Електроємність.

Ємність плоского конденсатора.

Мета.

Освітня. Ввести поняття електроємності та конденсатора. Вивести розрахункові формули для визначення електроємності плоского конденсатора та електроємностей батарей при паралельному та послідовному з’єднаннях. Провести дослідження залежності електроємності плоского конденсатора від відстані між обкладками, площі перекриття пластин, діелектричної проникності середовища.

Розвиваюча. Розвивати логічне та абстрактне мислення, предметну компетенцію.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Фізика: 10 кл.: підруч. для загальноосвіт. навч. закл.: рівень стандарту/ Бар'яхтар В. Г., Довгий С.О., Божинова Ф. Я, Кірюхіна О. А., ТОВ "Видавництво "Ранок"" , 2018. <<Завантажити>>
• Відео. Конденсатор змінної ємності
• Демонстрація. Дослідження залежності електроємності конденсатора від від відстані між обкладками, площі перекриття пластин, діелектричної проникності діелектрика (2 штативи з муфтами та лапками, скляна пластинка, електрометр з сферичним кондуктором, електрофорна машина, конденсатор на підставці, з’єднувальні провідники).
• Демонстрація. Конденсатор змінної ємності.

План

1. Актуалізація опорних знань.
2. Електроємність. Ємність плоского конденсатора.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Електроємність. Ємність плоского конденсатора.

Електроємність провідника. Якщо ми зарядимо відокремлений  провідник, (такий що розміщений достатньо далеко від інших провідників) зарядом q, то він матиме потенціал φ (зрозуміло, однаковий в усіх точках цього провідника). Будемо змінювати заряд q1, q2, q3 ...  qn і, відповідно, потенціал нашого провідника становитиме φ1,φ2,φ3, ....  φn. При цьому відношення заряду провідника до його потенціалу залишатиметься сталим. В випадку іншого за розмірами чи формою провідника це відношення буде іншим, але теж сталим.

Електроємність провідника - це величина, що характеризує його здатність накопичувати заряд і дорівнює відношенню заряду q, наданого провіднику до його потенціалу : .

Одиниця електричної ємності в СІ – фарад, [C] = Кл/В=Ф.

Оскільки заряд 1 Кл дуже великий, то й ємність 1 Ф дуже велика (наприклад, електроємність земної кулі Сз = 0,7·10-3 Ф). Тому на практиці часто використовують частки цієї одиниці:

• мікрофарад (мкФ) - Ф;
• пікофарад (пФ) - Ф.

Електроємність провідника не залежить а ні від  заряду, а ні від потенціалу, а залежить  лише від розмірів та форми провідника (тобто є його характеристикою) і від середовища, в якому знаходиться провідник (від його відносної діелектричної проникності).

Наприклад, для кулі:  якщо , то .

Під час зарядження двох провідників між ними виникає різниця потенціалів чи напруга. Із підвищенням напруги електричне поле між провідниками підсилюється. Чим меншим є зростання напруги між провідниками зі збільшенням заряду, тим більший заряд можна накопичити.  Напруга U між двома провідниками пропорційна величині електричних зарядів, утворених на провідниках. Тому відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів між цими провідниками не залежить від заряду, а визначається геометричними розмірами провідників, їх формою, взаємним розміщенням та електричними властивостями навколишнього середовища.

Існують такі конфігурації провідників, при яких електричне поле виявляється зосередженим (локалізованим) лише в деякій області простору. Такі системи називаються конденсаторами, а провідники, що становлять конденсатор, – обкладками.

Система з двох провідників розділених шаром діелектрика, товщина якого мала порівняно з розмірами провідників, називається конденсатором. 

Найпростіший конденсатор – система із двох плоских провідних пластин, розташованих паралельно одна одній на малій в порівнянні з розмірами пластин відстані й розділених шаром діелектрика. Такий конденсатор називається плоским. Електричне поле плоского конденсатора в основному локалізоване між пластинами; однак, поблизу країв пластин і в навколишньому просторі також виникає порівняно слабке електричне поле, яке називають полем розсіювання. У цілому ряді завдань приблизно можна зневажати полем розсіювання й вважати, що електричне поле плоского конденсатора цілком зосереджене між його обкладками.

Конденсатори бувають плоскі, циліндричні, сферичні.    

За видом шару діелектрика розрізняють паперові, електролітичні тощо.

Мал. Будова паперового конденсатора.

Часто використовують конденсатори змінної ємності з повітряним або твердим діелектриком.

• Відео. Конденсатор змінної ємності

Електроємність плоского конденсатора. Електроємність плоского конденсатора прямо пропорційна площі обкладок і обернено пропорційна відстані між обкладками.

• Демонстрація. Дослідження залежності електроємності конденсатора від відстані між обкладками, площі перекриття пластин, діелектричної проникності діелектрика (2 штативи з муфтами та лапками, скляна пластинка, електрометр з сферичним кондуктором, електрофорна машина, конденсатор на підставці)
• Відео. Електроємність плоского конденсатора (Час показу 1:38 хв)

Анімація. Конденсатор.

Електроємність плоского конденсатора:

   ,

S – площа пластини, d – відстань між пластинами,  – діелектрична проникність діелектрика, 8,85·10-12 Ф/м - електрична стала.

Ємність конденсатора з n пластин: 

.

Основними параметрами довільного конденсатора є його ємність і максимальна напруга, яку він може витримати без пробою діелектрика. Щоб підібрати потрібну електроємність для заданої робочої напруги, конденсатори з'єднують у батареї. Можливими є три типи з'єднань конденсаторів: послідовне, паралельне і змішане.

Паралельне з’єднання:

Напруги на всіх конденсаторах однакові:

U1=U2=…=Un

q = q 1+ q2 + … + qn

Тоді

Послідовне з’єднання:

Заряди усіх конденсаторів при послідовному їх з’єднанні однакові :

()

Загальна електроємність:

 .

Для двох конденсаторів: .

Застосування конденсаторів. Енергія конденсаторів звичайно не дуже велика, зате вони здатні накопичувати її впродовж тривалого часу, а під час розрядження віддають її майже миттєво. Саме ці якості конденсаторів використовують найбільше на практиці. Основне застосування конденсатори знаходять в радіотехніці. Їх використовують як згладжувачі пульсацій у випрямлячах змінного струму, в електромагнітних коливальних контурах, для накопичення великої кількості енергії, під час проведення експериментів у галузі ядерної техніки і керованого термоядерного синтезу.

3. Запитання до уроку.

Запитання 96.1. Яка фізична величина називається електроємністю? Як обчислити електроємність окремого тіла? Одиниці вимірювання електроємності.

Запитання 96.2. Будова конденсатора. Основна властивість конденсатора. Для чого застосовують конденсатори? Історія відкриття найпростішого конденсатора.

Запитання 96.3. Будова плоского конденсатора. Як з’ясувати від яких параметрів залежить  ємність конденсатора? Формула електроємності плоского конденсатора.

Запитання 96.4. Визначення електроємності батарей паралельно та послідовно з’єднаних конденсаторів. Порівняйте значення електроємності  складових конденсаторів  батареї з електроємністю батареї при послідовному та паралельному з’єднаннях.

4. Домашнє завдання.

Підручник: § 43.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

5. Перевір себе.

6. Для допитливих.

Інформаційна сторінка. Звідки береться потенціал електричного поля Землі? Система “Земля-Іоносфера” діє як гігантський конденсатор, ємність якого становить 1,8 Ф. Враховуючи величезний розмір площі поверхні Землі, на 1 м2 поверхні припадає всього 1 нКл електричного заряду.

Саме блискавки, які б’ють на поверхню Землі є тим джерелом, що заряджає її поверхню негативним зарядом. Блискавка має струм порядка 1800 А, а кількість розрядів і блискавок за добу становить близько 300. <<Читати детальніше>>