четвер, 19 травня 2022 р.

П'ятниця, 20.05.2022. 10 клас

 

Розв’язування задач на електроємність та енергію конденсатора

1. В електростатиці потрібно знати ще дві величини: 

а) поверхнева густина заряду – це відношення заряду до площі поверхні, по якому він розподілений. Позначається літерою σ. Одиниці вимірювання 

[σ] = Кл/м2. Формула:

σ = q/S;

б) Густина енергії – це відношення енергії електричного поля до об’єму простору, в якому знаходиться поле. Позначається літерою w. Одиниці вимірювання 

[w] = Дж/м3. Формула:

w = W/V або w = εε0E2/2.

2. Формули, необхідні для розв’язування задач:

а) Загальна формула електроємності  C = q/U

б) Електроємність плоского конденсатора C = εε0S/d

в) Електроємність батареї конденсаторів

Паралельне з’єднання C = C1 + C2 + … + Cn

Послідовне з’єднання 1/C = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn

г) Енергія конденсатора W = q2/2C = CU2/2 = qU/2

 Задача № 1

Площа кожної пластини плоского конденсатора 401 см2. Заряд пластини 1,42 мкКл. Знайти напруженість поля між пластинами.

Розв’язування

Дано: S = 401∙10-4 м2; q = 1,42∙10-6 Кл. Знайти: E -?

Загальна формула електроємності  C = q/U, електроємність плоского конденсатора C = εε0S/d. Два рівняння, ліві частини рівні, тоді й праві рівні, тобто 

q/U = εε0S/d. Розписуємо напругу через напруженість:

U = Ed, тоді q/Ed = εε0S/d. У знаменниках скорочуємо відстань між обкладками d: q/E = εε0S, звідки Е = q/εε0S, де ε – діелектрична проникність діелектрика. Якщо нічого не сказано про діелектрик, то це означає, що між обкладками – повітря, тоді ε = 1, тому

Е = q/ε0S. Підставимо значення величин:

Е = 1,42∙10-6/8,85∙10-12∙401∙10-4 = 4∙106 В/м.

Відповідь: Е = 4∙106 В/м.

Задача № 2

Знайти поверхневу густину заряду на пластинах плоского конденсатора, розділених шаром скла завтовшки 4 мм, якщо на конденсатор подано напругу 3,8 кВ.

Розв’язування

Дано: d = 4∙10-3 м; U = 3,8∙103 В; ε = 7. Знайти: σ -?

Загальна формула електроємності  C = q/U, електроємність плоского конденсатора C = εε0S/d. Два рівняння, ліві частини рівні, тоді й праві рівні, тобто 

q/U = εε0S/d. Поділимо ліву та праву частини рівняння на площу S, отримаємо: q/US = εε0/d, але q/S = σ, тоді σ/U = εε0/d, звідки

σ = εε0U/d. Підставимо значення величин:

σ = (7∙8,85∙10-12∙3,8∙103)/(4∙10-3) = 59∙10-6 Кл/м2 = 59 мкКл/м2.

Відповідь: σ = 59 мкКл/м2.

 Задача № 3

При введенні в простір між пластинами повітряного конденсатора твердого діелектрика напруга на конденсаторі зменшилася з 400 до 50 В. Яка діелектрична проникність діелектрика?

Розв’язування

Дано: ε1 = 1; U1 = 400 В; U2 = 50 В; S1 = S2 = S; d1 = d2 = d. Знайти: ε2 -?

Якщо конденсатор заряджають, а потім відключають від джерела, то заряд зберігається сталим. Загальна формула електроємності  

C = q/U, електроємність плоского конденсатора C = εε0S/d. Два рівняння, ліві частини рівні, тоді й праві рівні, тобто q/U = εε0S/d

відки q = εε0SU/d. У конденсатора не змінилися ні площа, ні відстань між пластинами, тоді

q = ε1ε0SU1/d, але за умовою між обкладками спочатку – повітря, тоді ε1 = 1, тому спочатку q = ε0SU1/d. Після введення діелектрика

q = ε2ε0SU2/d, але заряд рівний, тому:

ε2ε0SU2/d = ε0SU1/d. Проводимо скорочення:

ε2U2 = U1, звідки ε2 = U1/U2. Підставимо значення величин:

ε2 = 400/50 = 8.

Відповідь: ε2 = 8.

 Задача № 4

Площа кожної пластини конденсатора дорівнює 520 см2. На якій відстані одну від одної треба розташувати пластини в повітрі, щоб ємність конденсатора дорівнювала 46 пФ?

Розв’язування

Дано: S = 520∙10-4 м2; C = 46∙10-12 Ф. Знайти: d -?

Електроємність плоского конденсатора C = εε0S/d, за умовою задачі між обкладками конденсатора – повітря, тоді ε = 1, тому C = ε0S/d, звідки

d = ε0S/C. Підставимо значення величин:

d = (8,85∙10-12∙520∙10-4)/(46∙10-12) = 100∙10-4 м = 10-2 м = 1 см.

Відповідь: d = 1 см.

 Задача № 5

Плоский конденсатор складається з двох пластин площею 50 см2 кожна. Між пластинами знаходиться шар скла. Який найбільший заряд можна нагромадити на цьому конденсаторі, якщо при напруженості поля 10 МВ/м у склі відбувається пробій конденсатора?

Розв’язування

Дано: S = 50∙10-4 м2; ε = 7; E = 107 В/м. Знайти: q -?

Загальна формула електроємності  C = q/U, електроємність плоского конденсатора C = εε0S/d. Два рівняння, ліві частини рівні, тоді й праві рівні, тобто 

q/U = εε0S/d. Розписуємо напругу через напруженість:

U = Ed, тоді
q/Ed
= εε0S/d. У знаменниках скорочуємо відстань між обкладками d:

q/E = εε0S, звідки

q = εε0SЕ. Підставимо значення величин:

q = 7∙8,85∙10-12∙50∙10-4∙107 = 3,1∙10-6 Кл = 3,1 мкКл.

Відповідь: q = 3,1 мкКл.

 Задача № 6

Площа кожної з пластин плоского конденсатора 200 см2, а відстань між ними 1 см. Яка енергія поля, якщо напруженість поля 500 кВ/м?

Розв’язування

Дано: S = 200∙10-4 = 2∙10-2 м2; d = 10-2 м; E = 5∙105 В/м. Знайти: W -?

Енергія конденсатора або електричного поля W = CU2/2, де C = εε0S/d,

U = Ed, тоді W = εε02d/2. Підставимо значення величин, враховуючи, що за умовою задачі між обкладками конденсатора – повітря, тоді ε = 1:

W = 8,85∙10-12∙200∙10-4∙25∙1010∙10-2/2 = 220∙10-6 Дж = 220 мкДж.

 Відповідь:  W = 220 мкДж.

 Задача № 7

Відстань між пластинами плоского конденсатора з діелектриком із паперу, просоченого парафіном, дорівнює 2 мм, а напруга між пластинами 200 В. Знайти густину енергії поля.

Розв’язування

Дано: ε = 2,2; d = 2∙10-3 м; U = 2∙102 В. Знайти: w -?

Густину енергії визначають за формулою w = εε0E2/2, де Е = U/d, тоді

w = εε0U2/2d2. Підставимо значення величин:

w = (2,2∙8,85∙10-12∙4∙104)/(2∙4∙10-6) = 9,7∙10-2 Дж/м3 = 97∙10-3 Дж/м3 =

= 97 мДж/м3

Відповідь: w = 97 мДж/м3

Немає коментарів:

Дописати коментар