Разработка урока по физике «Электроемкость. Конденсаторы»

Областное государственное автономное профессиональное образовательное учреждение «Белгородский строительный колледж»

Разработка урока по физике

«Электроемкость. Конденсаторы»

Преподаватель: Лукинова Л.П.

Белгород - 2016 год

Тема урока: Электроёмкость. Конденсаторы.

Цели и задачи: 

-Усвоить понятие о электроемкости проводника и о единице ее измерения, понятие о конденсаторах и о их применении
- Выяснить, от чего зависит электроемкость плоского конденсатора и как рассчитать энергию конденсатора.

Оборудование:  плоский конденсатор, электрометр, пластина из диэлектрика, набор конденсаторов, высоковольтный преобразователь

электрическая лампа.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания.

Повторение:
1. Что изучает электростатика?
2. Что такое заряд?
3. Какие элементарные заряженные частицы вы знаете?
4. Как можно телу сообщить заряд?
5. Как заряды взаимодействуют между собой?
6. Что называют электрическим полем?
7. Перечислите свойства эл. поля.
8. Какие вы знаете характеристики электрического поля и как они связаны между собой?
7. При каких условиях можно накопить на проводниках большой электрический заряд?

III. Изучение нового материала.

Вопрос: При каких условиях можно накопить на проводниках большой электрический заряд?

Ответ:

Эксперимент: две пластины плоского конденсатора, высоковольтный преобразователь (пробой диэлектрика).

В сильном электрическом поле (при большом напряжении) диэлектрик (например воздух) становится проводящим. Наступает так называемый пробой диэлектрика: между проводниками проскакивает искра и они разряжаются. Чем меньше увеличивается напряжение между проводниками с увеличением их зарядов, тем больше заряд на них можно накопить.

Е~q

U~E

U~q

Напряжение U между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках (на одном +|q|, а на другом -|q|). Действительно, если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение. Поэтому отношение заряда q одного из проводников (на другом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды.
   Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.

Просмотр видеосюжета.

Самостоятельная работа студентов по группам: предоставляется материал в печатном виде

1 группа:

Электроемкость. Введем физическую величину, характеризующую способность двух проводников накапливать электрический заряд. Эту величину называют электроемкостью.
   Напряжение U между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках (на одном +|q|, а на другом -|q|). Действительно, если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение. Поэтому отношение заряда q одного из проводников (на другом находится такой же по модулю заряд) к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды. Это позволяет ввести понятие электроемкости двух  [link] .
   Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между ними:

[pic]

   Чем меньше напряжение U между проводниками при сообщении им зарядов +|q| и -|q|, тем больше электроемкость проводников. На проводниках можно накопить большие заряды, не вызывая пробоя диэлектрика. Но сама электроемкость не зависит ни от сообщенных проводникам зарядов, ни от возникающего между ними напряжения.
   Единицы электроемкости. Формула (14.22) позволяет ввести единицу электроемкости.
   Электроемкость двух проводников численно равна единице, если при сообщении им зарядов +1 Кл и -1 Кл между ними возникает разность потенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф); 1 Ф = 1 Кл/В.
   Из-за того что заряд в 1 Кл очень велик, емкость 1 Ф оказывается очень большой. Поэтому на практике часто используют доли этой единицы: микрофарад (мкФ) - 10^-6 Ф и пикофарад (пФ) - 10^-12 Ф.
   Важная характеристика проводников - электроемкость. Электроемкость проводников тем больше, чем меньше разность потенциалов между ними при сообщении им зарядов противоположных знаков.
1. Что называют электроемкостью двух проводников?
2. В каких единицах измеряют электроемкость?3. Как определить электроемкость?

2 группа:

Большой электроемкостью обладает системы из двух проводников, называемые конденсаторами.

Конденсатор – это система двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники конденсатора называются обкладки.

Первый конденсатор был был изобретен голландским профессором из г. Лейдена Мусхенбруком в 1745 г. (Мушенбрук) - лейденская банка (по имени г. Лейдена) – сообщение студента о первом конденсаторе.

Различные типы конденсаторов:

По изменению емкости: постоянные (емкость не меняется), переменные (изменяя физические свойства, меняем емкость), подстроечные. Изменение емкости можно проводить, изменяя температуру, механическое или электрическое напряжение. Электроемкость подстроечных конденсаторов меняется изменением площади обкладок.

По форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и т. д.

По типу диэлектрика: газовые, жидкостные, с твердым диэлектриком. По виду диэлектрика: стеклянные, бумажные, слюдяные, металлобумажные, керамические, тонкослойные из пленок различного состава.

[pic]

В настоящее время широко применяются бумажные конденсаторы для напряжений в несколько сот вольт и ёмкостью в несколько микрофарад. В таких конденсаторах обкладками служат две длинные ленты тонкой металлической фольги, а изолирующей прокладкой между ними – несколько более широкая бумажная лента, пропитанная парафином. Бумажной лентой покрывается одна из обкладок, затем ленты туго свёртываются в рулон и укладываются в специальный корпус. Такой конденсатор, имея размеры спичечного коробка, обладает ёмкостью 10мкФ (металлический шар такой ёмкости имел бы радиус 90км)

В радиотехнике применяются слюдяные конденсаторы небольшой ёмкости (от десятков до десятков тысяч пикофарад). В них листки станиоля прокладываются слюдой так, что все нечётные листки станиоля, соединённые вместе , образуют одну обкладку конденсатора, тогда как чётные листки образуют другую обкладку. Эти конденсаторы могут работать при напряжениях от сотен до тысяч вольт.

1. Что такое конденсатор?
2. Какие существуют типы конденсаторов?

3. Устройство бумажных и слюдяных конденсаторов?

3 группа:

В последнее время слюдяные конденсаторы в радиотехнике начали заменять керамическими. Диэлектриком в них служит специальная керамика. Обкладки керамических конденсаторов изготавливаются в виде слоя серебра, нанесённого на поверхность керамики и защищённого слоем лака. Керамические конденсаторы изготавливаются на ёмкости от единиц до сотен пикофарад и на напряжении от сотен до тысяч вольт.

Широкое распространение получили так называемые электролитические конденсаторы, диэлектриком в которых служит очень тонкая пленка оксидов, покрывающих одну из обкладок (полосу фольги). Второй обкладкой служит бумага пропитанная раствором электролита. Эти конденсаторы имеют большую ёмкость (до нескольких тысяч микрофарад) при небольших размерах.

Основные области применения конденсаторов.

Конденсатор –накопитель электрической энергии ( не более сотен Дж). Их особенность: накапливают энергию более или менее длительное время, а отдают почти мгновенно. Именно это свойство используют на практике: лампа вспышка при фотографировании, возбуждение квантовых источников света –лазеров осуществляется с помощью газоразрядной трубки, вспышка которой происходит при разрядке батареи конденсаторов большой электроемкости.

Основное применение -электроника. 

1.В радиотехнической и телевизионной аппарату
ре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки.
2.В радиолакационной технике – для получения импульсов большей мощности.
4. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов.
5. В электроизмерительной технике – для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создания измерительных приборов на емкостном принципе и т. д.
6. Электроэнергетике: для защиты от перенапряжений, для улучшения коэффициента мощности, для пуска конденсаторных двигателей, для электрической сварки разрядом, люминесцентные лампы.

7. В медицинской технике – в рентгеновской аппаратуре, в устройствах электротерапии и т.д.

Применение в моей профессии – слесарь КИП и автоматике (сообщение студента)

Вопросы:

1.Устройство керамических и электролитических конденсаторов.

2. Основные применения конденсаторов.

На основе полученной информации (видео и печатный миатериал) идет обсуждение основных понятий (запись в тетрадь) по вопросам:

1. Что называют электроемкостью двух проводников?
2. В каких единицах измеряют электроемкость?3. Как определить электроемкость?

3. Что такое конденсатор?
4. Какие существуют типы конденсаторов?

5. Устройство бумажных и слюдяных конденсаторов?

6.Устройство керамических и электролитических конденсаторов.

7. Основные применения конденсаторов.

От чего зависит электроемкость плоского конденсатора?

Эксперимент: две пластины плоского конденсатора, электрометр, пластина из диэлектрика, эбонитовая палочка.

Вывод: Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

[pic] [pic]

Эксперимент: электрическая лампа, вольтметр, конденсатор, источник тока.

Вывод: конденсатор – накопитель электрической энергии, его особенность в том, что накапливают эту энергию более или менее длительное время, а отдают почти мгновенно.

[pic] [pic]

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.

[pic]

Закрепление материала.
Вопросы:
1. Что называют электроемкостью двух проводников?
2. В каких единицах измеряют электроемкость?
3. От чего зависит ёмкость конденсатора?
3. Что такое конденсатор?
4. Какие существуют типы конденсаторов?
5. Основные применения конденсаторов.
Тесты:

1. Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменится заряд на обкладках конденсатора, если пространство между ними заполнить диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε = 2?

[pic]

Не изменится.

[pic]

Увеличится в 2 раза.

[pic]

Уменьшится в 2 раза.

[pic]

Правильный ответ не приведен.

2. Как изменится напряжение на обкладках заряженного и изолированного плоского конденсатора, если расстояние между его обкладками увеличить в 2 раза?

[pic]

Увеличится в 2 раза.

[pic]

Уменьшится в 2 раза.

[pic]

Увеличится в 4 раза.

[pic]

Уменьшится в 4 раза.

3 Плоский конденсатор подключен к источнику постоянного тока. Как изменится заряд на обкладках конденсатора, если площадь пластин уменьшить в 2 раза?

Начало формы

[pic]

Уменьшится в 2 раза.

[pic]

Увеличится в 2 раза.

[pic]

Не изменится.

[pic]

Правильный ответ не приведен.

Конец формы

4. Энергия электрического поля, созданного внутри плоского конденсатора, отключенного от источника тока, равна W. Чему станет равной энергия поля, если из него вынуть диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε = 3?

Начало формы

[pic]

W / 3.

[pic]

3W.

[pic]

W.

[pic]

Правильный ответ не приведен.

Конец формы

Решение задач:

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

2. 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.

3.Используя надписи на конденсаторах, которые лежат перед вами, определите их энергию.

Домашнее задание:
- §101-1-3, упр. 18(1)
- рефераты «Применение конденсаторов в моей профессии»

Сообщение студента

Первый конденсатор

Зная, что стекло не проводит электричества, он (в 1745 г.) взял банку (колбу), наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, висевшую на кондукторе электрической машины, и, взяв банку в правую руку, попросил своего помощника вращать  шар машины. При этом он правильно предположил, что заряды, поступавшие с кондуктора, будут накапливаться в стеклянной банке.

После того, как по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильный удар, ему показалось, что «пришел конец». 

В письме Реомюру в Париж (в 1746 г.) он писал, что этот «новый и страшный опыт советую самим никак не повторять» и что «ради короны Франции» он не согласится подвергнуться «столь ужасному сотрясению».

Так была изобретена лейденская банка (по имени г. Лейдена), а вскоре и первый простейший конденсатор, одно из распространеннейших электротехнических устройств.

Опыт Мусхенбрука произвел подлинную сенсацию не только среди физиков, но и многих любителей, интересовавшихся электрическими опытами.

[pic]