Емкость конденсатора ЕГЭ по физике: формулы, задачи и разбор за 3 месяца
7

** изображение создано или обработано с помощью ИИ.
Тема включает несколько основных формул, зависимости между физическими величинами и важное различие между подключённым и отключённым источником. Для решения задач необходимо определить, от чего зависит ёмкость и какая величина сохраняется в конкретном режиме.
Базовая формула и конструкция конденсатора

** изображение создано или обработано с помощью ИИ.
Устройство конденсатора позволяет ему аккумулировать заряд и энергию электрического поля. В базовом варианте присутствуют две проводящие пластины, разделённые воздухом, вакуумом или другим диэлектриком. Такие пластины носят название обкладок.
В стандартной задаче обкладки несут заряды +q и −q. Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной обкладки. Модули зарядов обеих обкладок не складываются.
Электроёмкость показывает, какой заряд соответствует заданному напряжению: C = q / U, где:
- C — ёмкость, единица измерения: фарад, Ф;
- q — модуль заряда одной обкладки, кулон, Кл;
- U — напряжение между обкладками, вольт, В.
Из определения следуют ещё две полезные записи: q = CU; U = q / C.
Формула C = q / U не означает зависимость ёмкости от заряда. Для идеального конденсатора ёмкость определяется геометрией и свойствами диэлектрика. При увеличении напряжения заряд возрастает пропорционально, поэтому их отношение остаётся постоянным.
Фарад для школьных задач часто оказывается крупной единицей, поэтому необходимо учитывать приставки:
- 1 мкФ = 10⁻⁶ Ф;
- 1 нФ = 10⁻⁹ Ф;
- 1 пФ = 10⁻¹² Ф.
Что влияет на величину ёмкости плоского конденсатора
** изображение создано или обработано с помощью ИИ.
Для плоского конденсатора используется формула: C = ε₀εS / d. Здесь S — площадь перекрытия обкладок, d — расстояние между ними. Буква ε обозначает относительную диэлектрическую проницаемость вещества. Электрическая постоянная ε₀ ≈ 8,85 · 10⁻¹² Ф/м.
Формула описывает идеализированную модель без заметных краевых эффектов. Расстояние между пластинами должно быть мало относительно их размеров, а диэлектрик должен полностью заполнять зазор.
Основные зависимости:
- при увеличении площади вдвое ёмкость увеличивается вдвое;
- при увеличении расстояния втрое ёмкость уменьшается втрое;
- при замене вакуума диэлектриком с ε = 4 ёмкость увеличивается вчетверо.
Для воздуха в школьных задачах обычно принимают ε ≈ 1, если в условии не задано другое значение.
Как сравнивать состояния без лишних вычислений
Если изменяются несколько параметров, удобно использовать отношение:
C₂ / C₁ = (ε₂ / ε₁) · (S₂ / S₁) · (d₁ / d₂).
Например, площадь увеличили втрое, а расстояние уменьшили вдвое. Диэлектрик остался прежним. Тогда ёмкость возрастёт в шесть раз: 3 · 2 = 6.
Подставлять электрическую постоянную в таком сравнении не требуется, поскольку она сокращается.
Особое внимание необходимо уделять площади. Один квадратный сантиметр равен 10⁻⁴ м², а не 10⁻² м².
- 1 см = 10⁻² м.
- 1 см² = 10⁻⁴ м².
Главная развилка: источник подключён или отключён

** изображение создано или обработано с помощью ИИ.
Одинаковое изменение конструкции может приводить к разным результатам в зависимости от подключения к источнику. Например, при раздвижении обкладок ёмкость уменьшается в любом случае, однако заряд и напряжение изменяются по-разному.
Конденсатор остаётся подключённым к источнику
Идеальный источник поддерживает постоянное напряжение:
U = const
Заряд может уходить с обкладок или поступать на них. Его новое значение определяется выражением:
q = CU
Если расстояние увеличили вдвое, ёмкость уменьшилась вдвое. Напряжение осталось прежним, поэтому заряд также уменьшился вдвое.
Заряженный конденсатор отключили от источника
Для изолированного конденсатора без утечки сохраняется заряд:
q = const
Напряжение теперь может изменяться:
U = q / C
При удвоении расстояния ёмкость уменьшается вдвое. При постоянном заряде напряжение, наоборот, увеличивается вдвое.
Таким образом:
При увеличении d вдвое | Источник подключён | Конденсатор изолирован |
|---|---|---|
Ёмкость C | Уменьшится вдвое | Уменьшится вдвое |
Напряжение U | Не изменится | Увеличится вдвое |
Заряд q | Уменьшится вдвое | Не изменится |
Энергия W | Уменьшится вдвое | Увеличится вдвое |
Для энергии используются три равнозначные формулы: W = CU² / 2 = q² / (2C) = qU / 2.
При постоянном напряжении удобно использовать W = CU² / 2, при постоянном заряде — W = q² / (2C). У изолированного конденсатора энергия увеличивается при раздвижении обкладок.
Внешняя сила совершает работу против электрического притяжения пластин, и эта работа увеличивает энергию электрического поля.
Типовые расчёты и соединение конденсаторов

** изображение создано или обработано с помощью ИИ.
Задача на определение ёмкости
Заряд одной обкладки равен 12 мкКл, напряжение составляет 6 В. Нужно найти ёмкость:
C = q / U = 12 · 10⁻⁶ / 6 = 2 · 10⁻⁶ Ф = 2 мкФ.
После расчёта полезно выполнить обратную проверку: произведение 2 мкФ · 6 В должно дать 12 мкКл.
Задача с диэлектриком
Изолированный конденсатор имеет ёмкость 2 мкФ и напряжение 100 В. Зазор полностью заполняют диэлектриком с ε = 4. Геометрия остаётся прежней.
- Новая ёмкость: C₂ = 4C₁ = 8 мкФ.
- Заряд сохраняется: q = C₁U₁ = 200 мкКл.
- Новое напряжение: U₂ = q / C₂ = 25 В.
- Энергия уменьшается вчетверо, поскольку W = q² / (2C).
Если бы источник оставался подключённым, напряжение сохранилось бы. В этом случае заряд и энергия увеличились бы вчетверо.
Два типа подключения
Если элементы соединены параллельно, напряжение на каждом одинаково, а заряды суммируются:
Cобщ = C₁ + C₂ + …
Для последовательного соединения справедливо:
1 / Cобщ = 1 / C₁ + 1 / C₂ + …
При двух элементах:
Cобщ = C₁C₂ / (C₁ + C₂).
В стандартной последовательной цепи заряды равны. Напряжения складываются, а меньшая ёмкость получает большее напряжение.
При значениях 3 мкФ и 6 мкФ параллельное соединение даёт 9 мкФ. Последовательное — 2 мкФ, что меньше любой из отдельных величин.
Как закрепить тему за три месяца

** изображение создано или обработано с помощью ИИ.
Тема включает определения, единицы измерения, расчёт ёмкости, изменение параметров, энергию и соединение элементов. Эти блоки целесообразно изучать последовательно и затем объединять в смешанных заданиях.
- Первый месяц: определения, единицы измерения и простые расчёты.
- Второй месяц: изменение параметров и соединения конденсаторов.
- Третий месяц: смешанные задания с ограничением времени.
Для общей подготовки используется курс по физике. Прогресс целесообразно оценивать по самостоятельному решению заданий, а ошибки фиксировать с указанием причины.
Например, отдельной записью может быть отмечена ошибка: «заряд принят постоянным, хотя источник подключён». Повторный анализ таких ошибок помогает выявлять слабые места в понимании темы.
Короткие ответы на частые вопросы
Может ли конденсатор иметь ёмкость без заряда? Да. Незаряженный конденсатор сохраняет свою ёмкость. Она характеризует устройство, а не текущее количество заряда.
Можно ли всегда применять C = ε₀εS / d? Нет. Это формула для плоской модели с указанными условиями. При частичном заполнении диэлектриком требуется отдельный анализ геометрии системы.
Какую формулу энергии необходимо знать? Необходимо знать все три равнозначные записи и понимать связь между ними. Подстановка q = CU позволяет перейти от одной формы к другой.
Системная подготовка к ЕГЭ по физике помогает последовательно разобрать сложные темы, отработать типовые задачи и закрепить алгоритмы решения. Записаться на курс можно на сайте el-ed.ru.
Хочешь начать готовиться, но остались вопросы?
Заполни форму, и мы подробно объясним, как устроена подготовка к ЕГЭ и ОГЭ в ЕГЭLAND
