидно, равна площади под графиком:

Ситуация не изменится, если вместо конденсатора использовать уединённый проводник. Его потенциал (относительно бесконечности) равен = q/С , поэтому энергия электрического поля

8.9. Экспериментальное определение энергии, запасённой конденсатором

Энергию конденсатора будем измерять по тепловому действию. В пробирке расположим тонкую металлическую спираль. Пробирку закроем пробкой с капиллярной трубкой, внутри которой находится капля воды. Мы получили газовый термометр – прибор, в котором смещение капли в трубке пропорционально количеству теплоты, выделившемуся в пробирке. К спирали через разрядный промежуток из двух металлических шариков подключим конденсатор, параллельно которому подсоединим электрометр с полым шаром. Для заряда конденсатора будем использовать любой источник электричества и металлический шарик на изолирующей ручке.

Зарядим конденсатор до некоторого напряжения и, сблизив шарики, разрядим его через спираль. При этом капля в трубке переместится на определённое расстояние. Так как разряд происходит быстро, то процесс нагревания воздуха в пробирке можно считать адиабатическим, т.е. происходящим без теплообмена с окружающей средой.

Подождём, пока воздух в пробирке охладится, а капля вернётся в исходное положение. Увеличим напряжение в два, а затем в три раза. После разрядов капля переместится на расстояние, соответственно в четыре и девять раз превышающее первоначальное. Заменим конденсатор на другой, ёмкость которого в два раза больше, и зарядим его до исходного напряжения. Тогда при разряде капля переместится в два раза дальше.

Таким образом, опыт подтверждает справедливость формулы (8.5) W = СU 2 /2, согласно которой энергия, запасённая в конденсаторе, пропорциональна его ёмкости и квадрату напряжения.

8.10. Плотность энергии электрического поля

Выразим энергию электрического поля между обкладками конденсатора такой формулой, чтобы в ней не было величин, характеризующих сам конденсатор, и остались бы только величины, характеризующие поле. Понятно, что этого можно достичь только одним способом: вычислить энергию поля, приходящуюся на единицу объёма. Так как напряжение на конденсаторе U = Ed , а его ёмкость то подстановка этих выражений в формулу (8.5) даёт:

Величина Sd представляет собой объём V электрического поля в конденсаторе. Поэтому плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату его напряжённости.

Исследование 8.1. Измерение ёмкости плоского конденсатора с помощью мультиметра

Информация. В последние годы стали доступны цифровые мультиметры самых различных типов. Эти приборы в принципе позволяют измерять напряжение, силу тока, сопротивление, температуру, ёмкость, индуктивность, определять параметры транзисторов. Перечень измеряемых мультиметром величин определяется типом мультиметра. Нас сейчас интересуют мультиметры, допускающие измерение ёмкости; к ним относятся, например, приборы типов М890G и DТ9208А. Для определённости в дальнейшем мы будем иметь в виду последний прибор.

Проблема. Как экспериментально подтвердить справедливость теоретически полученной формулы для ёмкости конденсатора?

Задание. Разработайте демонстрационный эксперимент, позволяющий на уроке подтвердить справедливость формулы (8.2) для ёмкости плоского конденсатора с воздушным диэлектриком.

Вариант выполнения.

Соберите плоский конденсатор из круглых пластин, входящих в комплект приборов по электростатике, и подключите к нему мультиметр. Линейкой измерьте диаметр пластин и расстояние между ними. По формуле (8.2) вычислите ёмкость конденсатора и сравните получившееся значение с измеренным. В демонстрационном опыте могут получиться, например, следующие результаты: диаметр пластин конденсатора D = 0,23 м, расстояние между пластинами d = 0,01 м, вычисленная по формуле ёмкость: мультиметр показывает такое же значение.

Изменяйте расстояние между пластинами, площадь перекрытия пластин конденсатора и вводите между ними различные диэлектрики. При этом соответствующим образом изменяются измеренные мультиметром значения ёмкости конденсатора. Вместе с учащимися проанализируйте результаты опыта и сделайте вывод относительно справедливости формулы (8.2).

Исследование 8.2. Определение диэлектрической проницаемости методом измерения ёмкости

Задание. Используя цифровой мультиметр, определите диэлектрические проницаемости различных веществ.

Вариант выполнения. Соберите плоский конденсатор с воздушным диэлектриком, измерьте расстояние d между обкладками и ёмкость С 0 конденсатора. Измерьте толщину l плоскопараллельной пластины диэлектрика, аккуратно введите диэлектрик между обкладками и мультиметром измерьте ёмкость С . По формуле вычислите диэлектрическую проницаемость вещества. Подскажите учащимся, как выводится эта формула. Измерьте диэлектрические проницаемости стекла, оргстекла, винипласта, текстолита, полиэтилена и т.д. Сравните получившиеся значения с табличными.

Исследование 8.3. Параллельное и последовательное соединения конденсаторов

Задание. Используя цифровой мультиметр, подтвердите справедливость формул (8.3) и (8.4) для ёмкости параллельно и последовательно соединённых конденсаторов.

Вариант выполнения .

Подберите радиотехнические конденсаторы ёмкостью от десятков пикофарад до десятков нанофарад и с помощью мультиметра определите их ёмкости. Обратите внимание на то, что измеренные значения, как правило, не совпадают с обозначенными на корпусах конденсаторов. Это объясняется тем, что допустимая погрешность ёмкости радиотехнических конденсаторов достигает 20%. Конденсаторы соедините параллельно, измерьте результирующую ёмкость и убедитесь, что она равна сумме ёмкостей каждого из конденсаторов. Затем соедините конденсаторы последовательно и убедитесь, что величина, обратная результирующей ёмкости, равна сумме величин, обратных ёмкостям соединённых конденсаторов.

Учащимся можно предложить количественные задачи по вычислению ёмкости различных батарей конденсаторов с последующей проверкой решения в реальном эксперименте.

Исследование 8.4. Работа электрического поля

Задание . При поднесении заряженного тела к лежащим на поверхности лёгким шарикам они начинают подпрыгивать. Используя это явление, экспериментально покажите, что работа электрического поля по перемещению заряда пропорциональна разности потенциалов, которую прошёл этот заряд: А = qU.

Вариант выполнения .

Возле дна пластиковой бутылки горизонтально закрепите неподвижный плоский электрод, а над ним параллельно – подвижный электрод. К стенке бутылки приклейте шкалу с миллиметровыми делениями. Между электродами поместите пенопластовый шарик, обёрнутый тонкой алюминиевой фольгой. Электроды подключите к высоковольтному источнику. При подаче напряжения на электроды шарик начнёт подпрыгивать. Увеличивая напряжение, добейтесь того, чтобы шарик подпрыгивал на высоту h , равную расстоянию d между электродами. В этом случае работа электрического поля по перемещению заряженного шарика А = qU = mgh . Увеличьте напряжение в два раза и убедитесь, что высота h также возрастёт в два раза. Сделайте вывод из опыта.

Заметьте, что разность потенциалов выражается через напряжённость электрического поля формулой U = Ed . Так как, по условиям опыта, h = d , то на оторвавшийся от нижнего электрода шарик со стороны электрического поля действует постоянная по модулю сила F = Eq = mg .

Исследование 8.5. Электростатический двигатель

Задание. Используйте явление электрического ветра (см. исследование 7.7) для построения действующей модели электростатического двигателя.

Вариант выполнения. Первым изготовил электростатический двигатель один из основоположников учения об электричестве, выдающийся американский учёный Б.Франклин. Так называемое колесо Франклина имеется в любом кабинете физики (фото вверху).

Дома школьники могут изготовить простейшую модель такого двигателя, если на один из электродов пьезоэлектрического источника наденут вырезанную из алюминиевой фольги фигуру в форме сегнерова колеса (фото внизу). Периодически нажимая на рычаг источника, они смогут привести получившееся колесо Франклина в непрерывное вращение.

На фотографии гораздо более мощный электростатический двигатель, который способен вращать даже крыльчатку вентилятора. Прибор собран на пластиковой бутылке.

Исследование 8.6. Энергия заряженного конденсатора

Задание. Учащиеся надолго запомнят свойство конденсатора накапливать электрическую энергию, если прямо на их глазах собрать конденсатор и продемонстрировать его в работе. Предложите простой способ изготовления такого конденсатора, который способен поразить воображение школьников.

Вариант выполнения. Приготовьте две дюралевые пластины размером, например, 15 15 см. Из толстой полиэтиленовой плёнки вырежьте прямоугольник размером примерно 20 20 см и, проложив его между пластинами, соберите конденсатор. Включите высоковольтный источник, установите напряжение 10 кВ и, сблизив электроды источника, покажите проскакивающую между ними искру. Затем от того же источника при том же напряжении зарядите собранный на демонстрационном столе конденсатор. Разрядите конденсатор и покажите, что получается гораздо более мощная искра, чем при разряде между электродами источника. Обратите внимание на необходимость соблюдения правил техники безопасности при работе с конденсаторами.

Исследование 8.7. Батарея гальванических элементов

Проблема. Учащимся хорошо знакомы отдельные элементы и батареи гальванических элементов, которые широко используются в быту. Школьники знают, что эти приборы характеризуются напряжением и способны давать электрический ток. Однако напряжение указанных источников не превышает нескольких вольт, а в электростатике используются напряжения в тысячи и десятки тысяч вольт. Поэтому заряды на электродах гальванических источников практически никак себя не проявляют. Как экспериментально доказать, что на выводах батарей гальванических элементов действительно имеются электрические заряды, физическая природа которых такая же, как тех, которые обнаруживаются в опытах электростатики?

Задание. Поставьте эксперимент, позволяющий обнаружить заряды на выводах батареи гальванических элементов и определить их знак.

Вариант выполнения .

В комплект к электрометрам входит дисковый конденсатор, представляющий собой два металлических диска диаметром 100 мм, рабочие поверхности которых покрыты тонким слоем лака. Один из дисков имеет крепление для насадки на стержень электрометра, второй снабжён изолирующей ручкой.

Используя указанное оборудование и ориентируясь по фотографии, выполните задание.

Исследование 8.8. Оценка энергии заряженного конденсатора

Информация. Выполняя исследование 2.7, вы убедились, что энергию электрического поля можно оценить по вспышке лампы накаливания, происходящей при разряде создающих поле заряженных тел. Действительно, при разряде потенциальная энергия неподвижных зарядов переходит в кинетическую энергию движущихся зарядов, заряды нейтрализуются, и поле исчезает. Движение свободных зарядов по проводнику вызывает его нагревание.

Задание. Приготовьте две батарейки по 4,5 В, два электролитических конденсатора ёмкостью по 1000 мкФ, рассчитанных на рабочее напряжение не ниже 12 В, и четыре лампочки для карманного фонаря на напряжение 1 В. Докажите, что энергия заряженного конденсатора пропорциональна его ёмкости и квадрату напряжения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какова методика введения и формирования понятия электрической ёмкости проводника и системы проводников?

2. Как в демонстрационном эксперименте можно обосновать справедливость формулы для ёмкости плоского конденсатора?

3. Насколько целесообразна демонстрация непосредственно на уроке сущности метода определения диэлектрической проницаемости вещества?

4. Предложите методику введения и формирования понятия плотности энергии электрического поля.

5. Разработайте серию исследовательских заданий учащимся по экспериментальному обоснованию построения электростатических двигателей.

6. Перечислите наиболее яркие опыты, демонстрирующие накопление электрической энергии конденсаторами.

7. Как доказать, что используемые в быту батареи гальванических элементов принципиально ничем не отличаются от электростатических источников электричества?

8. Какими экспериментами можно подтвердить, что энергия, запасённая в конденсаторе, пропорциональна его ёмкости и квадрату напряжения?

Литература

Бутиков Е.И. , Кондратьев А.С. Физика: Учеб. пособие: В 3 кн. Кн. 2. Электродинамика. Оптика. – М.: Физматлит, 2004.

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома: Под ред. А.А.Покровского. – М.: Просвещение, 1972.

Майер В.В. , Майер Р.В. Электричество. Учебные исследования: Библиотека учителя и школьника. – М.: ФМЛ, 2007.

Шилов В.Ф. О первоочередных мерах по материально-техническому обновлению кабинета физики. – Учебная физика, 2000, № 4.

Электрическое поле и конденсатор

Если к двум отдельным проводам приложить напряжение, то в пределах пространства между ними возникнет электрическое поле. До этого момента мы с вами изучали взаимодействие тока, напряжения и сопротивления в пределах электрических цепей, которые служат проводящими путями для потока электронов. Теперь, когда мы говорим о полях, мы имеем дело с взаимодействиями, происходящими в пространстве.

Понятие "поле" несколько абстрактно. Если электрический ток представить себе не так уж сложно (крошечные частицы, называемые электронами, передвигаются между ядрами атомов внутри проводника), то с полем дела обстоят совершенно иначе.

Несмотря на абстрактный характер полей, каждый из вас не раз с ними сталкивался, по крайней мере в виде магнитов. Если вы когда-нибудь играли с парой магнитов, то не могли не заметить, что они притягиваются или отталкиваются друг от друга в зависимости от относительной ориентации. Между двумя магнитами существует неоспоримая сила, и сила эта нематериальна. Она не имеет ни массы, ни цвета, ни запаха, и проявляется только на самих магнитах, совершенно не действуя на человеческое тело. Физики описывают взаимодействие магнитов с точки зрения магнитных полей в пространстве между ними. Если возле магнита рассыпать металлические опилки, то они сориентируются вдоль линий поля, визуально указывая на его присутствие.

Темой данного раздела являются электрические поля (у которых много общего с магнитными), и устройства которые их используют - конденсаторы. С электрическими полями вы скорее всего тоже сталкивались. Вспомните самое начало нашего обучения, в котором мы рассматривали статическое электричество . Если воск и шерсть потереть дуг о друга, то между ними возникнет физическая сила притяжения. Физики описали бы такое взаимодействие с точки зрения электрических полей, создаваемых двумя объектами в результате дисбаланса электронов. Сейчас достаточно будет сказать, что при наличии напряжения между двумя точками, в пространстве между ними всегда проявится электрическое поле.

Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела. По значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу, можно судить об интенсивности электрического поля. Сила и интенсивность поля примерно аналогичны напряжению (сила) и току (интенсивность) в электрической цепи. Однако, поле может существовать в совершенно пустом пространстве, в то время как ток существует только там, где есть свободные электроны. Характер среды пространства (тип изоляционного материала, расположенный между двумя проводниками) может оказывать сопротивление интенсивности поля точно так же, как материал проводника оказывает сопротивление электрическому току. Интенсивность, с которой поле распространяется в пространстве, пропорциональна его силе поделенной на сопротивление среды.

Обычно электроны не могут войти в провод, если не существует пути для выхода равного количества электронов. Вот почему, для создания потока электронов, провода объединяются в замкнутую электрическую цепь. Однако, существует возможность "втиснуть" дополнительные электроны в незамкнутый провод. Для этого рядом с ним нужно разместить еще один провод, что приведет к возникновению электрического поля. Количество дополнительных свободных электронов, вошедших в незамкнутый провод, будет прямо пропорционально напряженности данного поля.

Сущность этого явления используется в устройствах, называемых конденсаторами. Конденсаторы состоят из двух проводящих пластин (обычно металлических), расположенных в непосредственной близости дуг от друга. Существует большое количество разновидностей конденсаторов, предназначенных для выполнения различных задач. Для конденсаторов маленькой емкости достаточно двух круглых пластин, между которыми расположен диэлектрический материал. Для конденсаторов большой емкости "пластины" изготавливаются из свернутых полосок металлической фольги, между которыми проложен гибкий изолирующий материал. Наиболее высокие значения емкости получаются при использовании микроскопического слоя изолирующего оксида, разделяющего две проводящие поверхности. Несмотря на различия в конструктивном исполнении конденсаторов, в них заложена общая идея: два проводника разделены диэлектриком.

Условное обозначение конденсатора выглядит следующим образом:

При подаче напряжения на пластины конденсатора, между ними возникает электрическое поле, которое способствует образованию значительной разницы в количестве свободных электронов на каждой из пластин. Если говорить проще, то принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения:

Поскольку электрическое поле создается приложенным напряжением, свободные электроны "забираются" у положительной пластины конденсатора и скапливаются на отрицательной. Эта разница зарядов приравнивается к хранению энергии в конденсаторе. Чем больше разница электронов на противоположных пластинах, тем больше интенсивность (напряженность) поля, и тем больший "заряд" энергии будет хранить конденсатор.

Поскольку конденсаторы хранят потенциальную энергию накопленных электронов в виде электрического поля, в цепи они ведут себя несколько иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Аккумулирование энергии в конденсаторе является функцией напряжения между его пластинами, а так же других факторов, которые мы рассмотрим позже. Способность конденсатора сохранять энергию в зависимости от приложенного напряжения приводит к тому, что он стремится поддерживать напряжение на постоянном уровне. Иными словами, конденсатор сопротивляется изменениям напряжения. Когда напряжение на конденсаторе увеличивается или уменьшается , он «сопротивляется» этим изменениям , забирая или отдавая ток источнику изменения напряжения .

Для сохранения в конденсаторе большей энергии, напряжение на его пластинах должно быть увеличено. Это приведет к тому, что больше электронов будет отнято от положительной (+) пластины и добавлено к отрицательной (-). Ток при этом должен течь от (-) к (+). И наоборот, для высвобождения энергии из конденсатора, напряжение на нем должно быть уменьшено. Это приведет к тому, что некоторые из избыточных электронов будут возвращены от отрицательной (-) пластины к положительной (+). Направление тока при этом изменится на противоположное.

Вспомните Первый закон Ньютона, который гласит что всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. С конденсаторами ситуация примерно аналогичная: "Заряженный конденсатор стремится оставаться заряженным, а разряженный имеет тенденцию оставаться разряженным". Гипотетически, при отсутствии внешнего воздействия заряженный конденсатор будет бесконечно долго сохранять накопленный заряд, который сможет изменить только внешний источник тока:

На практике же, благодаря внутренним путям утечки электронов из одной пластины в другую, конденсаторы со временем теряют сохраненный заряд. Это время зависит от конкретного типа конденсатора и может составлять несколько лет.

Когда напряжение на конденсаторе увеличивается, он начинает забирать ток у схемы, действуя в качестве нагрузки. В этом случае можно сказать что конденсатор "заряжается", поскольку большее количество энергии сохраняется в его электрическом поле. Обратите внимание на направление тока с учетом полярности напряжения:

И наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, он отдает ток остальной части схемы, действуя в качестве источника питания. В этом случае можно сказать что конденсатор "разряжается". Его запас энергии, сохраненный в электрическом поле, уменьшается, а энергия отдается в схему:

Если к незаряженному конденсатору подключить источник питания (внезапное увеличение напряжения), то он будет потреблять ток из этого источника до тех пор, пока их напряжения не сравняются. Как только напряжение конденсатора сравнивается с напряжением источника питания, его ток становится равным нулю. И наоборот, если нагрузочное сопротивление подключить к заряженному конденсатору, то он будет поставлять ток этой нагрузке до тех пор, пока не истратит всю запасенную энергию, и его напряжение не упадет до нуля. Как только напряжение конденсатора достигает нулевого значения, ток через него прекращается. Благодаря своей способности заряжаться и разряжаться, конденсаторы можно рассматривать как вторичные источники питания.

Тип изоляционного материала между пластинами конденсатора, как уже отмечалось ранее, оказывает большое влияние на величину накапливаемого заряда при любом приложенном напряжении. Не все изоляционные (диэлектрические) материалы одинаковы. Величина, характеризующая реакцию диэлектрического материала на электрическое поле, называется диэлектрической проницаемостью.

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая емкость. Емкость конденсатора характеризует количество электрической энергии, которую он способен запасти. Иными словами, чем больше электронов способен уместить в себе конденсатор, тем больше его емкость, и наоборот. В математических уравнениях емкость обозначается заглавной буквой "C" и измеряется в Фарадах (сокращенно - "ф").

По-отдельности помещенные в электрическое поле, проявляют собственные индивидуальные качества. Именно проявление этих качеств сделало возможным применить их совместно. В результате, к электротехническим элементам добавились специальные устройства - конденсаторы. При проведении дальнейших исследований были установлены основные физические свойства этих устройств, в том числе и энергия электрического поля конденсатора, выделяемая в процессе его разрядки. Эта величина представляет собой потенциальную энергию, возникающую при взаимодействии обкладок конденсатора, поскольку, заряженные разноименно, они создают взаимное притяжение.

Емкость - основное свойство конденсатора

Прежде чем рассматривать энергию конденсатора, следует остановиться на его основном свойстве - емкости. Когда двум проводникам, изолированным один от другого, сообщаются заряды q1 и q2, между ними наблюдается появление определенной разности потенциалов Δφ. Данная разность полностью зависит от величины зарядов и геометрической конфигурации проводников. Эта величина, возникающая в электрическом поле между двумя точками, известна также, как напряжение, обозначаемое символом U.

Наибольшее практическое значение имеют заряды проводников с одинаковым модулем и противоположными знаками: q1 = - q2 = q. С их помощью выводится такое понятие, как электрическая емкость системы, состоящей из двух проводников. Данная категория представляет собой физическую величину, в которой заряд q какого-либо проводника, соотносится с разностью потенциалов Δφ. В виде формулы это будет выглядеть следующим образом: Системой СИ в качестве единицы электроемкости установлен фарад, который равен: 1Ф = 1Кл/1В

Электроемкость может иметь разную величину, в зависимости от форм и размеров проводников, а также от , разделяющего эти проводники. Изменение значения емкости позволяет определить, как изменится энергия электрического поля конденсатора при использовании некоторых конфигураций проводников возникает электрическое поле, сосредоточенное лишь на определенном участке. Подобные системы получили название конденсаторов, в которых функцию обкладок выполняют проводники.

Конструкция простейшего конденсатора включает в себя две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно между собой на расстоянии, меньшем, чем толщина самих пластин. Обе пластины разделяет слой диэлектрика. Такая система получила название плоского конденсатора. Его электрическое поле локализуется преимущественно между пластинами. Кроме того, слабое поле возникает около краев пластин, а также в окружающем их пространстве. Оно называется полем рассеяния, которое не оказывает существенного влияния на многие решаемые задачи. Поэтому в большинстве случаев учитывается только электрическое поле, сосредоточенное только между обкладками конденсатора.

Модуль напряженности электрического поля, создаваемого заряженными пластинами плоского конденсатора, представляет собой соотношение: Е1 = Ϭ/2ε0. Соответственно, сумма напряженности каждой пластины, равна общей напряженности поля. Положительные и отрицательные векторы напряженности, расположены параллельно внутри конденсатора, поэтому напряженность суммарного поля будет равна: Е = 2Е1 = Ϭ/ε0. Вне пластин положительный и отрицательный векторы оказываются направленными в разные стороны, в связи с чем Е = 0.

Заряд пластин обладает поверхностной плотностью Ϭ, равной q/S. В данной формуле q является величиной заряда, а S - площадью пластин. Разность потенциалов (Δφ) однородного электрического поля будет равна Ed, где величина d является расстоянием между пластинами. После соединения всех этих соотношений, получается формула, определяющая электрическую емкость плоского конденсатора:

Из этой видно, что между электроемкостью плоского конденсатора и площадью обкладок существует прямая пропорция, и обратная пропорция с расстоянием между этими обкладками.

Энергия электрического поля

Как показывает практика, все заряженные конденсаторы обладают определенным запасом энергии. Данная величина является равной работе внешних сил, затрачиваемой для зарядки конденсатора. Непосредственная зарядка конденсатора происходит в виде последовательного переноса зарядов небольшими порциями с одной пластины на другую. В это время осуществляется постепенная зарядка одной обкладки положительным зарядом, а другой - отрицательным.

Перенос каждой порции выполняется при наличии на обкладках некоторого заряда q. Между обкладками имеется определенная . В связи с этим, в процессе переноса каждой порции заряда, внешними силами совершается работа: ΔА = UΔq = qΔq/C.

Существует максимальная энергия электрического поля конденсатора, формула которой отображается таким образом: We = A = Q2/2C, где We - энергия конденсатора, А - работа, C и Q - соответственно емкость и заряд конденсатора. Если использовать соотношение Q = CU, то формула энергии заряженного конденсатора может быть выражена в другой форме: We = Q2/2C = CU2 = QU/2

Электрическая энергия We по своим физическим качествам аналогична потенциальной энергии, накопленной в заряженном конденсаторе. Как уже отмечалось, локализация электрической энергии конденсатора осуществляется между его обкладками, то есть в электрическом поле. Поэтому она получила название энергия электрического поля конденсатора, формула которой выводится из нескольких понятий и определений.

Если в качестве примера взять плоский заряженный конденсатор, то напряженность его однородного поля составит E = U/d, а его емкость будет равна С = ε0 εS/d. В результате, энергия электрического поля будет выражена в следующем виде: We = CU2/2 = ε0 εSЕ2d2/2d = (ε0 εЕ2/2) x V. В этой формуле V является пространственным объемом между обкладками, заполненным электрическим полем. Таким образом, We в качестве физической величины представляет собой электрическую или потенциальную энергию единицы пространственного объема, в котором существует электрическое поле. Эта величина также известна, как объемная плотность электроэнергии.

Рассмотрим два заряженных проводника. Предположим, что все силовые линии, начинающиеся на одном из них, заканчиваются на другом. Для этого, разумеется, они должны иметь равные и противоположные по знаку заряды. Такая система двух проводящих тел называется конденсатором.

Примеры конденсаторов. Примерами конденсаторов могут служить две концентрические проводящие сферы (сферический, или шаровой, конденсатор), две параллельные плоские проводящие пластины при условии, что расстояние между ними мало по сравнению с размерами пластин (плоский конденсатор), два коаксиальных проводящих цилиндра при условии, что их длина велика по сравнению с зазором между цилиндрами (цилиндрический конденсатор).

Два проводника, образующие конденсатор, называются его обкладками.

Рис. 41. Электрическое поле в сферическом, плоском и цилиндрическом конденсаторах

Во всех таких системах при сообщении обкладкам равных по модулю и противоположных по знаку зарядов электрическое поле практически целиком заключено в пространстве между обкладками (рис. 41). Внешний вид некоторых используемых в технике конденсаторов показан на рис. 42.

Основная характеристика конденсатора - электроемкость или просто емкость С, определяемая как отношение заряда одной из

обкладок к разности потенциалов т. е. к напряжению, между ними:

Распределение зарядов на обкладках будет одинаковым независимо от того, большой или малый заряд им сообщен. Это значит, что напряженность поля, а следовательно, и разность потенциалов между обкладками, пропорциональны сообщенному конденсатору заряду. Поэтому емкость конденсатора не зависит от его заряда.

Рис. 42. Устройство, внешний вид и условные обозначения на электрических схемах некоторых конденсаторов

В вакууме емкость определяется исключительно геометрическими характеристиками конденсатора, т. е. формой, размерами и взаимным расположением обкладок.

Единицы емкости. В СИ за единицу электроемкости принят фарад Емкостью 1 Ф обладает конденсатор, между обкладками которого устанавливается напряжение 1 В при сообщении заряда 1 Кл:

В абсолютной электростатической системе единиц СГСЭ электроемкость имеет размерность длины и измеряется в сантиметрах:

На практике обычно приходится иметь дело с конденсаторами, емкость которых значительно меньше 1 Ф. Поэтому используются доли этой единицы - микрофарад (мкФ) и пикофарад . Соотношение между фарадом и сантиметром легко установить, учитывая, что

Электроемкость и геометрия конденсатора. Зависимость емкости конденсатора от его геометрических характеристик легко проиллюстрировать простыми опытами. Воспользуемся для этого электрометром, подключенным к двум плоским пластинам, расстояние между которыми можно изменять (рис. 43). Чтобы заряды пластин были одинаковы и все поле было сосредоточено только между ними, следует заземлить вторую пластину и корпус электрометра. Отклонение стрелки электрометра пропорционально напряжению между обкладками. Если сдвигать или раздвигать пластины конденсатора, то при неизменном заряде напряжение будет соответственно уменьшаться или увеличиваться: емкость тем больше, чем меньше расстояние между пластинами. Аналогично можно убедиться в том, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин. Для этого можно просто сдвигать пластины при неизменном зазоре между ними.

Рис. 43. Емкость конденсатора зависит от расстояния между пластинами

Емкость плоского конденсатора. Получим формулу для емкости плоского конденсатора. Поле между его обкладками однородно за исключением небольшой области вблизи краев пластин. Поэтому напряжение между обкладками равно произведению напряженности поля Е на расстоянии между ними: Для нахождения напряженности поля Е можно воспользоваться формулой (1) § 6, которая связывает Е вблизи поверхности проводника с поверхностной плотностью зарядов с: Выразим а через заряд конденсатора и площадь пластины, считая распределение заряда равномерным, что согласуется с используемым предположением об однородности поля: Подставляя приведенные соотношения в общее определение емкости (1), находим

В СИ, где емкость плоского конденсатора имеет вид

В системе единиц СГСЭ k = 1 и

Емкость сферического конденсатора. Совершенно аналогично можно вывести формулу для емкости сферического конденсатора, рассматривая электрическое поле в промежутке между двумя заряженными концентрическими сферами радиусов Напряженность поля там такая же, как в случае уединенного заряженного шара радиуса Поэтому для напряжения между обкладками радиусов справедливо

Выражение для емкости получаем, подставляя в формулу (1):

Емкость уединенного проводника. Иногда вводят понятие емкости уединенного проводника, рассматривая предельный случай конденсатора, одна из обкладок которого удалена на бесконечность. В частности, емкость уединенного проводящего шара получается из (5) в результате предельного перехода что соответствует неограниченному увеличению радиуса внешней обкладки при неизменном радиусе внутренней

В системе единиц СГСЭ, где емкость уединенного шара равна его радиусу. Если проводник имеет несферическую форму, его емкость по порядку величины равна характерному линейному размеру, хотя, конечно же, зависит и от его формы. В отличие от уединенного проводника, емкость конденсатора гораздо больше его линейных размеров. Например, у плоского конденсатора характерный линейный размер равен причем Как видно из формулы (4), при этом

Конденсатор с диэлектриком. В рассмотренных выше примерах конденсаторов пространство между обкладками считалось пустым. Тем не менее полученные выражения для емкости справедливы и тогда, когда это пространство заполнено воздухом, как это было в описанных простых опытах. Если пространство между обкладками заполнить каким-либо диэлектриком, емкость конденсатора увеличивается. В этом легко убедиться на опыте, вдвигая диэлектрическую пластину в промежуток между обкладками заряженного конденсатора, подключенного к электрометру (рис. 43). При неизменном заряде конденсатора напряжение между обкладками уменьшается, что свидетельствует о возрастании емкости.

Уменьшение разности потенциалов между обкладками при внесении туда диэлектрической пластины свидетельствует о том, что напряженность электрического поля в зазоре становится меньше. Это уменьшение зависит от того, какой именно диэлектрик используется в опыте.

Диэлектрическая проницаемость. Для характеристики электрических свойств диэлектрика вводят физическую величину, называемую диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость - это безразмерная величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в заполненном диэлектриком конденсаторе (или напряжение между его обкладками) меньше, чем в отсутствие диэлектрика при том же заряде конденсатора. Другими словами, диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора при заполнении его диэлектриком. Например, емкость плоского конденсатора, заполненного диэлектриком с проницаемостью равна

Приведенное здесь определение диэлектрической проницаемости соответствует феноменологическому подходу, при котором рассматриваются только макроскопические свойства вещества в электрическом поле. Микроскопический подход, основанный на рассмотрении поляризации атомов или молекул, из которых состоит вещество, предполагает исследование какой-либо конкретной модели и позволяет не только подробно описывать электрические и магнитные поля внутри вещества, но и понять, как протекают макроскопические электрические и магнитные явления в веществе. На этом этапе мы ограничиваемся только феноменологическим подходом.

Рис. 44. Параллельное соединение конденсаторов

У твердых диэлектриков значение лежит в пределах от 4 до 7, а у жидких - от 2 до 81. Такой аномально большой диэлектрической проницаемостью обладает обыкновенная чистая вода. Кроме воздушного конденсатора переменной емкости (см. рис. 42), используемого для настройки радиоприемников, все другие применяемые в технике конденсаторы заполнены диэлектриком.

Батареи конденсаторов. При использовании конденсаторов их иногда соединяют в батареи. При параллельном соединении (рис. 44) напряжения на конденсаторах одинаковы, а полный заряд батареи равен сумме зарядов конденсаторов для каждого из которых, очевидно, справедливо Рассматривая батарею как один

конденсатор, имеем

С другой стороны,

Сравнивая (8) и (9), получаем, что емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме их емкостей:

Рис. 45. Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении предварительно незаряженных конденсаторов (рис. 45) заряды на всех конденсаторах одинаковы, а полное напряжение равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах:

С другой стороны, рассматривая батарею как один конденсатор, имеем

Сравнивая (11) и (12), видим, что при последовательном соединении конденсаторов складываются обратные емкостям величины:

При последовательном соединении емкость батареи меньше самой малой из емкостей соединенных конденсаторов.

В каком случае два проводящих тела образуют конденсатор?

Что называется зарядом конденсатора?

Как установить связь между единицами емкости СИ и СГСЭ?

Объясните качественно, почему емкость конденсатора увеличивается при уменьшении зазора между обкладками.

Получите формулу для емкости плоского конденсатора, рассматривая электрическое поле в нем как суперпозицию полей, создаваемых двумя плоскостями, заряженными разноименно.

Получите формулу для емкости плоского конденсатора, рассматривая его как предельный случай сферического конденсатора, у которого стремятся к бесконечности так, что разность остается постоянной.

Почему нельзя говорить о емкости уединенной бесконечной плоской пластины или отдельного бесконечно длинного цилиндра?

Охарактеризуйте кратко различие между феноменологическим и микроскопическим подходами при исследовании свойств вещества в электрическом поле.

Каков смысл диэлектрической проницаемости вещества?

Почему при расчете емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов оговаривалось условие, чтобы они предварительно не были заряжены?

В чем смысл последовательного соединения конденсаторов, если оно приводит лишь к уменьшению емкости?

Поле внутри и вне конденсатора. Чтобы подчеркнуть различие между тем, что называют зарядом конденсатора, и полным зарядом обкладок, рассмотрим следующий пример. Пусть наружная обкладка сферического конденсатора заземлена, а внутренней сообщен заряд д. Весь этот заряд равномерно распределится по внешней поверхности внутренней обкладки. Тогда на внутренней поверхности наружной сферы индуцируется заряд , следовательно, заряд конденсатора равен . А что будет на внешней поверхности наружной сферы? Это зависит от того, что окружает конденсатор. Пусть, например, на расстоянии от поверхности внешней сферы находится точечный заряд (рис. 46). Этот заряд никак не повлияет на электрическое состояние внутреннего пространства конденсатора, т. е. на поле между его обкладками. В самом деле, внутреннее и внешнее пространства разделены толщей металла наружной обкладки, в которой электрическое поле равно нулю.

Рис. 46. Сферический конденсатор во внешнем электрическом поле

Заряд на внешней поверхности обкладки. Но характер поля во внешнем пространстве и заряд, индуцированный на наружной поверхности внешней сферы, зависят от величины и положения заряда Это поле будет точно таким же, как и в случае, коща заряд находится на расстоянии от поверхности сплошного заземленного металлического шара, радиус которого равен радиусу внешней сферы конденсатора (рис. 47). Таким же будет и индуцированный заряд.

Для нахождения величины индуцированного заряда будем рассуждать следующим образом. Электрическое поле в любой точке пространства создается зарядом и зарядом, индуцированным

на поверхности шара, который распределен там, разумеется, неравномерно - как раз так, чтобы обратилась в нуль результирующая напряженность поля внутри шара. Согласно принципу суперпозиции потенциал в любой точке можно искать в виде суммы потенциалов полей, создаваемых точечным зарядом и точечными зарядами, на которые можно разбить распределенный по поверхности шара индуцированный заряд. Поскольку все элементарные заряды на которые разбит индуцированный на поверхности шара заряд находятся на одинаковом расстоянии от центра шара, то потенциал создаваемого им поля в центре шара будет равен

Рис. 47. Поле точечного заряда вблизи заземленного проводящего шара

Тогда полный потенциал в центре заземленного шара равен

Знак минус отражает тот факт, что индуцированный заряд всегда противоположного знака.

Итак, мы видим, что заряд на наружной поверхности внешней сферы конденсатора определяется тем окружением, в котором находится конденсатор, и не имеет никакого отношения к заряду конденсатора д. Полный заряд внешней обкладки конденсатора, разумеется, равен сумме зарядов ее внешней и внутренней поверхностей, однако заряд конденсатора определяется только зарядом внутренней поверхности этой обкладки, который связан силовыми линиями поля с зарядом внутренней обкладки.

В разобранном примере независимость электрического поля в пространстве между обкладками конденсатора и, следовательно, его емкости от внешних тел (как заряженных, так и незаряженных) обусловлена электростатической защитой, т. е. толщей металла внешней обкладки. К чему может привести отсутствие такой защиты, можно увидеть на следующем примере.

Плоский конденсатор с экраном. Рассмотрим плоский конденсатор в виде двух параллельных металлических пластин, электрическое поле которого практически целиком сосредоточено в пространстве между пластинами. Заключим конденсатор в незаряженную плоскую металлическую коробку, как показано на рис. 48. На первый взгляд может показаться, что картина поля между обкладками конденсатора не изменится, так как все поле сосредоточено между пластинами, а краевым эффектом мы пренебрегаем. Однако легко видеть, что это не так. Снаружи конденсатора напряженность поля равна нулю, поэтому во всех точках слева от конденсатора потенциал одинаков и совпадает с потенциалом левой пластины. Точно так же потенциал любой точки справа от конденсатора совпадает с потенциалом правой пластины (рис. 49). Поэтому, заключая конденсатор в металлическую коробку, мы соединяем проводником точки, имеющие разный потенциал.

В результате в металлической коробке будет происходить перераспределение зарядов до тех пор, пока не выравняются потенциалы всех ее точек. На внутренней поверхности коробки индуцируются заряды, и появится электрическое поле внутри коробки, т. е. снаружи конденсатора (рис. 50).

Рис. 48. Конденсатор в металлической коробке

Рис. 49. Электрическое поле заряженного плоского конденсатора

Рис. 50. Электрическое поле заряженного конденсатора, помещенного в металлическую коробку

Но это означает, что на внешних поверхностях пластин конденсатора тоже появятся заряды. Так как при этом полный заряд изолированной пластины не меняется, то заряд на ее внешней поверхности может возникнуть только за счет перетекания заряда с внутренней поверхности. Но при изменении заряда на внутренних поверхностях обкладок изменится напряженность поля между пластинами конденсатора.

Таким образом, заключение рассмотренного конденсатора в металлическую коробку приводит к изменению электрического состояния внутреннего пространства.

Изменение зарядов пластин и электрического поля в этом примере может быть легко рассчитано. Обозначим заряд изолированного конденсатора через Заряд, перетекающий на наружные поверхности пластин при надевании коробки, обозначим через Такой же заряд противоположного знака будет индуцирован на внутренних поверхностях коробки. На внутренних поверхностях пластин конденсатора останется заряд Тогда в пространстве между пластинами напряженность однородного поля будет равна в единицах СИ, а вне конденсатора поле направлено в противоположную сторону и его напряженность равна где - площадь пластины. Требуя, чтобы разность потенциалов между противоположными стенками металлической коробки была равна нулю, и считая для простоты расстояния между всеми пластинами одинаковыми и равными то

Этот результат легко понять, если учесть, что после надевания коробки поле существует во всех трех промежутках между пластинами, т. е. фактически имеются три одинаковых конденсатора, эквивалентная схема включения которых показана на рис. 51. Вычисляя емкость получившейся системы конденсаторов, получаем .

Надетая на конденсатор металлическая коробка осуществляет электростатическую защиту системы. Теперь мы можем подносить снаружи к коробке любые заряженные или незаряженные тела и при этом электрическое поле внутри коробки не изменится. Значит, не изменится и емкость системы.

Обратим внимание на то, что в разобранном примере, выяснив все, что нас интересовало, мы тем не менее обошли стороной вопрос о том, какие же силы осуществили перераспределение зарядов. Какое электрическое поле вызвало движение электронов в материале проводящей коробки?

Очевидно, что это может быть только то неоднородное поле, которое выходит за пределы конденсатора вблизи краев пластины (см. рис. 39). Хотя напряженность этого поля мала и не принимается во внимание при расчете изменения емкости, именно она определяет суть рассматриваемого явления - перемещает заряды и этим вызывает изменение напряженности электрического поля внутри коробки.

Почему под зарядом конденсатора следует понимать не полный заряд обкладки, а только ту его часть, что находится на ее внутренней стороне. обращенной к другой обкладке?

В чем проявляется роль краевых эффектов при рассмотрении электростатических явлений в конденсаторе?

Как изменится емкость батареи конденсаторов, если замкнуть между собой обкладки одного из них?