Конденсаторы

Не следует думать, что новые идеи

побеждают путем острых дискуссий,

в которых создатели нового переубеждают

своих оппонентов. Старые идеи уступают

новым таким образом, что носители старого

умирают, а новое поколение воспитывается

в новых идеях, воспринимая их как

нечто само собой разумеющееся.

Макс Планк

24 марта 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества физик и электротехник Александр Степанович Попов с по­мощью изобретенного им радиопередатчика продемонстрировал пе­редачу сигналов на расстояние 250 м. Он передал азбукой Морзе первую в мире радиограмму из двух слов: «Генрих Герц». Переда­ча осуществлялась посредством электромагнитных волн радиодиапазона, т. е. была беспроводной. В то время это было воспринято как чудо.

Теперь люди настолько привыкли, что могут не только слышать, но и видеть то, что происходит за много километров от них, что это не вызывает ни малейшего удивления. Чтобы понять физические процессы, лежащие в основе передачи и приема звука и изображения, сначала следует познако­миться с таким важным устройством, как конденсатор.

Конденсатор (от лат. condensator— тот, кто уплотняет, сгущает) — это устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсаторы состоят из двух или более близко расположенных друг к другу проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, причем толщина слоя диэлектрика между проводниками значительно меньше размеров самих проводников.

При небольших размерах конденсатор отличается значительной емкостью, не зависящей от наличия вблизи него других зарядов или проводников.

На рисунке показано, как обозначается конденсатор на схемах электрических цепей.

Существуют разные способы зарядки конденсатора. Можно, на­пример, соединить его обкладки с источником постоянного напряже­ния.

При этом обкладки конденсатора заряжаются равными по величине, но противоположными по знаку зарядами. Под зарядом конденсатора понимается модуль заряда одной из его обкладок.

Опыт показывает, что заряд конденсатора прямо пропорциона­лен напряжению между его обкладками.

Коэффициент пропорциональности называется электриче­ской емкостью (электроемкостью или просто емкостью) конденсатора.

Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Единица электроемкости в СИ — Ф (фарад) — получила свое на­звание в честь Майкла Фарадея, внесшего большой вклад в развитие электромагнетизма.

1 Фарад равен емкости такого конденсатора, между обкладками которого возникает напряжение 1 Вольт при сообщении конденсатору заряда 1 Кулон.

Опыты показывают, что чем больше площадь перекрытия пластин и чем меньше расстояние между ними, тем больше емкость плоского конденсатора.

При внесении в пространство между обкладками стеклянной пластины емкость конденсатора увеличивается, следовательно, она зависит и от свойств используемого диэлектрика.

Исходя из опытных данных, можно вывести математическую зависимость емкости плоского конденсатора:

Где  — диэлектрическая постоянная;  — диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S — это площадь обкладки конденсатора; d — расстояние между ними.

В ряде случаев для получения требуемой емкости несколько кон­денсаторов соединяют в батареи, применяя при этом параллельное, последовательное и смешанное соединения.

При параллельном соединении конденсаторов одни обкладки соединяются в один узел, другие — в другой. Общий заряд равен алгебраической сумме зарядов каждой из обкладок отдельных конденсаторов.

Так как соединенные обкладки представляют собой один проводник, то потенциалы всех соединенных в один узел обкладок одинаковы и разность потенциалов между обкладками всех конденсаторов одинакова.

Так как заряд конденсатора прямо пропорционален разности потенциалов, то емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Понятно, что емкость батареи из n одинаковых параллельно соединенных кон­денсаторов определяется как произведение емкости одного конденсатора, на количество конденсаторов в батарее.

При последовательном соединении конденсаторов потенциал соединенных между собой обкладок конденсаторов одинаков. Если сообщить одной из обкладок первого конденсатора заряд плюс q, то у второй обкладки будет заряд минус q, у соседней обкладки второго конденсатора заряд плюс q и т.д. Следовательно, заряд на всех конденсаторах будет одинаков.

Напряжение же будет равно сумме напряжений на всех конденсаторах.

Из того, что напряжение на обкладках конденсатора прямо пропорционально заряду и обратно пропорциональна емкости, следует, что величина, обратная емкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов.

Емкость батареи из n одинаковых последовательно соединенных кон­денсаторов равна отношению емкости одного конденсатора к количеству конденсаторов в батарее.

Известно, что заряженные тела созда­ют в пространстве вокруг себя электриче­ское поле и взаимодействуют друг с дру­гом посредством этих полей. Силовой характеристикой электрического поля служит напря­женность Е.

Напряженность — это физическая векторная величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.

Для получения наглядного представления о величине и направ­лении напряженности электрического поля в любой точке простран­ства пользуются вообра­жаемыми линиями, которые мы назвали линиями напря­женности или силовыми линиями электрического поля.

Касательные к этим линиям в любой их точке совпадают с вектором напря­женности в этой точке. Там, где напряженность поля больше, ли­нии гуще.

Линии напряженности электрического поля начинаются на поло­жительных зарядах и либо уходят в бесконечность, и заканчиваются на отрицательных зарядах.

Обратите внимание, что линии поля плоского конденсатора параллельны и располо­жены на одинаковом расстоянии друг от друга. Значит поле такого конденсатора однородно.

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

Убедимся в этом на опыте. Соберем электрическую цепь из источника пос­тоянного тока, конденсатора, лампы и переключателя. Чтобы зарядить конденсатор, подключим его и источни­ку тока, поставив переключатель в поло­жение 1. Через некоторое время переве­дем переключатель в положение 2, замкнув цепь с конденсатором и лампой.

В результате разрядки конденсатора через лампу пройдет ток, и можно увидеть кратковременную вспышку. При вспышке раскаленная током нить накала лампы выделяет энергию в виде света и тепла. Значит, потенциальная энергия электрического поля конденсатора преобразовалась во внутреннюю энергию нити накала и излучилась в виде света и тепла.

Энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по формуле:

Из этой формулы следует, что энергия конденсатора данной емкости тем больше, чем больше его заряд.

Конденсаторы можно классифицировать по следующим признакам и свойствам:

– по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;

– по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;

– по типу диэлектрика — бумажные, керамические, электролитические и т.д.

На рисунке представлены бумажный, электролитический и керамический конденсаторы.

В бумажном конденсаторе обкладками служат две одинаковые бумажные ленты из металлической фольги, между которыми в качестве диэлектрика проложена лента из парафинированной бумаги. Все три ленты плотно скручены в рулон и помещены в металличе­ский корпус. При сравнительно небольших габаритах бумажный конденсатор обладает довольно большой емкостью за счет большой площади пластин.

В оксидно-электролитическом конденсаторе диэлектриком явля­ется очень тонкая оксидная пленка, нанесенная на металлическую пластину, являющуюся одной из обкладок. Роль второй обкладки играет электролит, контактирующий с металлическим корпусом.

В миниатюрных керамических конденсаторах тонкий проводящий слой (обкладки) наносят на керамический цилиндр (изолятор). Необхо­димо знать, что чем тоньше изоляция, тем меньшее напряжение она выдерживает. Поэтому на корпусе конденсатора обычно указывается его номинальное напряжение. Указывается также емкость конденсатора.

Конденсаторы применяют, например, в лампах-вспышках, лазерах и других устройствах. Широкое применение они нашли в радиотехнике.

В радиотехнических устройствах часто используются конден­саторы переменной емкости. Изменение емкости втаком конденсаторе достигается изменением площади перекрытия обкладок. Он состоит из системы неподвижных пластин — статора и системы подвижных пластин — ротора, которые поворотом руч­ки можно вращать вокруг оси. Для увеличения емкости пластины ротора вдвигают в пространство между пластинами статора, увели­чивая площадь перекрытия; для уменьшения емкости пластины вы­двигают.

Основные выводы:

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

– Под зарядом конденсатора понимается модуль заряда одной из его обкладок.

– Электроемкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

– Единица электроемкости в СИ — фарад.

– Конденсаторы классифицируются по следующим признакам и свойствам:

– по назначению — конденсаторы постоянной и переменной емкости;

– по форме обкладок различают конденсаторы плоские, сферические, цилиндрические и др.;

– по типу диэлектрика — бумажные, керамические, электролитические и т.д.