Номер 1, страница 94 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 28. Магнитоэлектрическая индукция. Глава 3. Электромагнетизм - номер 1, страница 94.

В О П Р О С Ы

1. Почему постоянный ток не может протекать через конденсатор?

Почему постоянный ток не может протекать через конденсатор?

Постоянный ток не может протекать через конденсатор из-за его фундаментального устройства. Чтобы понять причину, рассмотрим структуру конденсатора и процесс его подключения к источнику постоянного тока.

Конденсатор — это электронный компонент, состоящий из двух проводящих пластин (обкладок), которые разделены слоем диэлектрика. Диэлектрик — это материал, который не проводит электрический ток (изолятор). Примерами диэлектриков могут служить воздух, бумага, керамика, пластик. Именно наличие этого изолирующего слоя является ключевым фактором.

Когда конденсатор подключается к источнику постоянного напряжения (например, к батарейке), происходит следующий процесс.

Во-первых, в самый первый момент после замыкания цепи, электроны с отрицательного полюса источника начинают двигаться и накапливаться на одной из обкладок конденсатора, придавая ей отрицательный заряд. Одновременно с этим, с другой обкладки электроны отталкиваются и уходят к положительному полюсу источника, оставляя на этой обкладке избыточный положительный заряд. Это движение зарядов в цепи и есть кратковременный электрический ток, который называют зарядным током.

Во-вторых, по мере накопления заряда на обкладках, между ними возникает электрическое поле и, как следствие, разность потенциалов (напряжение) на конденсаторе. Это напряжение направлено встречно напряжению источника питания. Зарядный ток постепенно уменьшается, так как напряжение на конденсаторе растет и все больше препятствует движению электронов.

В-третьих, когда напряжение на конденсаторе становится равным по величине напряжению источника питания, движение зарядов полностью прекращается. В этот момент говорят, что конденсатор полностью заряжен. Электрическое поле конденсатора полностью компенсирует поле источника, и ток в цепи становится равным нулю.

Поскольку между обкладками находится диэлектрик (изолятор), электроны не могут физически "перепрыгнуть" с одной обкладки на другую и продолжить свое движение по цепи. Цепь оказывается физически разомкнутой для постоянного тока. Таким образом, после короткого периода зарядки конденсатор представляет собой разрыв в цепи постоянного тока.

Математически связь между током $I$ и напряжением $U$ на конденсаторе описывается формулой: $I(t) = C \frac{dU(t)}{dt}$ где $C$ — ёмкость конденсатора, а $\frac{dU(t)}{dt}$ — скорость изменения напряжения со временем.

Для постоянного тока напряжение источника не меняется со временем ($U = \text{const}$). После того как конденсатор зарядится до этого напряжения, напряжение на нем также перестанет меняться. Следовательно, скорость изменения напряжения $\frac{dU}{dt}$ становится равной нулю. Подставив это в формулу, получаем: $I = C \cdot 0 = 0$ Это математически подтверждает, что установившийся постоянный ток через идеальный конденсатор равен нулю.

Важно отметить, что через конденсатор может протекать переменный ток. При переменном напряжении оно постоянно меняет свою величину и полярность, что заставляет конденсатор непрерывно перезаряжаться. Этот постоянный процесс зарядки и разрядки создает в цепи непрерывный переменный ток, хотя заряды по-прежнему не проходят сквозь диэлектрик.

Ответ: Постоянный ток не может протекать через конденсатор, потому что его обкладки разделены слоем диэлектрика — материала, не проводящего ток. Это создает физический разрыв в цепи. При подключении к источнику постоянного напряжения происходит лишь кратковременный процесс зарядки, после которого напряжение на конденсаторе уравновешивает напряжение источника, и ток в цепи прекращается.