В чем измеряется емкость

Что такое электрическая ёмкость?

Одним из важных параметров, учитываемых в электрических цепях, является электрическая емкость – способность проводников накапливать заряды. Понятие емкости применяется как для уединенного проводника, так и для системы, состоящей из двух и более проводников. В частности, емкостью обладают конденсаторы, состоящие из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком или электролитом.

Для накопления зарядов широко применяютсяаккумуляторы, используемые в качестве источников постоянного тока для питания различных устройств. Количественной характеристикой, определяющей время работы аккумулятора, является его электроемкость.

Определение

Если диэлектрик, например, эбонитовую палочку, наэлектризовать трением то электрические заряды сконцентрируются в местах соприкосновения с электризующим материалом. При этом, другой конец палочки можно насытить зарядами противоположно знака и такая наэлектризованность будет сохраняться.

Совсем по-другому ведут себя проводники, помещенные электрическое поле. Заряды распределяются по их поверхности, образуя некий электрический потенциал. Если поверхность ровная, как у палочки, то заряды распределятся равномерно. Под действием внешнего электрического поля в проводнике происходит такое распределение электронов, чтобы внутри его сохранялся баланс взаимной компенсации негативных и позитивных зарядов.

Внешнее электрическое поле притягивает электроны на поверхность проводника, компенсируя при этом положительные заряды ионов. По отношению к проводнику имеет место электростатическая индукция, а заряды на его поверхности называются индуцированными. При этом на концах проводника плотность зарядов будет несколько выше.

На металлическом шаре заряды распределяются равномерно по всей поверхности. Наличие полости любой конфигурации абсолютно не влияет на процесс распределения.

Однако, если проводник убрать из зоны действия поля, то его заряды перераспределятся таким образом, что он снова станет электрически нейтральным.

На рисунке 1 изображена схема заряженного разнополюсного диэлектрика и проводника, удалённого из зоны действия электростатического поля. Благодаря тому, что диэлектрик сохраняет полученные заряды, уединенный проводник восстановил свою нейтральность.

Интересное явление наблюдается с двумя проводниками, разделенными диэлектриком. Если одному из них сообщить положительный заряд, а другому – отрицательный, то после убирания источника электризации заряды на поверхности проводников сохранятся. Заряженные таким образом проводники обладают разностью потенциалов.

Заряды, накопившиеся на диэлектрике, уравновешивают внутренние взаимодействие в каждом из проводников, не позволяя им разрядиться. Величина заряда зависит от площади поверхности параллельных проводников и от свойства диэлектрика, расположенного между ними.

Свойство сохранять накопленный заряд называется электроемкостью. Точнее говоря, – это характеристика проводника, физическая величина определяющая меру его способности в накоплении электрического заряда.

Накопленное электричество можно снять с проводников путем короткого замыкания их или через нагрузку. С целью увеличения емкости на практике применяют параллельные пластины или же длинные полоски тонкой фольги, разделённой диэлектриком. Полоски сворачивают в тугой цилиндр для уменьшения объема. Такие конструкции называют конденсаторами.

На рисунке 2 изображена схема простейшего конденсатора с плоскими обкладками.

Существуют конденсаторы других типов:

• переменные;
• электролитические;
• оксидные;
• бумажные;
• комбинированные и другие.

Важной характеристикой конденсатора, как и других накопительных систем, является его электрическая емкость.

Формулы

На рисунке 3 наглядно показано формулы для определения емкости, в т. ч. и для сферы.

По отношению к конденсатору, для определения его емкости применяют формулу: C = q/U. То есть, эта величина прямо пропорциональна заряду одной из обкладок и обратно пропорциональна разнице потенциалов между обкладками (см. рис. 4).

О других способах определения ёмкости конденсатора читайте в нашей статье: https://www.asutpp.ru/kak-opredelit-emkost-kondensatora.html

Единицы измерения

За единицу измерения величины электроемкости принято фараду: 1 Ф = 1 Кл/1В. Поскольку фарада величина огромная, то для измерения емкости на практике она мало пригодна. Поэтому используют приставки:

• мили (м) = 10 -3 ;
• микро (мк) = 10 -6 ;
• нано (н) = 10 -9 ;
• пико (пк) = 10 -12 ;

Например, электрическая емкость 1 мкф = 0,000001 Ф. Параметр зависит от геометрических размеров, конфигурации проводника и материала диэлектрика.

Уединенный проводник и его емкость

Уединенным называют проводник, влиянием на который других элементов цепей можно пренебречь. Предполагается, что все другие проводники бесконечно удалены от него, а как известно, потенциал точки, бесконечно удаленной в пространстве, равен 0.

Электрическую емкость C уединенного проводника, определяют как количество электричества q, которое требуется для повышения электрического потенциала на 1 В: С = q/ϕ. Параметр не зависит от материала, из которого изготовлен проводник.

Конденсаторы постоянной и переменной емкости

Эра накопителей электричества началась с воздушных конденсаторов. Благодаря плоскому конденсатору с большой площадью обкладок физики смогли понять, как взаимная емкость регулируется площадями пластин, что позволило им создать конденсаторы с переменной емкостью (см. рис. 5).

Идея изменения емкости состояла в том, чтобы путем поворота плоской обкладки изменять площадь поверхности, которая располагается напротив другой пластины. Если обкладки располагались точно друг против друга, то напряженность поля между ними была максимальной. При смещении одной из пластин на некоторый угол, напряженность уменьшалась, что приводило к изменению емкости. Таким образом, можно было плавно управлять накопительной способностью конденсатора.

Детали с переменной емкостью нашли применение в первых радиоприемниках для поиска частоты нужной станции. Данный принцип используется по сегодняшний день в различных аналоговых электрических схемах.

Большую популярность приобрели электролитические конденсаторы. В качестве одной из обкладок у них используется электролит, обладающий высокими показателями диэлектрической проницаемости. Благодаря диэлектрическим свойствам электролитов такие конденсаторы обладают большими емкостями.

Главные их преимущества электролитического конденсатора:

• высокие показатели емкости при малом объеме;
• применение в цепях с постоянным током.

Недостатки:

• необходимо соблюдать полярность;
• ограниченный срок службы;
• чувствительность к повышенным напряжениям.

Высокую электрическую прочность имеют плоские конденсаторы, у которых в качестве диэлектрического материала применяется керамика. Они используются в цепях с переменным током и выдерживают большие напряжения.

Сегодня промышленность поставляет на рынок множество конденсаторов различных типов, с высокими показателями проницаемости диэлектриков.

Аккумуляторы и электроемкость

Накопители электричества большой емкости (аккумуляторы) состоят из положительных и негативных пластин, погруженных в электролит. Во время зарядки часть атомов электролита распадается на ионы, которые оседают на пластине. Образуется разность потенциалов между пластинами, что является причиной возникновения ЭДС при подключении нагрузки.

С целью увеличения напряжения аккумуляторы последовательно соединяют в батареи. Разница потенциалов одной секции около 2 В. Для получения аккумулятора на 6 В необходимо создать батарею из трех секций, а на 12 В – батарею из 6 секций.

Для характеристики аккумуляторов (батарей) используются параметры:

• емкости;
• номинального напряжения;
• максимального тока разряда.

Единицей емкости аккумулятора является ампер-час (А*ч) или кратные ей миллиампер-часы (мА*ч). Емкость аккумулятора зависит от площади пластин. Увеличить емкость можно путем параллельного подключения нескольких секций, но такой способ почти не применяется, так как проще и надежнее создать аккумулятор с большими пластинами.

электрическая ёмкость

(С), величина, характеризующая способность проводника удерживать электрический заряд. Для уединённого проводника С = Q/φ, где Q — заряд проводника, φ — его потенциал. Электрическая ёмкость конденсатора С = Q/(φ₁ — φ₂), где Q — абсолютная величина заряда одной из обкладок, φ₁ — φ₂ — разность потенциалов между обкладками (φ₁>φ₂). Измеряется в системе СГС в см, в СИ — в фарадах.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ (С), характеристика проводящего тела, мера его способности накапливать электрический заряд (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД) .
Когда увеличивается заряд проводника, то прямо пропорционально заряду будет возрастать его потенциал (см. ПОТЕНЦИАЛ (в физике)) . Это справедливо для проводников любой геометрической формы. Отношение заряда проводника к его потенциалу не зависит от величины заряда, находящегося на проводнике, и определяются свойствами самого проводника, а также среды, в которой он находится. Характеристикой электрических свойств проводника, определяющей возможность накопления зарядов на данном проводнике, является электрическая емкость С.
Так как заряду q проводника пропорционален потенциал j(отсчитываемый от нулевого уровня на бесконечности), то электрическая емкость С уединенного проводника равна отношению заряда проводника к потенциалу и определяется отношением:
С = q/j.
Таким образом, чем больше электрическая емкость, тем больший заряд может накопить проводник, имеющий данный потенциал.
Численно электрическая емкость С равна заряду q, который необходимо сообщить уединенному телу для изменения его потенциала на единицу.
Единица электроемкости в системе СИ — фарад (см. ФАРАД) . 1 Ф — это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В (вольт (см. ВОЛЬТ) ) при сообщении ему заряда 1 Кл (кулон (см. КУЛОН (единица количества электричества)) ).
В системе единиц СГСЕ электрическая емкость измеряется в сантиметрах.
1 Ф = 9 . 10 11 см.
Емкость уединенного шара радиусом R, равна:
С = 4p_оR.
Поэтому в системе СГСЕ электрическая емкость проводящего шара в вакууме равна его радиусу. Емкостью 1 Ф обладает шар, радиус которого равен 9 . 10 6 км. Если считать Землю уединенным проводником, то ее электрическая емкость составляла бы порядка 0,7мФ.
В общем случае электрическая емкость геометрически подобных проводящих тел пропорциональна их размерам. Емкость зависит от геометрических размеров и формы проводников, взаимного расположения проводников и диэлектрической проницаемости, но не зависит от материала проводника.
Наличие вблизи проводника других тел изменяет его электрическую емкость, так как потенциал проводника зависит и от электрических полей, создаваемых наведенными в окружающих телах зарядами вследствие явления электростатической индукции (см. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ) .
Понятие электрической емкости относится не только к одному проводнику, но и к системе проводников, в частности к системе двух проводников, разделенных тонким слоем диэлектрика — конденсатору электрическому (см. КОНДЕНСАТОР (электрический)) . Конденсаторы используют для получения нужных величин электрической емкости в технике. Емкость конденсатора характеризует не отдельную пластину, а систему двух пластин (проводников) в их взаимном расположении друг к другу. Электрическая емкость всегда характеризует систему из двух тел, между которыми установилась разность потенциалов (так как физический смысл имеет только разность потенциалов между двумя точками (см Потенциал электростатический (см. ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ) ). Электроемкость конденсатора (взаимная емкость его обкладок), заряженных соответственно зарядами +q и –q, это физическая величина, равная отношению заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводниками. Электрическая емкость конденсатора практически не зависит от наличия окружающих тел и может достигать очень большой величины при малых геометрических размерах конденсаторов.
Все элементы и устройства, применяемые в электрических цепях различного назначения (трансформаторы, электронные приборы) также обладают электрической емкостью, влияние которой в некоторых режимах может быть существенным.

Энциклопедический словарь . 2009 .

• электрическая дуга
• электрическая индукция

ЁМКОСТЬ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ

ЁМКОСТЬ ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ, ха­рак­те­ри­сти­ка про­вод­ни­ка, ко­ли­че­ст­вен­ная ме­ра его спо­соб­но­сти на­ка­п­ли­вать и удер­жи­вать элек­трич. за­ряд. Чис­лен­но Ё. э. $C$ рав­на элек­трич. за­ря­ду $q$ , ко­то­рый не­об­хо­ди­мо со­об­щить уе­ди­нён­но­му те­лу для из­ме­не­ния его электрич. по­тен­циа­ла $φ$ на еди­ни­цу, и оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем $C=q/φ$ . Т. о., чем боль­ше Ё. э., тем боль­ший за­ряд мо­жет на­ко­пить про­вод­ник при дан­ном $φ$ . Ё. э. оп­ре­де­ля­ет­ся гео­мет­рич. раз­ме­ра­ми про­вод­ни­ка, его фор­мой, а так­же элек­трич. свой­ст­ва­ми ок­ру­жаю­щей сре­ды (её ди­элек­три­че­ской про­ни­цае­мо­стью) и не за­ви­сит от ма­те­риа­ла про­вод­ни­ка. В ча­ст­но­сти, Ё. э. про­во­дя­ще­го ша­ра в ва­куу­ме в сис­те­ме СГСЭ рав­на ра­диу­су ша­ра. Ё. э. та­ко­го же ша­ра, рас­по­ло­жен­но­го в од­но­род­ной изо­троп­ной сре­де с ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью $ε$ , рав­на $C = εr$ . В СИ Ё. э. про­во­дя­ще­го ша­ра, рас­по­ло­жен­но­го в ди­элек­три­ке с аб­со­лют­ной ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью $ε_a$ , рав­на $C = 4πε_ar$ ( $ε_a = eε_0$ , $ε_0$ – элек­трич. по­сто­ян­ная). В сис­те­ме СГСЭ Ё. э. из­ме­ря­ет­ся в сан­ти­мет­рах, в СИ – в фа­ра­дах ; 1 Ф = 9 · 10 11 см.

Электрическая емкость

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, характеризующая его способность накапливать электрический заряд. Ёмкость определяется как отношение величины заряда проводника к потенциалу проводника. Ёмкость обозначается как C.

где Q — заряд, — потенциал.

В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах. В системе СГС в сантиметрах.

Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удаленной точки принят равным нулю. Она определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость в вакууме проводящего шара радиуса R равна (в системе СИ):

Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком — конденсатору. В этом случае взаимная ёмкость этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:

где S — площадь обкладок, d — расстояние между обкладками, ε — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, ε₀ = 8.854*10 -12 Ф/м — электрическая постоянная.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Электрическая искра
• Электрическая константа