Почему расстояние между пластинами конденсатора влияет на его емкость?

Почему емкость конденсатора увеличивается, когда его пластины расположены ближе друг к другу?

Интуитивно понятный подход: если расстояние не будет фактором, вы сможете разместить пластины на бесконечном расстоянии друг от друга и при этом иметь одинаковую емкость. Это не имеет смысла. Тогда вы ожидаете нулевую емкость.
Если конденсатор заряжается до определенного напряжения, две пластины удерживают носители заряда противоположного заряда. Противоположные заряды притягивают друг друга, создавая электрическое поле,

и притяжение тем сильнее, чем ближе они. Если расстояние становится слишком большим, заряды больше не чувствуют присутствия друг друга; электрическое поле слишком слабое.

ФИГ.1-4: Конденсатор:

Очевидно, что с уменьшением расстояния между пластинами увеличивается их способность удерживать заряды.

рис.1 = Если расстояние между пластинами не ограничено, даже один заряд оттолкнет дальнейшие заряды для входа в пластину.

рис.2 = если дистанционные ставки уменьшаются, они могут удерживать больше зарядов за счет притяжения с противоположной заряженной пластины.

рис.4 = при минимальном расстоянии между пластинами максимальное притяжение между ними позволяет удерживать максимальное количество зарядов.

Поскольку Емкость C = q / V, C изменяется в зависимости от q, если V остается неизменным (подключенным к источнику постоянного напряжения). Таким образом, с уменьшением расстояние q увеличивается, и, следовательно, C увеличивается.

Помните, что для любой параллельной пластины конденсатор V не зависит от расстояния, потому что: V = W / q (работа, проделанная на единицу заряда при переносе его с одной пластины на другую)

и W = F xd

и F = qx E

Итак, V = F xd / q = qx E xd / q

V = E xd. Таким образом, если d (расстояние) увеличится, E (напряженность электрического поля) уменьшится и V останется прежним.

Емкость взимается за ЭДС. В частности, Фарады - это кулоны на вольт. При перемещении пластин ближе при одном и том же приложенном напряжении поле E между ними (Вольт на метр) увеличивается (Вольт - то же самое, метр становится меньше). Это более сильное поле Е может удерживать больше зарядов на пластинах. Помните, что заряды на пластинах в противном случае будут отталкивать друг друга. Чтобы удерживать их там, требуется поле Е, и чем сильнее поле Е, тем больше зарядов он может удерживать там. Более высокий заряд при том же напряжении означает более высокую емкость (больше кулонов при тех же вольтах).

Чтобы получить техническую, вы хотите посмотреть на закон Кулона . Это говорит о том, что

«Величина электростатической силы взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна скалярному умножению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними». - Википедия

Формула для этого:

$F = k_e \frac{q_1 q_2}{r^2}$

$F$$k_e$$r$$q_1$$q_2$

Существуют и другие формы уравнения, такие как эта, специально для электрического поля:

$E = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{q}{r^2}$

$r$$q$

Если вы хотите начать заниматься по- настоящему техническим, то вам нужно начать изучать квантовую механику и взаимодействия между частицами и энергиями, вовлеченными в нее.

Когда две частицы (скажем, электроны в этом случае) взаимодействуют, они посылают квантовые частицы между ними (фотоны). Этим, как крысам в подвале, требуется энергия для движения. Чем больше расстояние, тем выше энергия. Чем выше энергия, необходимая для перемещения фотонов, тем ниже заряд, оставшийся между двумя пластинами.

Это очень упрощенное представление об этом, и есть еще одна черта, которую можно обнаружить здесь - такие вещи, как квантовое туннелирование, лептоны, фермионы, бозоны и т. Д. Это захватывающее чтение, если у вас есть время. Я бы рекомендовал « Краткую историю времени» Стивена Хокинга в качестве хорошей отправной точки. Следите за этим с суперструнами Ф. Дэвида Пита и «Поиском теории всего», и вы не ошибетесь. В то время как обе эти книги стали немного длиннее, и теории все еще развиваются, они дают хорошее представление о работе вселенной на субатомном уровне.

Ключевым моментом, который нужно понять, является то, что если на пластине больше электронов, чем на выход, то накапливается отрицательный заряд, который будет отталкивать больше поступающих электронов (аналогично для пластины, у которой больше электронов, чем прибывает) , Не требуется очень много электронов, попадающих в изолированную пластину, чтобы заряд достигал миллионов вольт. Однако, если есть положительно заряженная пластина рядом с отрицательно заряженной, положительно заряженная пластина будет пытаться тянуть электроны к себе и, следовательно, к отрицательной пластине (аналогично отрицательно заряженная пластина будет пытаться оттолкнуть электроны от сам и, следовательно, от положительной пластины). Сила положительной пластины, пытающейся втянуть электроны, не может полностью уравновесить силу отрицательной пластины, пытающейся оттолкнуть их, но если пластины расположены близко друг к другу, это может значительно уравновесить ее. К сожалению, если пластины расположены слишком близко, пластины не смогут накапливать слишком много заряда, прежде чем электроны начнут прыгать с одной пластины на другую.

Оказывается, есть хитрость, чтобы облегчить эту проблему. Некоторые материалы позволяют электронам перемещаться внутри них, но они не позволяют электронам входить или выходить. Размещение такого материала (называемого диэлектриком) между двумя пластинами может значительно улучшить производительность конденсатора. По сути, происходит то, что разность зарядов между отрицательной и положительной пластинами перемещает электроны в диэлектрике к положительной. Сторона электричества к отрицательной пластине, таким образом, имеет относительную нехватку электронов, притягивая электроны к отрицательной пластине, в то время как сторона к положительной пластине имеет избыток электронов, отталкивая электроны от положительной пластины. Такое поведение может улучшить производительность конденсатора на много порядков.