Конденсаторы.Электроемкость конденсатора. Применение конденсаторов.

План ответа

1. Определение конденсатора. 2. Обозначение. 3. Электроемкость конденсатора. 4. Электроемкость плоского конденсатора. 5. Соединение конденсаторов. 6. Применение конденсаторов.

Для накопления значительных количеств раз­ноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.Конденсатор — это система двух про­водников (обкладок), разделенных слоем диэлектри­ка, толщина которого мала по сравнению с размера­ми проводников. Так, например, две плоские метал­лические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский кон­денсатор. Если пластинам плоского конденсатора со­общить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность одной пласти­ны. Вне пластин напряженность равна нулю.

Обозначаются конденсаторы на схемах так: — конденсатор постоянной емкости и

— конденсатор переменной емкости.

Электроемкостью конденсатора называют ве­личину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроем­кость обозначается С.

По определению С =q/U. Единицей электро­емкости является фарад (Ф). 1 фарад — это электроемкость такого конденсатора, напряжение между об­кладками которого равно 1 вольту при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 кулону.

Электроемкость плоского конденсатора нахо­дится по формуле:

С=εε₀•S/d

где ε₀— электрическая постоянная, ε — диэлектри­ческая постоянная среды, S — площадь обкладки конденсатора, d — расстояние между обкладками (или толщина диэлектрика).

Если конденсаторы соединяются в батарею, то при параллельном соединении С₀ =С₁ + С₂, (рис.).

При последовательном соединении 1/C₀= 1/C₁ + 1/С₂ (рис.).

В зависимости от типа диэлектрика конденса­торы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования ее при быстром раз­ряде (фотовспышка), для разделения цепей постоян­ного и переменного токов, в выпрямителях, колеба­тельных контурах и других радиоэлектронных уст­ройствах.

Билет № 14

Силы и энергия межмолекулярного взаимодействия. Строение газообразных, жидких и твёрдых тел. Опыт Штерна.

Межмолекулярные силы– силы взаимодействия между молекулами. Имеют электрическую природу, взаимодействие положительных и отрицательных зарядов.

F

Силы отталкивания

0 d_o r

Сила молекулярного взаимодействия

Силы притяжения

График зависимости межмолекулярных сил от расстояния между молекулами

· d_o- поперечник молекулы, r- расстояние между центрами молекул.

· Если r = d_o, сила отталкивания равна силе притяжения. Сила взаимодействия молекул равна нулю.

· Если r<d_o сила отталкивания больше силы притяжения. Молекулы отталкиваются друг от друга.

· Если r >d_o сила отталкивания меньше силы притяжения. Молекулы притягиваются друг другу.

Энергия молекул.

Молекулы находятся в состоянии хаотического движения, молекулы взаимодействуют друг с другом, следовательно, они обладают кинетической и потенциальной энергией: .

· В газообразном состоянии потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежимо мала по сравнению с кинетической. Поэтому газы не имеют постоянной формы и объема, заполняют весь предоставленный им объем.

· В жидкостях величина потенциальной энергии приблизительно равна кинетической энергии. Поэтому в жидкости молекулы могут скачкообразно перемещаться относительно друг друга. Время “оседлой” жизни 10^-8c. C ростом температуры это время уменьшается. Жидкость имеет свойство текучести: сохраняя объем легко меняет форму, принимая форму сосуда.

В твердых телах величина потенциальной энергии взаимодействия молекул значительно больше кинетической энергии. Поэтому в твердых телах молекулы не могут свободно перемещаться, образуют кристаллическую решетку. Твердые тела сохраняют форму и объем. В кристаллической решетке молекулы обладают наименьшей потенциальной энергией .

Опыт Штерна

О. Штерн, воспользовавшись методом молекулярных пучков, изобретенным французским физиком Луи Дюнойе (1911г.) измерил скорость газовых молекул и на опыте подтвердил полученное Д. К. Максвеллом распределение молекул газа по скоростям. Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла.

По графику можно было определить смещение для середины изображения щели и, соответственно, вычислить среднюю скорость движения атомов.

При Т₂<Т₁ максимум кривой распределения смещается в область больших значений скоростей.

· Вначале была высказана гипотеза о том, что молекулы движутся с разными скоростями.

· Эти скорости связаны с температурой и существует определенный закон распределения молекул по скоростям, что следовало из наблюдений, в частности, броуновского движения.

· Затем Д. К. Максвелл теоретически получил закон распределения молекул по скоростям, который носит название распределения Максвелла.

Закон получил экспериментальное подтверждение в опытах Максвелла.

Билет №15

Идеальный газ. Параметры состояния идеального газа

Идеальным газом называется газ, при рассмотрении свойств которого соблюдаются следующие условия:

а) соударения молекул такого газа происходят как соударения упругих шаров, размеры которых пренебрежимо малы;

б) от столкновения до столкновения молекулы движутся равномерно и прямолинейно;
в) пренебрегают силами взаимодействия между молекулами.

Реальные газы при комнатной температуре и нормальном давлении ведут себя как идеальные газы. Идеальными газами можно считать такие газы как гелий, водород, свойства которых уже при обычных условиях отвечают закономерностям идеального газа.

Состояние некоторой массы идеального газа будет определяться значениями трех параметров: P, V, T. Эти величины, характеризующие состояние газа, называются параметрами состояния. Эти параметры закономерно связаны друг с другом, так что изменение одного из них влечет за собой изменение другого. Эта связь аналитически может быть задана в виде функции:

Соотношение, дающее связь между параметрами какого-либо тела, называется уравнением состояния. Следовательно, данное соотношение является уравнением состояния идеального газа.

1) Давление (P). В газе давление возникает в результате хаотического движения молекул, в результате которого молекулы сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Давление – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности, нормальную к ней. Если сила равномерно распределена по поверхности, то . В системе СИ давление измеряется в 1Па=1Н/м².

2) Температура (Т).

Температура тела – это термодинамическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Температура одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Т.е., если соприкасающиеся тела находятся в состоянии теплового равновесия, т.е. не обмениваются энергией путем теплопередачи, то этим телам приписывается одинаковая температура. Если при установлении теплового контакта между телами одно из них передает энергию другому посредством теплопередачи, то первому телу приписывается большая температура, чем второму. Любое из свойств тела (температурный признак), зависящее от температуры может быть использовано для количественного определения (измерения) температуры.

Билет № 16

Внутренняя энергия. Теплоёмкость. Удельная теплоёмкость. Первое начало термодинамики. Адиабатный процесс.

1. Любое тело (газ, жидкость или твердое) обладает энергией, даже если кинетическая и потенциальные энергии самого тела нулевые. То есть тело не имеет скорости и находится на Земле. Эта энергия называется внутренней, обусловлена она движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело.

Внутренняя энергия состоит из кинетической и потенциальной энергии частиц поступательного и колебательного движений, из энергии электронных оболочек атомов, из внутриядерной энергии и энергии электромагнитного излучения.

Внутренняя энергия зависит от температуры. Если изменяется температура, значит, изменяется внутренняя энергия.

2. Количество теплоты - это энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях. В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.

Нагревание и охлаждение. Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле

Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость - известная, уже вычисленная для всех веществ величина, значение смотреть в физических таблицах.

Теплоемкость вещества С - это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.

3. Закон сохранения энергии управляет всеми явлениями природы и связывает их воедино. Он всегда выполняется абсолютно точно, неизвестно ни одного случая, когда бы этот великий закон не вы­полнялся.

Этот закон был открыт в середине XIX в. немецким ученым, врачом по образованию Р. Майером (1814—1878), английским ученым Д. Джоулем (1818—1889) и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого ученого Г. Гельмгольца (1821 — 1894).

Закон сохранения и превра­щения энергии, распространенный на тепловые явления, носит название первого закона термодинамики.

В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, изменяться может лишь внутренняя энергия каждого тела.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

∆U=A+Q.

Часто вместо работы А внешних тел над системой рассматривают работу А' системы над внешними телами. Учитывая, что А'=-А, первый закон термодинамики можно записать так:

Q=∆U+A′

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внеш­ними телами.

4.Процесс в теплоизолированной системе называютадиабатным.

При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению изменение внутренней энергии происходит только за счет совершения работы:

∆U=A.

Конечно, нельзя окружить систему оболочкой, абсолютно не до­пускающей теплопередачу. Но в ряде случаев можно считать реальные процессы очень близкими к адиабатным. Для этого они должны про­текать достаточно быстро, так, чтобы за время процесса не произошло заметного теплообмена между системой и окружающими телами.

Билет № 17