Урок на тему "Електроємність плоского конденсатора."

Урок з фізики 11 клас

Учитель Серьогіна Л. В.

КЗШ № 117

Тема:   Електроємність плоского конденсатора.

 

Мета: Вивести формулу ємності плоского конденсатора, батареї послідовно і паралельно сполучених конденсаторів.

Навчити застосовувати вищеперелічені формули для розв’язування задач, продовжувати розвивати логічне мислення, уміння аналізувати і узагальнювати вивчений матеріал.

Виховувати допитливість, продовжувати прищеплювати навики колективної роботи і товариської взаємодопомоги.

 

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

 

Устаткування: ПК, демонстраційний розбірний плоский конденсатор, демонстраційний повітряний конденсатор змінної ємності, набір конденсаторів (паперовий, керамічний, слюдяні, електролітичні), таблиці. 

 

Хід уроку.

 

I. Актуалізація опорних знань.

II. Мотивація учбової діяльності учнів.

III. Вивчення нового матеріалу.

IV. Закріплення матеріалу.

V. Домашнє завдання.

VI. Підсумок уроку.

 

I. Актуалізація опорних знань.

1. Фронтальне опитування учнів.

2. Перевірка домашнього задвдання.

 

II. Мотивація пізнавальної діяльності учнів

 

Конденсатори дуже широко застосовуються в пристрої радіоприймачів, телевізорів, магнітофонів і в багатьох електронних приладах. Конденсатори призначені для накопичення електричних зарядів і електричної енергії. Властивість конденсаторів накопичувати і зберігати електричні заряди використовується в техніці для отримання короткочасного імпульсу струму великої сили (наприклад, у фотоспалаху).

 

III. Вивчення нового матеріалу.

 

Залежно від форми обкладок конденсатори діляться на:

1) плоскі;

2) сферичні;

3) циліндрові.

Під зарядом q конденсатора розуміють модуль заряду однієї з його обкладок. Виведемо формулу ємності плоского конденсатора.

На малюнку 1 зображений плоский конденсатор, який складається з двох металевих пластин А і В, укріплених на ізоляторах.

 

Мал. 1. Ємність конденсатора збільшується при зменшенні відстані між його пластинами.

 

З’єднаємо з електрометром пластину А, пластину ж В заземлимо. Зарядимо пластину А. Электрометр відзначить при цьому деяку різницю потенціалів пластин конденсатора. Якщо наближати пластину А, то можна відмітити, що різниця потенціалів між пластинами зменшується.

Зменшення різниці потенціалів пластин конденсатора при незмінному заряді  на   ньому  указує   на   збільшення ємності конденсатора.

Таким чином, ємність плоского конденсатора тим більше, чим менше відстань між пластинами або чим менше товщина діелектрика (у нашому досліді - повітря), поміщеного між  пластинами.

 

 

Мал. 2. Діелектрик між пластинами  конденсатора  збільшує  його ємність.

 

Якщо змінювати площу пластин конденсатора, не змінюючи відстані між ними, то можна встановити, що:

• чим більша площа пластин конденсатора, тим більший заряд можна зосередити на них при даній різниці потенціалів. А значить електроємність конденсатора прямо пропорційна його робочій площі.

 

Виконаємо ще один дослід. Встановимо пластини конденсатора А і В на деякій відстані одна від одної, і пластину А  зарядимо   (мал. 2).

Відмітимо величину різниці потенціалів, коли між пластинами знаходиться повітря. Вкладемо між пластинами лист скла або який-небудь інший діелектрик; ми відмітимо, що різниця потенціалів між пластинами зменшиться. Щоб довести цю різницю потенціалів до колишнього значення, необхідно перенести на пластину А додатковий заряд. Отже, заміна повітряного шару між пластинами яким-небудь іншим діелектриком збільшує ємність конденсатора.

Таким чином, ємність плоского конденсатора прямо пропорційна площі його пластини, діелектричної проникності і обернено пропорційна товщині діелектрика, що виражається наступною формулою:

У цій формулі S - площа однієї з пластин;

                            d - відстань між пластинами (товщина діелектрика);

                            ε- діелектрична проникність діелектрика, який заповнює простір       між пластинами;

 ε₀- електрична постійна 8,85·10^-12Ф/м

 

Зменшуючи товщину діелектрика між пластинами, можна одержати конденсатор великої ємності. Проте безмежно зменшувати товщину шару діелектрика не можна. Із зменшенням товщини діелектрика, при незмінній різниці потенціалів на пластинах конденсатора, росте напруженість поля конденсатора, яка, досягнувши певної величини, викличе пробій діелектрика.

У разі повітря, наприклад, пробій виходить при напруженості поля близько 30000. Тому на всякому конденсаторі, окрім його ємності, указується гранична напруга, яка може бути прикладене до конденсатора.

 

Задача

 

З якою найбільшою електроємністю можна зробити плоский конденсатор, використавши як діелектрик відмиту від фотоемульсії фотопластину розміром 12×18см і завтовшки 1,5мм (ε=7).

Дано:  Рішення

а=12·10-2м b=18·10-2м d=1,5·10-3м =7
С-?		Відповідь:890пФ

 

Для отримання необхідної ємності конденсатори часто сполучають в батареї. Можливі три типу з'єднань:

-послідовне;

 

 

 

-паралельне;

 

-змішане.

 

 

Різні види конденсаторів.

Конденсатори знаходять широке застосування в техніці зв’язку, наприклад в телефонії, в радіотехніці, а також в ланцюгах змінного струму. Залежно від свого призначення конденсатори діляться на конденсатори постійної ємності і конденсатори змінної ємності.

 

Мал. 1.Электролітичний конденсатор. Рис.2-конденсатор змінної ємності.

 

У радіотехніці застосовуються слюдяні конденсатори. Обкладки в цих конденсаторах робляться з свинцево-олов’яної або алюмінієвої фольги, ємність слюдяних конденсаторів - від десятків пікофарад до десятків тисяч пікофарад; напруги, при яких можуть працювати ці конденсатори, близько сотень і тисяч вольт.

Останнім часом слюдяні конденсатори в радіотехніці стали замінювати керамічними конденсаторами. Діелектриком в них служить спеціальна кераміка. Обкладки керамічних конденсаторів виготовляються у вигляді шару срібла, нанесеного на поверхню кераміки і захищеного шаром лаку. Керамічні конденсатори виготовляються на ємності від одиниць до сотень пікофарад і на напруги від сотень до тисяч вольт.

Великими ємностями (до декількох тисяч мікрофарад) при малих розмірах і вазі володіють електролітичні конденсатори (мал. 1).

Пластинами електролітичного конденсатора служать довгі смуги алюмінієвої фольги, між якими прокладений фільтрувальний папір, просочений електролітом. Позитивна пластина покривається тонким шаром окислу (оксидується), а негативна пластина не оксидується і служить лише для контакту з електролітом, який фактично виконує роль другої обкладки конденсатора. Діелектриком служить вельми тонка оксидна плівка, що відокремлює анодну пластину від електроліту. Стрічки закручуються в щільний рулон, який поміщається в алюмінієвий або картонний корпус. Металевий корпус конденсатора сполучений з електролітом.

Завдяки дуже малій товщині оксидної плівки, ємність електролітичних конденсаторів величезна і досягає багатьох мікрофарад на дм² площі пластин.

Конденсатори змінної ємності, також широко застосовуються в радіотехніці, в більшості випадків бувають повітряні. Такий конденсатор (мал. 2) складається з двох систем металевих пластин, ізольованих одна від одної. Одна система пластин нерухома, інша може повертатися навколо осі. Обертаючи рухому систему, плавно змінюють ємність конденсатора.

 

ІV. Закріплення вивченого матеріалу

 

Задачі діти розв’язують в змішаних групах з подальшим поясненням у дошки.

 

1. Як зміниться ємність повітряного конденсатора, якщо відстань між пластинами зменшити в 10 разів?

2. Конденсатор ємністю 500пФ підключений до мережі постійної напруги 100В. Визначте модуль заряду обкладок конденсатора.

3. Конденсатор якої ємності необхідно підключити послідовно до конденсатора ємністю 800пФ, щоб ємність батареї дорівнювала 160пФ?

4.Конденсатор ємністю 6мкФ, заряджений до напруги 400В, з'єднали паралельно з незарядженим конденсатором ємністю 19мкФ. Яким стала напруга на конденсаторах?

5. Напруга на обкладках плоского конденсатора, заповненого парафіном, дорівнює 100В. Площа кожної обкладки 50см², відстань між ними 1мм. Знайти заряд конденсатора.

6. Визначте заряд плоского повітряного конденсатора ємністю 20пФ, якщо напруженість поля в конденсаторі 320В/см, а відстань між пластинами 0,5см.

 

V. Домашнє завдання

 

Вивчити §12-13, вправа 9 №3-4, вправа 10 №2-3)

 

VI. Підсумок уроку.