. Имея достаточно точные измерительные приборы, можно обнаружить странное, на первый взгляд, явление: если, замкнув выключатель, мгновенно подать напряжение на катушку, ток в катушке установится не сразу, он будет нарастать, может быть, и быстро, но постепенно (Р-62). И это объясняется так: при увеличении тока в катушке наводится э.д.с. самоиндукции, она направлена против растущего тока и притормаживает его нарастание. Когда ток достигнет своей нормальной, постоянной величины, он, естественно, перестанет расти, и при этом, конечно, исчезнет э.д.с. самоиндукции, которая только что противодействовала нарастанию тока.
ВК-129.При последовательном соединении катушки с резистором и конденсатора с резистором ток в каждой из этих двух цепей общий и величина его известна. Каждую пару напряжений можно сложить в простейшей геометрической фигуре и, пользуясь в итоге теоремой Пифагора, определить общее напряжение двух сдвинутых по фазе на 90 градусов напряжений, как гипотенузу прямоугольного треугольника. Задача этого и следующего рисунков (ВК-130) показать, что такое в принципе возможно.
Похожая картина наблюдается и при выключении, при разрыве цепи — ток сразу, резко не прекращается, его какое-то мгновение поддерживает э.д.с. самоиндукции, в момент выключения она направлена в ту же сторону, что и э.д.с. батареи, и как может поддерживает убывающий ток. Электродвижущую силу самоиндукции из-за этих её действий часто называют противоэ.д.с., она всегда противодействует изменениям тока в цепи катушки — при нарастании тока препятствует этому нарастанию, при уменьшении тока препятствует уменьшению, замедляет, затягивает его, поддерживая ток.
Нарисованная картина не покажется странной, если вспомнить, что ток, проходя по катушке индуктивности, создаёт её магнитное поле. А в любом поле — гравитационном, электрическом, магнитном — всегда запасается энергия. На создание магнитного поля катушки, на создание в нём запасов энергии как раз и расходуется энергия батареи в момент включения. Именно поэтому ток резко не нарастает, он в первое мгновение тратит часть своей энергии на создание энергетических запасов в магнитном поле. А при выключении эти запасы возвращаются в электрическую цепь, поддерживая ток вместо уже отключённой батареи.
Катушка запасает тем больше энергии, чем больше её индуктивность L и чем больше сила постоянного тока I, который по этой катушке проходит. С практической, так сказать, с хозяйственной точки зрения хранить энергию в магнитном поле катушки не очень удобно — нужно всё время пропускать по катушке ток, чтобы поддерживать её магнитное поле. В этом отношении конденсатор более удобная энергетическая кладовая, хотя катушка, как это бывает в спорте, может ещё выйти вперёд, оставив конденсатор далеко позади, если достоянием практической энергетики станет высокотемпературная сверхпроводимость.
ВК-130. При параллельном соединении катушки с резистором и конденсатора с резистором на каждой из этих пар действует одинаковое для обоих элементов напряжение. Задача в этот раз сводится к тому, чтобы, измерив каждый из пары токов, сдвинутых по фазе на 90 градусов (токи в первом случае через катушку и резистор и во втором случае через конденсатор и резистор), найти общий ток, а затем и общее сопротивление. Общий ток находим в простейшем геометрическом построении, пользуясь идеей Пифагора.
Т-111. Конденсатор запасает энергию в своём электрическом поле. Натирая в первых электрических опытах пластмассовую палочку, мы фактически тратили силы на то, чтобы создать запас энергии в её электрическом поле. Потом поле малыми порциями возвращало свои небольшие запасы, поднимая клочки бумаги. Практически любой предмет можно наэлектризовать и тем самым создать у него электрическое поле с каким-то запасом энергии. Но есть и специально предназначенное для этого устройство, которое как бы концентрирует, сгущает поле, и называется оно поэтому «конденсатор», от латинского слова «конденс» — «сгущать».
Если расположить одну над другой две металлические пластины и на короткое время подключить их к батарейке, то на пластины с электродов батареи перейдёт какое-то количество избыточных зарядов, и они будут оставаться там довольно долго. Такой пластинчатый накопитель зарядов как раз и называют конденсатором, на схемах его обозначают буковой С, поскольку это первая буква английского слова «капэситор» (capacitor) — «накопитель». Металлические пластины конденсатора называют его обкладками.
То, что заряды не уходят с пластин заряженного конденсатора, можно упрощённо объяснить так. Электрическое поле между обкладками воздействует на атомы диэлектрика, и они несколько деформируются, поляризуются, как в наших давних опытах поляризовались атомы в кусочках бумаги под действием поля наэлектризованной палочки (Р-18). Своими зарядами поляризованный диэлектрик удерживает свободные заряды на пластинах, не даёт им уйти. В электрическом поле между пластинами, а также в поляризованных атомах диэлектрика, напоминающих сжатые пружины, запасается энергия, которая была затрачена батареей на то, чтобы зарядить конденсатор, втолкнуть избыточные заряды на его обкладки.
Конденсатор можно разрядить, для этого достаточно соединить его обкладки резистором. Через него, естественно, пойдёт разрядный ток, и электроны уйдут с обкладки, где они в избытке (-), на ту обкладку, где их не хватает (+). И при этом обнаружится чрезвычайно интересное явление, которому посвящён специальный раздел Т-113. Но прежде чем двинуться дальше, придётся сообщить некоторую не очень приятную подробность о хранении энергии в конденсаторе. Он, конечно, мог бы хранить её бесконечно долго, но практически этого не бывает. Даже если не соединять обкладки, не создавать умышленно разрядный ток, происходит медленный, а иногда и быстрый саморазряд конденсатора, заряды постепенно уходят с его пластин. Например, через воздух, где всегда есть какое-то количество свободных зарядов, или через собственный диэлектрик, который тоже не бывает идеальным.
ВК-131. Среди бессчётного множества процессов, которые происходят в мире, есть довольно большая группа, названная «свободные колебания». Их основа — физические, химические, биологические, социальные и иные колебательные системы. Каждая — это пара особым образом связанных накопителей какого-либо ресурса, например энергии. Они непрерывно обмениваются энергией, которую получила система, и в процессе этих свободных колебаний энергия собирается то в одном накопителе, то в другом.
ВК-132.Типичная колебательная система контур из Lк, Ск и условного Rк, отображающего неизбежные потери. Получив энергию при зарядке, конденсатор передаёт её катушке, она возвращает энергию обратно, и всё начинается сначала. Частота f0 этого обмена зависит от Lк, Ск, и уменьшив их, можно увеличить f0. А если удастся снизить потери (уменьшить Rк), то колебания будут затухать медленнее и продлятся дольше. В принципе то же самое происходит в других колебательных системах.
ВК-133.В колебательной системе возможен резонанс, когда внешний генератор подпитывает систему в такт с ее свободными колебаниями. В частности, за счёт резонанса могут в десятки и сотни раз вырасти напряжения на элементах Lк, Ск колебательного контура. В то же время в литературе описаны случаи, когда по мосту проходили большие подразделения солдат и из-за резонанса колебательной системы «мост» и ритма строевого шага происходили серьёзные разрушения. Иногда даже пишут, что мост рухнул.
ВК-134.Подключив последовательный контур LкCк к измерительному генератору и постепенно меняя его частоту, мы придём к частоте собственных колебаний контура f0, которую также называют резонансной fрез. На ней индуктивное и ёмкостное сопротивления равны, а так как они действуют друг против друга (одно напряжение отстаёт от тока, другое опережает его), то сопротивление контура резко падает до одного лишь сопротивления потерь Rк. В итоге резко растёт ток в цепи и с ним напряжения на Lк и Ск, поэтому весь процесс называют «резонанс напряжений».
Т-112. Электрическая ёмкость характеризует способность конденсатора, и вообще любого физического тела, накапливать электрические заряды. Единица ёмкости — фарад, Ф. Конденсаторы различаются формой пластин (обкладок), их площадью и диэлектриком, который находится между ними. Обкладки конденсатора сравнительно небольшой ёмкости выполняют в виде дисков, прямоугольников или вставленных друг в друга трубок. При большей и значительно большей ёмкости конденсатор часто выполнен в виде свёрнутых в спираль металлических лент. Способность конденсатора накапливать заряды, как уже говорилось, называется его электрической ёмкостью, она измеряется в фарадах, сокращённо Ф, и напоминает нам имя великого исследователя электричества: Майкл Фарадей. Это имя мы ещё не раз встретим в последующих разделах книги. В формулах и текстах конденсатор обозначается буквой С, так же, как и сам конденсатор на чертежах и схемах. Ёмкость 1 фарад имеет такой конденсатор, который под действием постоянного напряжения 1 вольт накопит на своих обкладках заряд 1 кулон. Коротко это можно записать так: 1 Ф = 1 К/1 В. Попутно отметим, что единица ёмкости фарад на протяжении многих лет была словом женского рода фарада, и в такой форме его можно встретить в книгах ещё не столь далёкого прошлого.
ВК-135.В параллельном контуре на низких частотах малоиндуктивное сопротивление, и оно шунтирует контур. На высоких частотах контур шунтирует ёмкостное сопротивление, которое здесь очень мало. Лишь на резонансной частоте