Конденсатор

24 марта 1896 года Александр Степанович Попов с помощью изобретённого им радиопередатчика передал на расстояние в 250 метров азбукой Морзе первую в мире радиограмму из двух слов: «Генрих Герц». В то время это было воспринято как чудо. Сейчас же мы настолько привыкли к тому, что можем не только слышать, но и видеть то, что происходит за многие километры от нас, что это не вызывает ни малейшего удивления. Но чтобы понять физические процессы, лежащие в основе приёма и передачи звука и изображения, нам сначала следует познакомиться с одним важным устройством — конденсатором.

Конденсатор — это устройство, служащее для накопления заряда и энергии электрического поля.

История конденсаторов началась в тысяча семьсот сорок пятом году в городе Ле́йдене, где местный учёный Пи́тер ван Му́шенбру́к и его ученик Кюне́ус заряжали электричеством воду в банке. Зарядка осуществлялась при помощи цепочки, присоединённой к электрофорной машине. Цепочка спускалась через горлышко колбы в воду. Когда, по мнению Кюне́уса, зарядка воды была завершена, он решил вынуть цепочку рукой из сосуда и тут получил «такой страшный электрический удар, что чуть не скончался».

Так была изобретена лейденская банка (по названию города Лейден в Голландии), — первый простейший конденсатор, и одно из самых распространённых электротехнических устройств нашего времени.

Позже данный опыт был повторен в присутствии французского короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев, взявшихся за руки, причём первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было забавно наблюдать разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик десятков людей». Кстати, говорят, что именно от этой цепи солдат и произошёл термин «электрическая цепь».

Но мы слегка отвлеклись. Итак, простейший конденсатор представляет собой две металлические пластины, называемые обкладками, разделённые между собой слоем диэлектрика. При этом толщина слоя диэлектрика намного меньше, чем размеры обкладок.

Если обкладки конденсатора подсоединить к полюсам источника тока, например, батарейки, то на обкладках появятся равные по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды.

Модуль заряда любой из обкладок конденсатора называется зарядом конденсатора. Как показали различные опыты, заряды распределены на внутренних поверхностях пластин конденсатора. А созданное ими электрическое поле в основном сосредоточено внутри конденсатора.

Если отключить конденсатор от источника тока, то заряд с его обкладок никуда не исчезнет, в чём легко убедиться, если присоединить к обкладкам лампочку, которая на мгновение вспыхивает.

Для характеристики свойства проводника накапливать электрический заряд ввели физическую величину — электрическую ёмкость или просто — ёмкость. Для объяснения её физического смысла проведём такой опыт: возьмём конденсатор, одну из пластин которого соединим со стержнем электрометра, а другую — с его корпусом.

Возьмём три одинаково заряженных шара и будем последовательно сообщать конденсатору одинаковые положительные электрические заряды, увеличивая его суммарный заряд в целое число раз.

Из результатов опыта не трудно увидеть, что чем больше сообщённый конденсатору электрический заряд, тем больше напряжение между его обкладками. При этом, обратите внимание, напряжение увеличивается во столько же раз, во сколько раз увеличивается заряд. Но отношение электрического заряда к напряжению остаётся постоянным.

Таким образом, электроёмкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к напряжению на его пластинах.

Обозначается ёмкость конденсатора большой латинской буквой С. А единицей ёмкости в СИ является фарад (Ф), названная так, как вы догадались, в честь Майкла Фарадея. 1 Ф — это такая ёмкость конденсатора, при которой заряд, равный 1 Кл, создаёт между обкладками конденсатора напряжение 1 В.

1 Ф — это очень большая электроёмкость. Например, в вакууме электроёмкостью один фарад обладал бы шар радиусом 9 000 000 километров (для сравнения: радиус Солнца примерно равен 696 000 километрам, а нашей планеты — всего 6400 километров). Поэтому на практике применяют дольные единицы фарада:

Например, электроёмкость такого огромного конденсатора, как земной шар, составляет 710 мкФ.

Но вернёмся к нашему опыту и попытаемся выяснить, от чего зависит ёмкость конденсатора. Для этого зарядим конденсатор и отметим показания электрометра.

Теперь сблизим пластины — не трудно увидеть, что напряжение между пластинами уменьшилось. Поскольку заряд на пластинах оставался неизменным, то уменьшение напряжения связано с увеличением ёмкости конденсатора. Таким образом, чем меньше расстояние между обкладками конденсатора, тем больше его ёмкость.

Теперь будем изменять площадь пластин конденсатора.

Как видим, при уменьшении площади пластин напряжение между ними увеличивается, значит, ёмкость конденсатора уменьшается.

И наконец, внесём между пластинами конденсатора диэлектрик, например, лист стекла.

Как видим, напряжение уменьшилось, следовательно, ёмкость конденсатора увеличилась. Значит, ёмкость зависит и от свойств используемого диэлектрика.

Физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды, называется диэлектрической проницаемостью. Она показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме.

Таким образом, ёмкость плоского конденсатора зависит от площади пластин, расстояния между ними и свойств внесённого в конденсатор диэлектрика. Она прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

В СИ коэффициентом пропорциональности между электроёмкостью конденсатора и определяющими её величинами является электрическая постоянная.

Полученный нами экспериментальным путём вывод о зависимости ёмкости плоского конденсатора от его параметров очень важен в практическом отношении. Он указывает способы изменения ёмкости. Например, в одних конденсаторах ёмкость можно изменить, повернув рукоятку и уменьшив или увеличив при этом площадь пластин.

А в других используется зависимость электроёмкости от расстояния между обкладками. Такие конденсаторы используют, например, в схемах кодирования клавиатуры персонального компьютера. Под каждой клавишей находится конденсатор, электроёмкость которого изменяется при нажатии на клавишу. Микросхема, подключённая к каждой клавише, при изменении электроёмкости выдаёт кодированный сигнал, соответствующий данной букве.

Идём дальше. Вы знаете, что любые заряженные тела создают в пространстве вокруг себя электростатическое поле, силовой характеристикой которого является напряжённость.

Напомним, что напряжённость — это физическая векторная величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы, действующей на неподвижный пробный заряд, помещённый в эту точку поля, к величине заряда.

Рассмотрим электростатическое поле заряженного плоского конденсатора.

Как видно, оно в основном сосредоточено между его обкладками. Обратите внимание, что линии напряжённости электрического поля плоского конденсатора параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Значит поле такого конденсатора однородно. Но вблизи краёв пластин однородность поля нарушается, однако этим часто пренебрегают, когда расстояние между пластинами значительно меньше их размеров.

При зарядке конденсатора внешними силами совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов. По закону сохранения, работа внешних сил равна энергии поля конденсатора. Значит, при разрядке конденсатора за счёт этой энергии может быть совершена работа.

Убедиться в том, что заряженный конденсатор действительно обладает энергией, можно на простом опыте. Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, конденсатора и электрической лампы. Зарядим конденсатор, подсоединив его к источнику тока. Затем, отключив конденсатор от источника тока, подсоединим его к лампе. При этом наблюдаем кратковременную вспышку света. В данном случае во время разрядки конденсатора его энергия превратилась во внутреннюю энергию спирали лампы.

Энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по формуле:

Воспользовавшись формулой для электроёмкости, можно получить ещё две формулы для расчёта энергии электрического поля конденсатора.

В настоящее время конденсаторы находят широкое применение во многих областях науки и техники. В связи с этим конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

по назначению — это конденсаторы постоянной и переменной ёмкости.

по форме обкладок — различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и другие;

а также по типу диэлектрика — это, например, бумажные, керамические, электролитические конденсаторы и так далее.

Наиболее распространённым типом конденсаторов является бумажный конденсатор. Он представляет собой две ленты металлической фольги, разделённые тонкой парафинированной бумагой, полистиролом, слюдой или другим диэлектриком, которые свёрнуты в тугую спираль и запаяны.

Для получения очень больших электроёмкостей используют электролитические конденсаторы. В качестве диэлектрика в них применяют тонкую плёнку окиси алюминия, нанесённую на металлическую пластину, являющуюся одной из обкладок. Роль второй обкладки играет электролит, контактирующий с металлическим корпусом. Ёмкость таких конденсаторов может достигать сотен и тысяч микрофарад.

В последнее время широкое применение находят керамические конденсаторы. Диэлектриком в них служит специальная керамика. Электрическая ёмкость таких конденсаторов достигает сотен пикофарад.

Закрепления материала.