Конденсатор

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 [1] 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 мы настолько привыкли, что можем не только слышать, но и видеть то, что происходит за много километров от нас, что это не вызывает ни малейшего удивления. Тем не менее человеку любозна­тельному и культурному интересно бывает хотя бы в общих чертах постичь суть окружающих нас явлений, узнать, как и почему они происходят. 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) — «то устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.

На рисунке 144, а изображен простейший плоский конденсатор. Он состоит из двух одинаковых круглых металлических пластин (об­кладок) 1 со стержнями 2, с помощью которых пластины укреплены в изолирующих штативах 3. Пластины расположены параллельно друг другу и разделены диэлектриком (в данном случае воздухом).

На рисунке 144, б показано, как обозначается конденсатор на схемах электрических цепей.

Существуют разные способы зарядки конденсатора. Можно, на­пример, соединить его обкладки с источником постоянного напряже­ния, как показано на рисунке 145. При этом обкладки конденсатора заряжаются равными по величине, но противоположными по знаку зарядами (+q и -q). Под зарядом конденсатора понимается мо дуль заряда q одной из его обкладок.

Опыт показывает, что заряд q конденсатора прямо пропорциона­лен напряжению U между его обкладками:

Коэффициент пропорциональности С называется электриче­ской емкостью (электроемкостью, емкостью) конденсатора. Из формулы (1) следует, что

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

Согласно формуле (2)

т. е. 1 Ф равен емкости такого конденсатора, между обклад­ками которого возникает напряжение 1 В при сообщении конденсатору заряда 1 Кл.

Опыты показывают, что чем больше площадь S перекрытия пластин и чем меньше расстояние d между ними (рис. 146), тем больше емкость плоского конденсатора:

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

В ряде случаев для получения требуемой емкости несколько кон­денсаторов соединяют в батарею. На рисунке 147, а показана бата­рея из трех конденсаторов одинаковой емкости, соединенных парал­лельно. Эту батарею можно рассматривать как один конденсатор, площадь пластин которого втрое больше, чем у каждого из трех. По­скольку С ~ S, то емкость батареи (Сб) будет в три раза больше ем­кости одного конденсатора (Ск): Сб = 3Сн (при том что диэлектрик и расстояние между пластинами остались прежними).

Понятно, что емкость батареи из п оди­наковых параллельно соединенных кон­денсаторов определяется по формуле Сб = nСк, а если емкости конденсаторов раз­личны, то емкость батареи равна их сум­ме: Сб = С1 + С2 + С3 + … + Сn.

Вы знаете, что заряженные тела созда­ют в пространстве вокруг себя электриче­ское поле и взаимодействуют друг с дру­гом посредством этих полей.

Силовой характеристикой электрического поля служит напря­женность .

Для получения наглядного представления о величине и направ­лении напряженности электрического поля в любой точке простран­ства (как и для индукции  магнитного поля) пользуются вообра­жаемыми линиями (рис. 148), которые называются линиями напря­женности или силовыми линиями электрического поля.

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

Линии напряженности электрического поля начинаются на поло­жительных зарядах и либо уходят в бесконечность (рис. 148, б), либо заканчиваются на отрицательных зарядах (рис. 148, а, в). Мы ви­дим, что линии поля плоского конденсатора параллельны и располо­жены на одинаковом расстоянии друг от друга. Значит поле такого конденсатора однородно.

Поле сосредоточено в пространстве между обкладками, если их раз­меры значительно больше расстояния между ними (см. рис. 148, в).

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 (ИПТ), конденсатора (К), лампы (Л) и переключателя (П), как по­казано на рисунке 149. 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 мы увидим 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 формулы (5) следует, что энергия конденсатора данной ёмкости тем больше, чем больше его заряд.

По типу используемого диэлектрика различают воздушные, бу­мажные, керамические, оксидно-электролитические, слюдяные и другие конденсаторы.

На рисунке 150 вы видите бумажный (1), электролитический (2) и керамический конденсаторы (3).

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.

При включении бумажного конденсатора в цепь нет необходи­мости соблюдать полярность, так как его обкладки совершенно оди­наковы.

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. Оксидно-электролитические конденсаторы бывают полярными и неполярными. У полярных центральный электрод, обозначенный зна­ком «+», соединяют с положительным полюсом источника, а корпус, являющийся вторым электродом, — с отрицательным полюсом (при неправильном включении оксидная пленка разрушается).

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 (при котором исключается интенсив­ное старение диэлектрика в течение гарантированного срока службы конденсатора). 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 (рис. 151, а). Изменение емкости в таком конденсаторе достигается изменением площади перекрытия обкладок. Он состоит из системы неподвижных пластин — статора 1 и системы подвижных пластин — ротора 2, которые поворотом руч­ки 3 можно вращать вокруг оси. Для увеличения емкости пластины ротора вдвигают в пространство между пластинами статора, увели­чивая площадь перекрытия; для уменьшения емкости пластины вы­двигают. Условное обозначение конденсатора переменной емкости представлено на рисунке 151, б.

 Домашнее задание:
I. Учить конспект в тетради
II. Ответить на вопросы
1. Для чего предназначен конденсатор?
2. Что представляет собой простейший конденсатор? Как он обозначается на схемах?
3. Что понимают под зарядом конденсатора?
4. От чего и как зависит емкость конденсатора?
5. По какой формуле определяется энергия заряженного конденсатора?
6. Как проводился опыт, изображенный на рисунке 149? Что он доказывает?
7. Расскажите об устройстве и действии конденсатора переменной емкости. Где он нашел наиболее широкое приме­нение?
III. Решить задачи
1. За какой промежуток времени каждый радиосигнал радиограм­мы, передаваемой А. С. Поповым, доходил до приемного устройства?
2. Конденсатор емкостью 1 мкФ зарядили до напряжения 100 В. Определите заряд конденсатора.
3. Как изменится емкость плоского конденсатора при уменьше­нии расстояния между обкладками в 2 раза?
4. Докажите, что энергию поля Еэл плоского конденсатора можно определять по формуле .
5. Три конденсатора соединены параллельно. Емкость одного из них равна 15 мкФ, другого — 10 мкФ, а третьего — 25 мкФ. Опреде­лите емкость батареи конденсаторов.

[1] Телеграфный код. в котором каждая буква (знак) представлена своей комбинацией коротких посылок электрического тока (точек) и посылок утроенной продолжительности (тире).