Номер 6, страница 343 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 103. Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсатор. Глава 14. Электростатика - номер 6, страница 343.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Конденсаторы — это пассивные электронные компоненты, которые играют фундаментальную роль во множестве областей техники благодаря своей основной способности накапливать и отдавать электрический заряд. Их функции разнообразны и критически важны для работы современных устройств. Основные роли конденсаторов можно описать следующим образом:

1. Накопление энергии. Основная функция конденсатора — накопление электрической энергии в электрическом поле между его обкладками. Эта энергия может быть высвобождена очень быстро, что используется в устройствах, требующих мощных, но кратковременных импульсов. Например, в фотовспышках, импульсных лазерах, дефибрилляторах и электромагнитных ускорителях. Энергия, запасенная в конденсаторе, рассчитывается по формуле: $W = \frac{C \cdot U^2}{2}$, где $C$ — емкость, а $U$ — напряжение на обкладках.

2. Фильтрация и сглаживание пульсаций напряжения. В блоках питания конденсаторы используются для сглаживания пульсирующего постоянного тока после выпрямителя. Они заряжаются на пиках напряжения и разряжаются при спадах, поддерживая более стабильное напряжение на выходе. Это ключевая функция в любом AC/DC преобразователе. Также конденсаторы применяются в частотных фильтрах (фильтры высоких и низких частот) для разделения сигналов по частоте, пропуская одни частоты и блокируя другие.

3. Разделительные и блокировочные конденсаторы. В усилительных каскадах конденсаторы используются для передачи переменного сигнала (AC) с одного каскада на другой, блокируя при этом постоянную составляющую (DC). Это позволяет избежать влияния режимов работы каскадов друг на друга. В качестве блокировочных (или шунтирующих) конденсаторов, они устанавливаются в цепях питания микросхем для подавления высокочастотных шумов и помех, отводя их на землю.

4. Создание колебательных контуров. Вместе с катушками индуктивности конденсаторы образуют колебательные LC-контуры. Такие контуры имеют резонансную частоту ($f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$) и являются основой для создания генераторов, фильтров и селективных цепей в радиоприемниках и передатчиках, позволяя настраиваться на определенную частоту.

5. Формирование временных задержек (таймеры). В сочетании с резисторами конденсаторы образуют RC-цепи. Время заряда или разряда конденсатора через резистор является предсказуемым и определяется постоянной времени $\tau = R \cdot C$. Это свойство используется для создания различных таймеров, генераторов импульсов и других схем, работа которых зависит от времени.

6. Пуск электродвигателей. В некоторых однофазных асинхронных двигателях пусковой конденсатор используется для создания сдвига фаз в пусковой обмотке. Это создает вращающееся магнитное поле, необходимое для начального крутящего момента и запуска двигателя.

7. Сенсорные технологии. Емкость конденсатора зависит от его геометрических параметров и диэлектрика между обкладками ($C = \frac{\varepsilon \varepsilon_0 S}{d}$). Изменение расстояния между обкладками ($d$), площади их перекрытия ($S$) или диэлектрической проницаемости среды ($\varepsilon$) приводит к изменению емкости. Этот принцип используется в емкостных датчиках для измерения уровня жидкости, влажности, давления, а также в сенсорных экранах и кнопках.

8. Компенсация реактивной мощности. В промышленных электросетях конденсаторные батареи применяются для компенсации реактивной мощности, создаваемой индуктивными нагрузками (например, электродвигателями). Это повышает коэффициент мощности (cos φ), снижает потери энергии в сетях и уменьшает нагрузку на генерирующее оборудование.

Ответ: Конденсаторы в технике выполняют множество ключевых ролей, включая: накопление и быструю отдачу энергии (фотовспышки, дефибрилляторы), фильтрацию и сглаживание напряжения в блоках питания, разделение сигналов в усилителях, создание колебательных контуров для настройки радиочастот, формирование временных задержек в таймерах, запуск электродвигателей, работу в качестве датчиков (сенсорные экраны) и компенсацию реактивной мощности в электросетях.