Где хранится заряд в конденсаторе

Где хранится заряд конденсатора

В диэлектрике и/или на пластинах?
В интернете можно найти немало «видеоопытов», направленных на в поисках «места» нахождения заряда (например), в которых электрический конденсатор разбирают и «щупают» величину заряда отдельно в диэлектрике и на пластинах.
Чтобы правильно ответить на вопрос заголовка статьи, конденсатор не следует разбирать, а заряд необходимо измерять прибором, а не «на искру».
Очевидно, что обкладки и диэлектрик прокладки конденсатора конструктивно связаны и заряд должен находиться в обоих «местах». Задача: найти какое количество заряда находится в диэлектрике и сколько его на пластинах.
Представим конденсатор в виде эквивалентного ему параллельного соединения двух конденсаторов: один из них «накапливает» заряд только в диэлектрике (индекс «д»), а второй — на пластинах (индекс «в»).
Как известно заряд плоского конденсатора Q равен
Q = CU = εε_вS/d
где, C — ёмкость конденсатора; S – площадь пластин; d – расстояние между пластинами. ε — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика ; ε_в — электрическая проницаемость вакуума.
Заряд плоского конденсатора с извлечённым диэлектриком
Qв = CвUв = ε_вS/d.
Заряд, извлечённый вместе с диэлектриком
Qд = Q — Qв = ε_вS (εU — Uв )/d.
Отношение k «диэлектрического» и «вакуумного» зарядов
k = (εU/Uв) -1,
Измерим отношение U/Uв для различных диэлектриков.
С этой целью собрал измерительный конденсатор с пластинами S = 370см 2 , не изменяя геометрические размеры которого можно извлекать диэлектрик. Заряжается конденсатор высоковольтным источником 3кВ, а напряжение, пропорциональное заряду, измеряется с помощью щитового прибора электростатической системы С75 со шкалой до 3кВ.
Для оргстекла, полиэтилена и оконного стекла отношение U/Uв оказалось близко к единице (±10%). Что подтверждает правомерность выбора эквивалентной схемы из двух параллельных конденсаторов.
Таким образом, отношение извлечённого и оставшегося зарядов конденсатора составляет
k = (ε -1) .
Вывод.
На вопрос: «где хранится заряд конденсатора?», правильно отвечать так:
«заряд находится и в диэлектрике, и на пластинах, в соотношении (ε — 1) /1.»

marsdmitri
#56924 2023-06-16 22:57 GMT

1905 сообщений
Откуда: Longueuil

Если в пластинах конденсатора есть поры, то и внутри них.
Затем какое- то количество зарядов накапливается внутри кртисталлической решетки металла из которого сдеклана пластина конденсатора.
Затем часть заряда приходит с молекулами воздуха. Ваш конденсатор не в вакуума, а в квартире.
Часть может притекать через опору, на которой лежит конденсатор.

Дорошев В.П.
#56926 2023-06-17 01:20 GMT

25 сообщений
Откуда: Минск
Кто: Пенсионер
Возраст: 79

#56924 marsdmitri :

Если в пластинах конденсатора есть поры, то и внутри них.
Затем какое- то количество зарядов накапливается внутри кртисталлической решетки металла из которого сдеклана пластина конденсатора.
Затем часть заряда приходит с молекулами воздуха. Ваш конденсатор не в вакуума, а в квартире.
Часть может притекать через опору, на которой лежит конденсатор.

Непонятно, что вы хотите сказать по существу поставленой мною и решённой здесь строго задаче?

То, что в устройстве канденсатора, как и любом техническом устройстве много тонкостей, деталей и влияющих факторов?

Вообще то, верный инженерный и научный подход, как раз, и состоит в том, что бы отсечь второстепенное, несущественное, избыточное, мелкое.

Меня в данной постановке совершенно не интересовало конкретное распределение зарядов в материале пластин и диэлектрика. Такие работы есть.

И тем более не интересовали внешние влияющие факторы, как, например, саморазряд конденсатора или другие утечки.

В чём суть вашего комментария?

Вы обнаружили ошибку?

Вы считаете, что поры в пластинах, утечка заряда или случайно заряженные молекулы воздуха, каким то образом влияют на верность моего расчёта и верность сделанные выводов?

Конденсатор

Рассмотрим водопроводную модель конденсатора. Ранее мы говорили о том, что ток может течь только в трубе, соединенной в кольцо в замкнутой цепи. Но можно представить пустую емкость, в которую можно заливать воду, пока емкость не заполнится. Это и есть конденсатор — емкость, в которую можно заливать заряд.

Для большей аналогии лучше представить себе водонапорную башню, в модели — трубу бесконечной длины поставленную вертикально. Вода насосом закачивается в эту трубу с нижнего торца и поднимается на высоту. Чем больше воды закачали и чем выше она поднялась — тем сильнее столб воды давит на днище и выше там давление. Так-то в эту бесконечную трубу можно сколько угодно воды (электрического заряда) закачать, но при этом противодавление столба воды будет расти. Если качать заряд генератором напряжения, то когда противодавление сравняется с давлением (напряжением), создаваемым генератором — закачка остановится.

Если характеристикой резистора является сопротивление, то электрической характеристикой конденсатора является емкость.

С=Q/U

Емкость говорит, сколько заряда можно в конденсатор закачать, чтобы напряжение там поднялось до величины U. Можно сказать, что емкость характеризует диаметр трубы. Чем ýже труба, тем быстрее поднимается уровень воды при закачке и растет давление на дне трубы. Давление же зависит только от высоты водяного столба, а не от массы закачанной воды.

В электрических терминах, чем меньше емкость конденсатора, тем быстрее растет напряжение при закачке туда заряда.

Напомню, что электрический ток I равен количеству протекающего заряда Q в секунду. То есть I=Q/T, где T — время. Это все равно, что поток воды исчисляемый кубометрами в секунду. Или килограммами в сек, потом проверим по размерности).

Поэтому конденсатор с маленькой емкостью заполняется зарядом быстро, а с большой емкостью — медленно.

Рассмотрим теперь электрические цепи с конденсатором.

Пусть конденсатор подключен к генератору напряжения.

«Главный инженер повернул рубильник» S1 и.. тыдыщ. Что произошло?

Идеальный генератор напряжения имеет бесконечную мощность и может выдавать бесконечный ток. Когда замкнули рубильник в нашу емкость хлынуло бесконечное количество заряда в секунду и она мгновенно заполнилась и напряжение на ней выросло до U.

Теперь рассмотрим более реальную цепь.

Это Вторая Главная Цепь в жизни инженера-электронщика (после делителя напряжения) —
RC–цепочка.

RC–цепочка

RC -цепочки бывают интегрирующего и дифференцирующего типа.

RC–цепочка интегрирующего типа

Что произойдет в этой схеме, если замкнуть выключатель S1?

Конденсатор С исходно разряжен и напряжение на нем рано 0. Поэтому ток в первый момент будет равен I=U/R. Затем конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем увеличивается, и ток через резистор начнет уменьшаться. I=(U-Uc)/R. Этот процесс будет продолжаться, конденсатор будет заряжаться уменьшающимся током до напряжения источника U. Напряжение на конденсаторе при этом будет расти по экспоненте.

Вопрос: А если запитать такую цепочку от генератора тока, как будет расти напряжение на конденсаторе?

Почему цепочка называется — «интегрирующего типа»?

Как выше было отмечено, ток в первый момент после подачи напряжение будет равен I=U/R, так как конденсатор разряжен, и напряжение на нем равно 0. И какое-то время, пока напряжение на конденсаторе Uc мало по сравнению с U, ток будет оставаться почти постоянным. А при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем растет линейно.

Uc=Q/C, а мы помним, что ток это количество заряда в секунду, то есть скорость протекания заряда. Другими словами, заряд это интеграл от тока.

Q = ∫ I * dt =∫ U/R * dt

Uc=1/RC * ∫ U * dt

Но все это близко к истине в начальный момент, пока напряжение на конденсаторе малó.

На самом деле все сводится к тому, что конденсатор заряжается постоянным током.
А постоянный ток выдает генератор тока. (См. вопрос выше)
Если источник напряжения выдает бесконечно большое напряжение и сопротивление R также имеет бесконечно большую величину, то по факту мы имеем уже идеальный генератор тока, и внешние цепи на величину этого тока влияния не оказывают.

RC–цепочка дифференцирующего типа

Ну тут все то же самое, что в интегрирующей цепочке, только наоборот.

Более подробно свойства RC цепей хорошо освещены в интернете.

Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

Так же как резисторы, конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно.

При параллельном соединении емкости складываются — ну это и понятно, это как заполнять сообщающиеся сосуды, общий объем получается равным сумме объемов. При последовательном же соединении получится так, что конденсатор с маленькой емкостью заполнится зарядом быстрее, чем конденсатор с большой емкостью. Напряжение на маленьком конденсаторе быстро вырастет почти до напряжения источника ( ну и остальные конденсаторы внесут свой вклад) , ток в общей цепи уменьшится до нуля, и процесс заряда конденсаторов прекратится. Таким образом емкость последовательно соединенных конденсаторов получается меньше емкости самого маленького из них.

Upd.
Рассмотрим более подробно процесс заряда конденсатора на схеме рис.10 (по мотивам учебника И.В.Савельева «Курс общей физики», том II. «Электричество» )
Как было сказано в предыдущей статье О природе электрического тока электрический ток — это движение заряженных частиц. В проводниках ( в отличие от диэлектриков-изоляторов) часть электронов является свободными и такие электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В целом проводник электрически нейтрален — отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ядер атомов. Чтобы заставить электроны двигаться нужно создать их избыток на одном конце проводника и недостаток на другом. Этот избыток электронов на одном полюсе создает батарейка вследствие протекающих в ней электрохимических реакций. Когда проводник присоединяется к полюсам батарейки электроны от полюса, где их избыток начинают двигаться к другому полюсу, потому что одноименные заряды отталкивают друг друга. Эти свободные электроны движутся внутри проводника по всему объему.
Движение электронов в RC цепи на рис. 3 имеет другой характер. Поскольку цепь не замкнута (обкладки конденсатора не соединены друг с другом) постоянный ток в цепи идти не может. Поэтому поступающий избыток электронов с полюса батарейки приводит к тому, что проводник теряет электрическую нейтральность. Избыточный заряд q, распределяется по поверхности проводника так, чтобы напряженность поля внутри проводника была равна нулю. Ну это понятно, одноименные заряды отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга, то есть на поверхности. Если бы не было резистора R, то перераспределение зарядов по поверхности происходило бы мгновенно. Однако резистор ограничивает ток ( движение зарядов) поэтому перераспределение происходит постепенно. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем растет и ток через резистор уменьшается. Избыточные электроны концентрируются на одной обкладке и создают электрическое поле. Это поле отталкивает электроны, находящиеся на другой обкладке и «проталкивает» их дальше по проводнику к отрицательному полюсу батареи. (Знаки + и — в данном случае берем условно). Таким образом в незамкнутой цепи протекает ток заряда конденсатора. Этот ток не постоянный и уменьшается со временем. Однако, если в какой-то момент поменять полярность батареи, то ток потечет уже в обратную сторону. Если это переключение делать достаточно часто, так чтобы конденсатор не успевал полностью зарядиться, то в цепи все время будет течь ток, то в одну, то в другую сторону. Это и происходит, когда говорят, что «конденсатор проводит переменный ток».
Для плоского конденсатора емкость равна С=ε0*ε*S/d , где d – зазор между обкладками, ε – диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего зазор, S — площадь обкладок.
То есть на емкость влияет не только площадь обкладок и расстояние между ними, но и материал диэлектрика, который между обкладками помещен. Причем на емкость конденсатора материал диэлектрика может влиять достаточно сильно, с разными дополнительными эффектами, см. например статью «Поляризация диэлектрика»

Литература
«Драма идей в познании природы», Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю., 1988
«Курс общей физики», том II. «Электричество» И.В.Савельев
Википедия — статьи про электричество.

Где в конденсаторе хранятся заряды?

Misha_32

Просмотр профиля

26.12.2013, 20:19

Группа: Пользователи
Сообщений: 539
Регистрация: 1.8.2007
Из: Брянск
Пользователь №: 9113

Риторический вопрос: А где хранятся заряды в конденсаторе?

FRAER

Просмотр профиля

26.12.2013, 20:28

Группа: Пользователи
Сообщений: 2778
Регистрация: 11.7.2013
Из: Волгоград
Пользователь №: 34281

Избыток/недостаток электронов в атомах

haramamburu

Просмотр профиля

26.12.2013, 20:33

Группа: Пользователи
Сообщений: 4022
Регистрация: 27.9.2009
Из: Дмитров
Пользователь №: 15685

Цитата(Misha_32 @ 26.12.2013, 20:19)
Риторический вопрос: А где хранятся заряды в конденсаторе?
На обкладках естессно

Задавая вопрос, необходимо знать ответ процентов на 70. В противном случае задавать его бессмысленно:
из ответа все равно ничего не будет понятно.

Misha_32

Просмотр профиля

26.12.2013, 20:44

Группа: Пользователи
Сообщений: 539
Регистрация: 1.8.2007
Из: Брянск
Пользователь №: 9113

Цитата(haramamburu @ 26.12.2013, 20:33)
На обкладках естессно

ха. можете доказать?)))))

haramamburu

Просмотр профиля

26.12.2013, 21:01

Группа: Пользователи
Сообщений: 4022
Регистрация: 27.9.2009
Из: Дмитров
Пользователь №: 15685

Ну да.. достаточно открыть школьный курс физики

Задавая вопрос, необходимо знать ответ процентов на 70. В противном случае задавать его бессмысленно:
из ответа все равно ничего не будет понятно.

с2н5он

Просмотр профиля

26.12.2013, 21:15

Группа: Модераторы
Сообщений: 22753
Регистрация: 12.7.2009
Из: Вологодская область
Пользователь №: 14996

Цитата(Misha_32 @ 26.12.2013, 21:44)
ха. можете доказать?)))))

Потрогайте и почувствуете, что они там
интереснее всего в этом вранье то, что оно враньё от первого до последнего слова

Misha_32

Просмотр профиля

26.12.2013, 22:14

Группа: Пользователи
Сообщений: 539
Регистрация: 1.8.2007
Из: Брянск
Пользователь №: 9113

Цитата(haramamburu @ 26.12.2013, 21:01)
Ну да.. достаточно открыть школьный курс физики

пришлите хотя бы одну ссылку.

haramamburu

Просмотр профиля

26.12.2013, 23:32

Группа: Пользователи
Сообщений: 4022
Регистрация: 27.9.2009
Из: Дмитров
Пользователь №: 15685

Misha_32, Господин хороший.. это все из разряда фокусов.
. хотите обсудить.. ну .. возможен такой расклад..

просто предлагаю подумать — две обкладки конденсатора . не, не в воздухе даже.. — в вакууме! Ёмкости не будет? Будет.. уверяю вас..

Еще. вы заметили? что 1 раз он берет пластины руками! — а второй раз нет! Что и где там лежало — не видно!

Задавая вопрос, необходимо знать ответ процентов на 70. В противном случае задавать его бессмысленно:
из ответа все равно ничего не будет понятно.

Misha_32

Просмотр профиля

27.12.2013, 7:10

Группа: Пользователи
Сообщений: 539
Регистрация: 1.8.2007
Из: Брянск
Пользователь №: 9113

никогда о подобном не задумывался, а тут знакомый озадачил. здесь тоже фокус http://www.youtube.com/watch?v=jlOCxu7SAJ4
и вот еще статью почитал http://electrik.info/main/fakty/149-yekspe. kogo-opyta.html
тоже выдумки?

savelij®

Просмотр профиля

27.12.2013, 9:22

Группа: Модераторы
Сообщений: 13410
Регистрация: 30.5.2006
Из: Санкт-Петербург
Пользователь №: 5663

Цитата(Misha_32 @ 27.12.2013, 8:10)
тоже выдумки?

В конце статьи по последней ссылке
А наука не терпит неясностей. Однако объяснение ситуации было дано только в 1922 году.
И далее по тексту.
Не говорите что мне делать. и я не скажу куда вам идти. ©

haramamburu

Просмотр профиля

27.12.2013, 10:01

Группа: Пользователи
Сообщений: 4022
Регистрация: 27.9.2009
Из: Дмитров
Пользователь №: 15685

Цитата(Misha_32 @ 27.12.2013, 7:10)
http://electrik.info/main/fakty/149-yekspe. kogo-opyta.html
тоже выдумки?
Хахахаха.. Но как фокус на курсе физики можно показывать

Задавая вопрос, необходимо знать ответ процентов на 70. В противном случае задавать его бессмысленно:
из ответа все равно ничего не будет понятно.

Misha_32

Просмотр профиля

27.12.2013, 10:37

Группа: Пользователи
Сообщений: 539
Регистрация: 1.8.2007
Из: Брянск
Пользователь №: 9113

если бы на физике подобное показывали и доказывали на формулах, то было бы замечательно. Как доказать опытным путем, что заряд накапливается на обкладках?

с2н5он

Просмотр профиля

27.12.2013, 10:57

Группа: Модераторы
Сообщений: 22753
Регистрация: 12.7.2009
Из: Вологодская область
Пользователь №: 14996

Если бы в школе давали то, что открыло человечество во всех подробностях, после школы выходили бы сразу на пенсию

интереснее всего в этом вранье то, что оно враньё от первого до последнего слова

protector

Просмотр профиля

30.12.2013, 15:14

Группа: Пользователи
Сообщений: 885
Регистрация: 22.9.2011
Пользователь №: 24364

Цитата(Misha_32 @ 27.12.2013, 11:37)
Как доказать опытным путем, что заряд накапливается на обкладках?
А где им еще накапливаться? В конденсаторе по большому счету ничего нет, кроме обкладок.

Misha_32

Просмотр профиля

30.12.2013, 19:26

Группа: Пользователи
Сообщений: 539
Регистрация: 1.8.2007
Из: Брянск
Пользователь №: 9113

Цитата(protector @ 30.12.2013, 15:14)
А где им еще накапливаться? В конденсаторе по большому счету ничего нет, кроме обкладок.
На поверхности диэлектрика может?

Roman D

Просмотр профиля

30.12.2013, 19:34

Инспектор Бел Амор

Группа: Пользователи
Сообщений: 10609
Регистрация: 11.8.2007
Из: Куртенгофъ
Пользователь №: 9187

Цитата(Misha_32 @ 30.12.2013, 18:26)
На поверхности диэлектрика может?

Может. А если конденсатор вакуумный, то на поверхности вакуума.
Самая главная часть каждого оружия есть голова его владельца! (С) Аркаша Дзюбин, фильм «Два бойца.»

savelij®

Просмотр профиля

30.12.2013, 20:10

Группа: Модераторы
Сообщений: 13410
Регистрация: 30.5.2006
Из: Санкт-Петербург
Пользователь №: 5663

Цитата(Roman D @ 30.12.2013, 20:34)
. если конденсатор вакуумный, то на поверхности вакуума.

Зачёт. +100500
Не говорите что мне делать. и я не скажу куда вам идти. ©

Viktor2004

Просмотр профиля

2.1.2014, 2:20

Группа: Пользователи
Сообщений: 2586
Регистрация: 26.1.2005
Из: Санкт-Петербург
Пользователь №: 2252

При заряжании конденсатора с одной обкладки электроны уходят, а на другую обкладку прибывают. После отключения заряда на одной обкладке избыток электронов, а на другой их нехватка. Поскольку диэлектрик состоит из несимметричных молекул, эти молекулы имеют как бы два полюса, один конец молекулы отрицательный, другой положительный. Ну просто в сложной органической молекуле, состоящей из бензольного кольца и кучи веток заряд не может располагаться равномерно. Так вот под действием электрического поля обкладок молекулы в диэлектрике поляризуются и аккумулируют при этом часть энергии электрического поля.
Экспериментатору надо было не искрами проверять заряд, а прибором измеряющим электрическое поле. тогда бы он заметил что и убранные пластины имеют заряд и диэлектрик остался поляризованным. А когда он ставит к поляризованному диэлектрику новые алюминиевые платины, происходит следующее. На обеих пластинах суммарный заряд равен нулю. Но под действием поляризованного диэлектрика произойдет на одной пластине свободные электроны сконцентрируются на внутренней стороне пластины, а у другой пластины на внешней стороне. И прибор бы это показал. При разряде таких пластин, молекулы диэлектрика вернулись бы в свое исходное стабильное состояние, отдав обратно саккумулированную электрическую энергию.
Так что правильный ответ на вопрос звучит так. Заряды находятся на пластинах и нигде больше. Правильнее задавать вопрос иначе. Где аккумулируется электрическая энергия в заряженном конденсаторе. Ответ будет такой, часть энергии в виде разницы зарядов аккумулируется на пластинах, а часть энергии аккумулируется при поляризации диэлектрика.
Естественно в вакуумном конденсаторе вся энергия электрического поля остается на пластинах. (если конечно эфир не обладает свойством поляризации)

Где хранится заряд в конденсаторе

Где хранится заряд конденсатора

В диэлектрике и/или на пластинах?
В интернете можно найти немало ‘видеоопытов’, направленных на в поисках ‘места’ нахождения заряда (например, https://youtu.be/ei9pNA5FFn8 ), в которых электрический конденсатор разбирают и ‘щупают’ величину заряда отдельно в диэлектрике и на пластинах.
Чтобы правильно ответить на вопрос заголовка статьи, конденсатор не следует разбирать, а заряд необходимо измерять прибором, а не ‘на искру’.
Очевидно, что обкладки и диэлектрик прокладки конденсатора конструктивно связаны и заряд должен находиться в обоих ‘местах’. Задача: найти какое количество заряда находится в диэлектрике и сколько его на пластинах.
Представим конденсатор в виде эквивалентного ему параллельного соединения двух конденсаторов: один из них ‘накапливает’ заряд только в диэлектрике (индекс ‘д’), а второй — на пластинах (индекс ‘в’).
Как известно заряд плоского конденсатора Q равен
Q = CU = εε_вS/d
где, C — ёмкость конденсатора; S — площадь пластин; d — расстояние между пластинами. ε — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика ; ε_в — электрическая проницаемость вакуума.
Заряд плоского конденсатора с извлечённым диэлектриком
Qв = CвUв = ε_вS/d.
Заряд, извлечённый вместе с диэлектриком
Qд = Q — Qв = ε_вS (εU — Uв )/d.
Отношение k «диэлектрического» и «вакуумного» зарядов
k = (εU/Uв) -1,
Измерим отношение U/Uв для различных диэлектриков.
С этой целью соберём измерительный конденсатор с пластинами S = 370см 2 , не изменяя геометрические размеры которого можно извлекать диэлектрик (Фото 1).

Фото 1. Заряжается конденсатор высоковольтным источником 3кВ, а напряжение, пропорциональное заряду, измеряется с помощью щитового прибора электростатической системы С75 со шкалой до 3кВ.
Для оргстекла, полиэтилена и оконного стекла отношение U/Uв равно единице с погрешность +10% . Что подтверждает правомерность выбора эквивалентной схемы из двух параллельных конденсаторов.
Таким образом, отношение извлечённого и оставшегося зарядов конденсатора составляет
k = (ε -1) .
Вывод.
На вопрос: ‘где хранится заряд конденсатора?’, правильно отвечать так:
‘заряд находится в диэлектрике и на пластинах в соотношении (ε — 1) /1.’
Ноябрь 2021 г.

• Оставить комментарий
• © Copyright Дорошев Василий Петрович (&#102&#97&#114&#115&#64&#116&#117&#116&#46&#98&#121)
• Размещен: 26/11/2021, изменен: 06/01/2022. 3k. Статистика.
• Статья: Естествознание