Электроемкость. Конденсаторы.

Преподаватель- Гринченко Анастасия Александровна

Предмет- физика

Тема- Электроемкость. Конденсаторы.

Продолжительность занятия- 40 минут.

Класс – 10

Тип урока: изучение нового материала с элементами самостоятельной работы учащихся.

Цель

Формирование понятий электроемкость, единица электроемкости.Конденсатор.

Задачи

Образовательные:

• сформировать понятие электроёмкость

• ввести понятие конденсатора как системы двух проводников, разделённых слоем диэлектрика

• показать зарядку и разрядку конденсатора

• выяснить, от чего зависит ёмкость плоского конденсатора

• вычислить ёмкость плоского конденсатора

• Доказать зависимость емкости плоского конденсатора от площади пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды.

Развивающие :

• развить наблюдательность у учащихся

• развивать познавательный интерес к физике и технике

• продолжить развитие экспериментальных умений, умения делать выводы

• закрепить полученные знания через самостоятельное решение задач

Воспитательные:

• продолжить формировать научное мировоззрение

• формировать знания об использовании конденсаторов.

Оборудование: электрометр, металлические пластины на изолирующих подставках, эбонитовая и пластмассовая палочки, соединительные провода, конденсаторы переменной и постоянной ёмкости, мультимедийный проектор и компьютер для демонстрации презентации изучаемого материала, лист диэлектрика, 2 датчика

Датчик электрического заряда Датчик напряжения

(электрометр) диапазон измерений: ±10В;

диапазон измерений: ±5нКл;±20нКл; точность измерений: 10мв;

±100нКл;

Входная емкость: 10нФ последовательно с

сопротивлением 1МОм

диапазон напряжений: ±150В

постоянная времени: 0,1 с

Демонстрации:

• Зависимость электроёмкости от расстояния между пластинами.

• Зависимость ёмкости плоского конденсатора от площади пластины.

• Зависимость электроёмкости от диэлектрической проницаемости среды.

• Зависимость заряда конденсатора от напряжения

План урока.

План урока.

1. Организационный момент

2. Повторение изученного материала (Физический диктант).

3. Изучение нового материала.

1. Понятие о конденсаторе.

2. Электроёмкость конденсатора.

3. Единица электроёмкости

4. Виды конденсаторов.

1. Закрепление. Решение задач.Беседа.

2. Итог

1.Организационный момент

Учитель:Здравствуйте ребята, присаживайтесь!

Эпиграфом урока послужат слова Конфуция:

«Три пути ведут к знанию: путь размышления – это путь самый благородный, путь подражания - это путь самый легкий, и путь опыта – это путь самый горький».

В ходе урока мы воспользуемся тремя путями, которые ведут к знаниям, по мнению философа. Но какой путь для вас самый приемлемый решать вам.

На сегодняшнем уроке мы с вами узнаем что такое конденсатор, познакомимся стаким понятием как емкость,узнаем от чего она зависит.

2. Повторение изученного материала (Физический диктант).

3.изучение нового материала

Вода может храниться в ведре,а спомощью чего можно накапливать и сохранять электрическую энергию? Исходя из темы, вы, наверное, догадались, что это устройство называется конденсатором. Немного из истории . В 1745 году в Лейдене голландский физик Питер Ван Мушенбрук совместно с немецким коллегой создали первый накопитель энергии и назвали его лейденской банкой.

Слово ''конденсатор'' происходит от латинского слова condensare, что означает ''сгущение''. В учении об электрических явлениях этим словом обозначают устройства, позволяющие сгущать электрические заряды и связанное с этими зарядами электрическое поле.

Простейший конденсатор состоит из двух проводников, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами проводника.

Свойство конденсатора сгущать (накапливать) электрические заряды и связанное с ним электрическое поле можно наблюдать на опыте.

Опыт 1. Две металлические пластины, укреплённые на изолирующих подставках, располагаем параллельно друг другу и присоединяем к электрометру. Одну из пластин соединяем с землёй.

Одной из пластин сообщаем положительный заряд q. Другая при этом получит через влияние какой заряд?

Ученики:отрицательный заряд- q.

Учитель: Правильно.Электрометр покажет разность потенциалов между пластинами.

Сообщим первой пластине дополнительно заряд q тем же способом, прикоснувшись наэлектризованным шаром. Теперь на пластинах находятся какие заряды?

Ученики: 2 q и -2 q.

Учитель:что произошло с показанием электрометра

Ученики:Показания электрометра увеличились в двое.

Учитель:Не меняя зарядов, начнём сближать пластины. Напряжение между пластинами будет уменьшаться. При некотором расстоянии оно станет таким, каким оно было при зарядах q и –q. Прекратим сближение пластин и вновь первой пластине передадим дополнительный заряд q. Показания электрометра вновь увеличатся. При дальнейшем сближении пластин что замечаем?

Ученики:что при некотором, ещё меньшем расстоянии между ними электрометр вновь покажет прежнюю разность потенциалов.

Учитель:Следовательнокакой можно сделать вывод?

Ученики: сдвигая пластины конденсатора, можно при одном и том же напряжении накапливать на одной пластине положительные заряды q, 2q, 3q,…, а на другой- равные по модулю отрицательные заряды.

Учитель: т.о, конденсатор накапливает заряды: поверхностная плотность зарядов увеличивается по мере сближения пластин.Свойство конденсатора накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с ними электрическое поле характеризуется особой величиной, называемой электроёмкостью.

Чтобы выяснить смысл этой величины, обратимся к исследованиям.

Опыт 2. Касаясь одинаково заряженными палочками внешней стороны пластины конденсатора, передаём этой пластине последовательно по заряду q. При этом заметим, что по мере увеличения заряда что растет?

Ученики: растёт напряжение между пластинами.

Учитель: Причём при зарядах q, 2q, 3q,… напряжение принимает значение U, 2U, 3U,…, возрастая пропорционально заряду. (рис.2) Но отношение заряда к напряжению остаётся постоянным:

рис.2

Проведём такие же опыты с конденсатором, пластины которого имеют большую площадь; при этом расстояние между пластинами сделаем таким же. Увеличивая заряд одной из пластин на q, т.е. делая его равным 2q, 3q,…, заметим, что напряжение между пластинами принимает значения U₁, U₂, 3U₁…, где U₁ .

Для того чтобы второй конденсатор зарядить до такого же напряжения, как и первый, ему надо сообщить больший заряд. Следовательно, у второго конденсатора, что больше?

Ученики: он обладает большей электрической ёмкостью, т.е. второму конденсатору соответствует большее значение отношения заряда к напряжению.

Учитель: Следовательно, величина С что характеризует?

Ученик:характеризует электрическую ёмкость конденсатора.

Учитель:запишите в тетради Электрической ёмкостью конденсатора называется скалярная величина, характеризующая его свойство накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с этими зарядами электрическое поле.

Электроёмкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин к напряжению между ними:

За единицу электроёмкости в СИ принимается электроёмкость конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1В, когда на его обкладках имеются разноимённые заряды по 1Кл.

Единица электроемкости в системе СИ названа в честь великого ученого Майкла Фарадея и называется фарад:. На практике применяются:    

Из рассмотренных исследований делаем вывод,от чего зависит С ?

Ученики: С конденсатора зависит от площади S пластин и расстояния d между ними: .

Опыт 3. Кроме того, электрическая ёмкость конденсатора зависит от рода диэлектрика, находящегося между пластинами. Внесём в пространство между пластинами заряженного конденсатора лист какого-либо диэлектрика. Мы видим, что напряжение между пластинами уменьшилось.(рис. 3,4) Значит, электрическая ёмкость ,что?

Ученики: увеличилась

Учитель:т.е.

Повторим опыт. Прошу желающего выйти .Итак, еще раз внесем диэлектрик . Получился ли у нас опыт ?

Ученики: да(нет)

Выведем формулу для расчёта электроёмкости плоского конденсатора. По определению . Учитывая, что q = σS , U = Ed, получаем:

Полученная формула согласуется с результатами рассмотренных опытов?

Ученики:да.

Для получения нужной электроемкости конденсаторы можно соединять в батареи, используя последовательный и параллельный способ, как в случае с резисторами. Рассмотрим параллельный способ соединения конденсаторов. Если заряд на обкладке первого конденсатора обозначим q₁, а на обкладке второго- через q₂, то по закону сохранения заряда ,напомните его мне пожалуйста.

Ученики:электрический заряд в замкнутой системе всегда сохраняется.

Учитель: общий заряд будет равен сумме зарядов q₁ и q₂. Разность потенциалов(напряжение) U между обкладками остается неизменной. Общая емкость конденсаторов при параллельном соединении равна сумме емкостей конденсаторов С₁ и С₂.

С_общ.=С₁+С₂

При последовательном соединении конденсаторов, суммарный заряд не меняется. Общая разность потенциалов на обкладках конденсаторов равна сумме разности потенциалов на концах первого и разности потенциалов на обкладках второго конденсатора Uобщ.=U₁ +U₂. При последовательном соединении складываются обратные величины емкостей :

1/С_общ.= 1/С₁+ 1/С₂

Теперь выясним,как связаны между собой заряд конденсатора и напряжение на его обкладках.

Для этого проведем эксперемент.

В эксперементе будет использоваться специальные датчики: датчики электрического заряда и датчик напряжения. Датчики через блок сбора информации подключен к компьтеру. На экране графическим способом будут отображаться результаты измерений.По значениям оси абсцисс можно будет судить о величине напряжения на обкладках конденсатора, а по оси ординат – о заряде конденсатора. По углу наклона графика будем судить о электроемкости.

Соберем последовательную цепь состоящую из последовательно соедененного источника тока,сопротивления,сопротивление которого составляет 1 МОм, и керамического конденсатора,емкостью 1 нФ.

Подключим датчик электрического заряда красным пружынным контактом к плюсу источника питания,черный к минусу.

Датчик напряжения черным к минусу, красным к плюсу. Теперь мне нужен помощник.

Введем значение емкости выбранного конденсатора в активную ячейку столбца Номинальная емкость Таблицы результатов. Я буду плавно изменяем напряжение регулируемого источника питания в диапозоне от 0В до 10В,а вы нажмете кнопку «измерить». Когда я скажу стоп вы нажмете «остановить».

Итак. Спасибо, присаживайся . На графике отображается зависимость заряда конденсатора от напряжения.

Учитель: что вы можете сказать о характере зависимости?

Ученик:заряд конденсатора прямо пропорционален напряжению на его обкладках.

Учитель: повторим опыт с другими конденсаторами. Что вы можите сказать о результатам предыдущего и проведенного опыта

Ученик:характер зависимости в обоих опытах одинаков,а угол наклона отрезков на графике зависимости различен

Учитель:как можно результаты опытов можно представить аналитически.

Ученик:q ~ U. Переходя к знаку равенства : q=CU

Учитель: Правильно,молодец,присаживайся.теперь давайте выслушаем два сообщения учащихся о различных типах конденсаторов (о конденсаторах переменной ёмкости, технических бумажных и электролитических конденсаторах), их устройстве и применении
1.Сообщение.

В зависимости от назначения конденсаторы имеют различное устройство. Технический бумажный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изолированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Алюминиевая фольга и бумажные ленты туго свёрнуты в пакет небольшого размера. Бумажный конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает электроёмкостью до 10 мкФ (металлический шар такой же ёмкости имел бы радиус 90 км).

В радиотехнике широко применяют конденсаторы переменной электроёмкости. Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить одна в другую. При этом меняется площадь перекрывающейся части пластин и, следовательно, их электроёмкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.

2.Сообщение.

Значительного увеличения электроёмкости за счёт уменьшения расстояния между обкладками достигают в так называемых электролитических конденсаторах. Диэлектриком в них служит очень тонкая плёнка оксидов, покрывающих одну из обкладок. Второй обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электролита). При включении электролитических конденсаторов надо обязательно соблюдать полярность.

В слюдяных конденсаторах в качестве диэлектрика используют слюду, а обкладками служит металлическая фольга или тонкий слой металла, нанесённый непосредственно на слюду. Слюдяные конденсаторы устанавливают, главным образом, в электрических цепях высокой частоты.

В радиотехнике широкое распространение получили керамические конденсаторы, имеющие небольшие размеры, но обладающие хорошими электрическими свойствами. Конструктивно их выполняют в виде трубок или дисков из керамики, а обкладками служит слой металла, нанесённый на керамику.

Назначение конденсаторов:

• Накапливать на короткое время заряд или энергию для быстрого изменения потенциала.

• В радиотехнике: колебательный контур, выпрямитель

• Фотовспышка

• в элементах памяти ЭВМ и любимом вами компьютере. Ведь под крышками цифр и символов клавиатуры компьютера стоят конденсаторы.

• конденсатор нашел применение при измерении влажности воздуха и древесины,

• в системе защиты от короткого замыкания.

4. Закрепление изученного материала.

1.Решение задач с помощью учителя.

При изготовлении конденсатора ёмкостью 200 пФ на пропарафиненную бумагу толщиной 0,2 мм наклеивают с обеих сторон по кружку алюминиевой фольги. Каким должен быть диаметр кружков? Диэлектрическая проницаемость парафина 2,1.

Расстояние между пластинами квадратного плоского конденсатора со стороной 10см равно 1мм. Какова разность потенциалов между пластинами, если заряд конденсатора 1нКл.

1. Беседа по вопросам.

1. Что называют ёмкостью двух проводников? (электроёмкостью двух проводников называют физическую величину, характеризующую свойство проводников накапливать электрические заряды; она равна отношению заряда одного из проводников к напряжению между проводниками.)

2. Назовите единицы ёмкости. (Ф, мкФ, пФ.)

3. Какая система проводников называется конденсатором?(Конденсатор- эта система двух или более обкладок, разделённых диэлектриком. Заряженный конденсатор содержит на пластинах (обкладках) равные по величине, но противоположные по закону заряды.)

4. Как зависит электроёмкость плоского конденсатора от его геометрических размеров? (Ёмкость тем больше, чем больше площадь обкладок и чем меньше расстояние между ними.)

5.Итог урока.

Учитель: Таким образом, вы видите насколько прочно вошли в нашу жизнь эти накопители энергии- конденсаторы. Но следует помнить, что заряженный конденсатор опасен для жизни!

На этом наш урок заканчивается, запишите домашнее задание. Всем спасибо, до свидания!

Домашнее задание:§32.подготовиться к самостоятельной работе.