Параллельно-плиточный конденсатор: определение формула и применения
Плоский конденсатор - это устройство, которое может хранить электрический заряд и энергию в виде электрического поля между двумя проводящими пластинами. Пластины разделены небольшим расстоянием и подключены к источнику напряжения, такому как батарея. Пространство между пластинами может быть заполнено воздухом, вакуумом или диэлектрическим материалом, который является изолятором, способным поляризоваться под воздействием электрического поля.
Что такое плоский конденсатор?
Плоский конденсатор определяется как расположение двух металлических пластин одинаковой площади A и противоположного заряда Q, разделенных расстоянием d. Пластины подключены к источнику напряжения V, который создает разность электрического потенциала между ними. Электрическое поле E между пластинами равномерно и перпендикулярно пластинам, как показано на рисунке 1.
Электрическое поле E между пластинами определяется следующим образом:
где V - напряжение между пластинами, d - расстояние между пластинами, σ - поверхностная плотность заряда на каждой пластине, а ϵ0 - диэлектрическая проницаемость вакуума.
Электрическое поле E вызывает поляризацию P в диэлектрическом материале, которая представляет собой дипольный момент на единицу объема материала. Поляризация P уменьшает эффективное электрическое поле E внутри диэлектрика и увеличивает емкость C конденсатора.
Емкость C плоского конденсатора - это отношение заряда Q на каждой пластине к напряжению V между пластинами:
Емкость C зависит от геометрии пластин и диэлектрического материала между ними. Для плоского конденсатора с воздухом или вакуумом между пластинами емкость C определяется следующим образом:
где A - площадь каждой пластины, а d - расстояние между пластинами.
Для плоского конденсатора с диэлектрическим материалом между пластинами емкость C определяется следующим образом:
где k - относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая постоянная материала, которая является безразмерной величиной, измеряющей, насколько легко материал можно поляризовать под воздействием электрического поля.
Относительная диэлектрическая проницаемость k диэлектрического материала всегда больше или равна 1. Чем выше значение k, тем больше заряда можно хранить на конденсаторе при заданном напряжении, и, следовательно, выше емкость.
Применение плоских конденсаторов
Плоские конденсаторы имеют множество применений в различных областях науки и техники. Некоторые из них:
Фильтрация: Плоские конденсаторы могут использоваться для фильтрации нежелательных частот или шума в электрическом сигнале. Например, они могут блокировать постоянный ток (DC) и пропускать переменный ток (AC). Они также могут использоваться для сглаживания колебаний напряжения в источниках питания.
Настройка: Плоские конденсаторы могут использоваться для настройки электрических цепей на резонанс на желаемой частоте. Например, их можно использовать в радиоприемниках, телевизорах и других средствах связи для выбора конкретного канала или частотного диапазона.
Измерение: Плоские конденсаторы могут использоваться для измерения физических величин, таких как давление, температура, влажность, перемещение и т.д. Например, их можно использовать в микрофонах, термометрах, гигрометрах, акселерометрах и т.д. Емкость плоского конденсатора изменяется с этими физическими величинами за счет изменения расстояния между пластинами или диэлектрического материала между ними.
Хранение энергии: Плоские конденсаторы могут использоваться для хранения электрической энергии в их электрических полях. Например, их можно использовать в фонариках, камерах, дефибрилляторах и т.д. Энергия, хранимая в плоском конденсаторе, определяется следующим образом:
где U - хранимая энергия в джоулях (Дж), C - емкость в фарадах (Ф), а V - напряжение в вольтах (В).
Резюме
