5.5. Електрична ємність. Конденсатор

Подальші досліди з розподілом електрики по поверхні наелектризованого провідника, проведені Кулоном та іншими дослідниками, дозволили встановити, що рівномірний розподіл електрики має місце тільки на правильній кульовій поверхні. У загальному випадку заряд є нерівномірним і залежить від форми провідника, будучи більшим в місцях більшої кривизни. Відношення кількості електрики на частині поверхні провідника до величини цієї поверхні назвали густиною (товщиною) електричного шару. Експериментально було встановлено, що електрична густина і електрична сила особливо великі в місцях поверхні, які мають найбільшу кривизну, особливо на вістрях.

Величину, що характеризує залежність потенціалу наелектризованого провідника від його розмірів, форми й навколишнього середовища, називають електроємністю провідника й позначають буквою С. Електроємність провідника вимірюється кількістю електрики, яка необхідна для підвищення потенціалу цього провідника на одиницю:

С = q/ϕ.

За одиницю електроємності в системі СІ приймається 1 фарада (1 Ф). Фарадою називається електроємність провідника, якому для підвищення його потенціалу на один вольт потрібно надати один кулон електрики.

Електроємність, що дорівнює 1 Ф, мала б куля радіусом 9·10⁶ км, що в 23 рази більше відстані від Землі до Місяця.

Якщо провідник з'єднати із джерелом електрики певного потенціалу, то провідник одержить електричний заряд, що залежить від ємності провідника. Його ємність, а, отже, і кількість електрики, якою він заряджається, збільшуються, якщо наблизити до нього другий провідник, з'єднаний із землею. Конструкція, що складається із двох провідників, розділених ізолятором, з електричним полем між ними, усі силові лінії якого починаються на одному провіднику, а закінчуються на іншому, була названа електричним конденсато ром. При цьому обидва провідника називаються обкладками, а ізолююча прокладка – діелектриком. Процес нагромадження зарядів на обкладках конденсатора називається його зарядкою. При зарядці на обох обкладках накопичуються рівні за величиною й протилежні за знаком заряди. Оскільки електричне поле зарядженого конденсатора зосереджене в просторі між його обкладками, то електроємність конденсатора не залежить від навколишніх тел.

Електроємність конденсатора вимірюється відношенням кількості електрики на одній з обкладок до різниці потенціалів між обкладками:

С = q/U.

1 Ф – електроємність такого конденсатора, який може бути заряджений кількістю електрики, рівною 1 Кл, до різниці потенціалів між обкладками, що дорівнює 1 В.

Наприклад, електрична ємність плоского конденсатора в системі СІ визначається за співвідношенням:

С = εε0S/d,

де ε – діелектрична проникність матеріалу, що знаходиться між обкладками конденсатора; ε0 – діелектрична проникність вакууму; S – величина площі поверхні пластини (меншої, якщо вони не рівні); d – відстань між пластинами.

Якщо обкладки зарядженого конденсатора з'єднати провідником, то заряди переходитимуть з однієї обкладки на іншу і нейтралізують один одного. Цей процес називається розрядкою конденсатора. Кожен конденсатор розрахований на певну напругу. Якщо напруга між обкладками стане дуже великою, то розрядка може відбутися і безпосередньо через діелектрик (без сполучного провідника), тобто настає пробій діелектрика. Пробитий конденсатор до подальшого вживання не придатний.

Для отримання електроємності потрібної величини конденсатори сполучають в батарею. На практиці зустрічається як паралельне, так і послідовне з'єднання конденсаторів.