Якщо двом ізольованим один від одного провідників повідомити заряди q1 і q2. то між ними виникає деяка різниця потенціалів Δφ, що залежить від величин зарядів і геометрії провідників.
Різниця потенціалів Δφ між двома точками в електричному полі часто називають напругою і позначають буквою U.
Найбільший практичний інтерес представляє випадок, коли заряди провідників однакові по модулю і протилежні за знаком: q1 = - q2 = q. В цьому випадку можна ввести поняття електричної ємності.
Електроємна (електричної ємністю) проводніковназивается фізична величина, що характеризує здатність провідника або системи провідників накопичувати електричний заряд.
Електроємність знаходиться як відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів Δφ між ними:
В системі СІ одиниця електроємна називається фарад [Ф]:
Величина електроємна залежить від форми і розмірів провідників та від властивостей діелектрика. розділяє провідники.
Існують такі конфігурації провідників, при яких електричне поле виявляється зосередженим (локалізованим) лише в деякій області простору. Такі системи називаються конденсаторами. а провідники, що становлять конденсатор, називаються обкладками.
Найпростіший конденсатор - плоский конденсатор - система з двох плоских проводять пластин, розташованих паралельно один одному на малому в порівнянні з розмірами пластин відстані і розділених шаром діелектрика.
Електричне поле плоского конденсатора в основному локалізовано між пластинами; однак, поблизу країв пластин і в навколишньому просторі також виникає порівняно слабке електричне поле, яке називають полем розсіювання.
В цілому ряді завдань можна наближено нехтувати полем розсіювання і думати, що електричне поле плоского конденсатора цілком зосереджено між його обкладинками.
Ідеалізоване уявлення поля плоского конденсатора.
Таке поле не має властивість потенційності.
Електроємність плоского конденсаторапрямо пропорційна площі пластин (обкладок) і обернено пропорційна відстані між ними.
Якщо простір між обкладинками заповнене діелектриком. електроємність конденсатора збільшується в ε раз:
Прикладами конденсаторів з іншою конфігурацією обкладок можуть служити сферичний і циліндричний конденсатори.
Сферичний конденсатор - це система з двох концентричних проводять сфер радіусів R1 і R2.
Циліндричний конденсатор - система з двох співвісних проводять циліндрів радіусів R1 і R2 і довжини L.
Ємності цих конденсаторів, заповнених діелектриком з діелектричною проникністю ε, виражаються формулами:
Для отримання заданого значення ємності конденсатори з'єднуються між собою, утворюючи батареї конденсаторів.
1) При паралельному соедіненііконденсаторовсоедіняются їх однойменно заряджені обкладки.
Таку систему можна розглядати як єдиний конденсатор електроємна C. заряджений зарядом q = q1 + q2 при напрузі між обкладинками рівному U. Звідси випливає або С = С1 + С2
Таким чином, при паралельному з'єднанні електроємна складаються.
2) При послідовному з'єднанні конденсаторовсоедіняют разноименно заряджені обкладки
Заряди обох конденсаторів однакові q1 = q2 = q, напруги на них рівні і
Таку систему можна розглядати як єдиний конденсатор, заряджений зарядом q при напрузі між обкладинками U = U1 + U2.
При послідовному з'єднанні конденсаторів складаються зворотні величини ємностей.
Формули для паралельного і послідовного з'єднання залишаються справедливими при будь-якому числі конденсаторів, з'єднаних в батарею.
Тобто в разі n конденсаторів однакової ємності С ємність батареї
при паралельному з'єднанні Собщ = nС
при послідовному з'єднанні Собщ = С / n
Якщо обкладки зарядженого конденсатора замкнути металевим провідником, то по ланцюгу піде електричний струм, лампочка загориться і буде горіти до тих пір, поки конденсатор не розрядиться. Значить, заряджений конденсатор містить запас енергії.
Енергія зарядженого конденсатора дорівнює роботі зовнішніх сил, яку необхідно затратити, щоб зарядити конденсатор.
Процес зарядки конденсатора можна уявити як послідовний перенесення досить малих порцій заряду Δq> 0 з однієї обкладинки на іншу:
При цьому одна обкладка поступово заряджається позитивним зарядом, а інша - негативним. Оскільки кожна порція переноситься в умовах, коли на обкладинках вже є деякий заряд q. а між ними існує деяка різниця потенціалів
при перенесенні кожної порції Δq зовнішні сили повинні зробити роботу
Енергія We конденсатора ємності C. зарядженого зарядом q. може бути знайдена шляхом інтегрування цього виразу в межах від 0 до q:
Формулу, яка має енергію зарядженого конденсатора, можна переписати в інший еквівалентній формі, якщо скористатися співвідношенням q = CU.
Електричну енергію We слід розглядати як потенційну енергію, накопичену в зарядженому конденсаторі.
За сучасними уявленнями, електрична енергія конденсатора локалізована в просторі між обкладками конденсатора, тобто в електричному полі. Тому її називають енергією електричного поля.