25.7: Конденсатор с диэлектриком

Параллельные пластинчатые конденсаторы состоят из двух проводящих пластин, разделённых определённым расстоянием. Однако механически трудно удержать большие пластины параллельно друг другу без фактического контакта. Поэтому обычно между пластинами помещается диэлектрический слой, который обеспечивает лёгкое решение для удержания пластин вместе с небольшой щелью и увеличивает ёмкость конденсатора.

Диэлектрики - это непроводящие материалы без свободных или слабо связанных электронов. Когда диэлектрик помещается в электрическое поле, диполи выстраиваются вдоль направления поля. То же самое явление происходит, когда диэлектрический слой заполняет промежуток между пластинами конденсатора. Выстраивание диполей снижает напряжение на пластинах, увеличивая ёмкость. Однако количество заряда сохраняется.

Ёмкость всегда увеличивается, когда между пластинами помещается диэлектрический слой, и коэффициент, на который она увеличивается, называется диэлектрической постоянной. Если C₀ - начальная ёмкость, а C - ёмкость после введения диэлектрика, они связаны с помощью диэлектрической постоянной следующим образом:

Электрическая энергия, хранящаяся конденсатором, также зависит от наличия диэлектрика. Если энергия, хранящаяся в пустом конденсаторе, равна U₀, то энергия U, хранящаяся в конденсаторе с диэлектриком, уменьшается в κ раз в соответствии с уравнением (2):

Конденсаторы с параллельными пластинами состоят из двух проводящих пластин, разделенных небольшим расстоянием. Тем не менее, механически трудно удерживать пластины ближе друг к другу без какого-либо контакта. Эту проблему можно решить, поместив непроводящую среду между пластинами конденсатора.

Чаще всего конденсаторы изготавливаются из длинных полос металлической фольги, разделенных диэлектрической средой. Диэлектрики — это непроводящие материалы, в которых нет слабо связанных или свободных электронов.

Рассмотрим полностью заряженный конденсатор с параллельными пластинами и диэлектрической пластиной, заполняющей зазор между пластинами. Диполи в диэлектрике выравниваются по направлению электрического поля.

Выравнивание отрицательных зарядов по направлению к положительной пластине и положительных зарядов по направлению к отрицательной пластине снижает напряжение на пластинах, хотя общий заряд остается прежним. Снижение напряжения увеличивает емкость.

Коэффициентом, на который увеличивается емкость, является диэлектрическая проницаемость материала. Наличие диэлектрика всегда увеличивает емкость. Следовательно, диэлектрическая проницаемость всегда больше единицы.