为什么电容器极板之间的距离会影响其电容?


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当电容器的极板之间距离更近时,为什么电容器的电容会增加?

Answers:


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直观的方法:如果距离不是一个因素,那么您可以将极板隔开无限距离,并且仍然具有相同的电容。那没有道理。届时您将期待零电容。
如果电容器被充电至一定电压,则两个极板将保持相反电荷的电荷载流子。相反的电荷相互吸引,产生电场,

在此处输入图片说明

距离越近吸引力越强。如果距离太大,则电荷不再感觉到对方的存在。电场太弱。


真实,精美的图形,但让我们扮演魔鬼的拥护者:只是因为对于给定的电荷Q,当极板靠近时电场会更强,因此无法直观地表明电压变强(Q = CV较高的电容意味着较低的固定充电电压)。我也不赞成无穷大论点:在无穷远处积分的无穷小电场会产生不确定的电压。
詹森·S

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-1,因为无限距离的导体实际上具有有限的电容。考虑一个半径为R1的单个导体球,并给Q充电。在球外,磁场为Q /(4 * pi eps0 * r ^ 2),如果将其从半径R1积分到无穷大,则电压V = Q /(4 * pi eps0 * R1)。如果将另一个球体的电场与半径为R2的电压-Q无限远地叠加,则得到的球体之间的总电压为Q /(4 * pi eps0)*(1 / R1 + 1 / R2)-加性而不是减性(Q的相反符号消除了相反的路径积分),所以C = Q / V = 4 * pi eps0 /(1 / R1 + 1 / R2)
Jason S

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@Jason-平行板盖:。和A是有限的,d是无限的,所以C = εC=ϵAdϵ
0。QED

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错误。该方程仅适用于d <<板的尺寸。
詹森·S

对于半径为R且距离为d的平行圆盘,更接近的近似值为,但即使如此,它仍然仍然是近似值-参见santarosa.edu/~yataiiya/UNDER_GRAD_RESEARCH/…–C=ϵ[πR2/d+Rln(16πR/d1)]
Jason S

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图1-4:电容器:

电容器图

显然,随着极板之间的距离减小,其保持电荷的能力会增加。

图1 =如果两个极板之间没有无限距离,则即使一次充电也会排斥更多的电荷进入极板。

图2 =如果距离投注板减少,由于来自相反的被充电板的吸引力,它们可以容纳更多的费用。

图4 =极板之间的距离最短,它们之间的最大吸引力使双方都能保持最大电量。

由于电容C = q / V,如果V保持不变(连接到固定的电势源),则C随q变化。因此,随着距离的减小,q增大,因此C增大。

请记住,对于任何平行平板电容器,V不受距离的影响,因为:V = W / q(将单位电荷从板上转移到另一个时所做的功)

W = F xd

并且F = qx E

因此,V = F xd / q = qx E xd / q

V = E xd因此,如果d(距离)下注盘增加,E(电场强度)将减少,而V将保持不变。


当然$ V $受距离影响。例如,您在最后一句中有$ V = E \ times d $。而且$ V $是$ E $在某个距离上的积分,因此随着$ d $的增加,我们将合计更多的$ E $,因此$ V $应该增加。
csss '16

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电容是按EMF收费。具体来说,法拉是每伏的库仑。当您在相同的施加电压下将板块移近时,它们之间的E场(每米伏特)增加(伏特相同,米变小)。这个更强的电场可以在板上保留更多电荷。请记住,板上的电荷会相互排斥。需要一个E场才能将它们保持在那里,并且E场越强,它可以保持在那里的电荷越多。在相同电压下较高的电荷意味着较高的电容(在相同的电压下有更多的库仑)。


几乎可以解决这个问题……关于强电场,这意味着需要更多的电荷,但我想给您+1:线性参数(Q应该与E成正比)可能就足够了。
詹森·S

@Jason,我试图使其简单,因为它实际上是一个非常简单的概念。很难判断OP想要什么级别的细节,所以我不知道从哪里停止解释并开始挥手。任一种方法都太糟糕了。如果您不相信,请看看Matt的答案变成了一片混乱。在没有OP指导的情况下,我选择了我认为是合理的权衡条件,他可以进一步询问是否愿意。
奥林·拉斯罗普

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要获得技术性知识,您需要查看库仑定律。这说明

“两点电荷之间相互作用的静电力的大小与电荷大小的标量乘积成正比,而与它们之间距离的平方成反比。” -维基百科

公式为:

F=keq1q2r2

Fkerq1q2

等式还有其他形式-例如专门针对电场的一种形式:

E=14πϵ0qr2

rq

如果要开始真正地技术化,则需要开始阅读量子力学以及粒子与其中所涉及的能量之间的相互作用。

当两个粒子(在这种情况下为电子)相互作用时,它们在它们之间(光子)发送量子粒子。这些就像地下室的老鼠一样,需要能量才能移动。距离越大,能量越高。移动光子所需的能量越高,则两块板之间剩下的电荷越少。

这是一个非常简单的视图,并且其中有很多细节可供发现-诸如量子隧穿,轻子,费米子,玻色子等。如果有时间,这是令人着迷的阅读。我建议史蒂芬·霍金的《时间简史》是一个很好的起点。紧随其后的是F. David Peat的《超级弦乐》(Superstrings)和《万物理论》(Search of Everything)的搜索,这不会错。尽管这两本书现在已经开始流行,而且理论还在不断发展,但是它们提供了对亚原子级宇宙运作的深刻见解。


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您拼出了显示距离关系的公式,但是我给人的印象是OP已经知道这一点。他不问,如果距离会影响电容,但为什么它。if (nitpicking) then say_sorry;
stevenvh 2011年

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@stevenvh这就是为什么公式可以说明的问题-我们在这里进入量子力学。什么和为什么,甚至何时何地之间有区别吗?哦,应该是if(nitpicking) { say_sorry(); };)
Majenko 2011年

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是的,我在大学里是个很难的人。我经常问为什么,而教授总是会指向公式,这让我感到沮丧,因为我没有找到令人满意的方法。总是有一个直观的解释:-)。而且我的代码是伪代码,因此可以正确编译!;-)
stevenvh 2011年

抱歉,它在我的内核上存在段错误-它一定是固件不兼容。有关“为什么”的更多信息,您想阅读“时间简史”(史蒂芬·霍金),然后阅读“超级弦乐和对万物理论的探索”(F戴维·佩特),您将拥有更多的知识,但还是
不明智

@stevenvh-您的代码可以使用Delphi和FreePascal进行编译:o}
MikeJ-UK 2011年

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关键要理解的是,如果一个板有更多的电子进出而不是出去,它将形成一个负电荷,这将排斥更多的电子进入(同样,对于一个有更多电子离开而又没有到达的板) 。不需要太多的电子进入隔离板,电荷就可以累积到数百万伏特。但是,如果在带负电的板附近有一个带正电的板,则带正电的板将尝试将电子拉向自身,并因此将其拉向负板(同样,带负电的板将尝试将电子推离远离本身,因此远离正极板)。试图吸收电子的正极板产生的力无法完全抵消试图将其推开的负极板产生的力,但是如果负极板靠近在一起,则可以显着抵消电子。不幸的是,如果极板太靠近,那么在电子开始从一个极板跳到另一个极板之前,极板将无法积累太多的电荷。

事实证明,有解决这个问题的技巧。有些材料允许电子在其中移动,但是它们不允许电子进入或离开。在两个极板之间放置这种材料(称为电介质)可以极大地改善电容器的性能。本质上发生的是,负极板和正极板之间的电荷差将电介质中的电子移向正极。因此,朝向负极板的电侧相对缺乏电子,从而将电子拉向负极板,而朝向正极板的侧则有多余的电子,从而将电子推离正极板。这种行为可以将电容器的性能提高许多数量级。


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-1:您是在谈论介电强度,但没有对电容器的电容进行定量或定性的说明。
詹森·S

@Jason S:电容是电荷不平衡量与保持该电荷不平衡水平所需的电磁力之比。也许我应该以每伏的库仑数来定义电容,但是我相信第一段很好地回答了所提出的问题。第二个问题是要弄清楚,不仅仅是电容器板上的电子在电容器的行为中起作用。电介质中的那些通常也非常重要。
supercat

@supercat:不是电磁力。磁性与电容器无关。它严格关于EMF(电动势)。这是通常以伏特为单位的物理性质。
奥林·拉斯洛普

@Orin Lathrop:抱歉,我的评论中的术语是错误的,尽管我在回答中没有使用“电磁力”一词。我认为我要回答的重点是尽管电荷不平衡,电子仍可以流入负极板,因为它们被吸引到正极板。没有正极板的吸引,一个人可以将一些电子推入负极板,但不是很多。
超级猫

@supercat:在您的回答或评论中,我仍然看不到任何内容来解释为什么当平板靠近时电容会增加。当平板靠近时,为什么电容不会减小?为什么不保持不变?定量/定性的行为电容作为板的距离的函数从不同的(但相关)的定量/定性行为电荷电场
詹森·S
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