В конденсаторах на емкость влияет такой фактор, как материал диэлектрика, разделяющего обкладки. Если в качестве диэлектрика используется воздух, то его диэлектрическая постоянная, т. е. фактор, учитываемый при расчетах, равна 1. Но если пространство между обкладками заполнено не воздухом, а слюдой, емкость увеличивается в 8 раз, так как диэлектрическая постоянная слюды равна 8.
Н. — А какова роль толщины обкладок? В какой мере она влияет на емкость?
Л. — Толщина не оказывает никакого влияния, ибо заряды накапливаются на наиболее сближенных слоях обкладок. Впрочем, вот формула, позволяющая вычислить емкость:
где С — емкость, Ф; εв — абсолютная диэлектрическая проницаемость изоляции, равная произведению относительной диэлектрической проницаемости ε на электрическую постоянную, ε = 8,855·10-12 Ф/м; S — площадь поверхности пластин, м2; d — расстояние между пластинами, м.
Н. — Глядя на эту формулу, я убедился, что емкость конденсатора можно без труда увеличивать сколько пожелаешь. Для этого достаточно сблизить его обкладки. По мере уменьшения d возрастает емкость С. При бесконечно малом d емкость становится бесконечно большой.
Л. — Да, но эти «бесконечно» невозможны.
Н. — Почему? Разве с точки зрения математики мои рассуждения ошибочны?
Л. — Математически все верно. Но вернемся к нашему сравнению с резервуарами: если ты станешь снижать толщину мембраны, то наступит момент, когда под давлением нагнетаемого насосом воздуха она разорвется. А в конденсаторе, если ты сведешь слишком близко его обкладки, между ними станут проскакивать искры. Взаимное притяжение отрицательного и положительного зарядов позволит электронам пересекать разделяющее обкладки пространство, заполненное воздухом или любым другим диэлектриком.
Н. — Значит, расстояние между обкладками можно уменьшать лишь до некоторого предельного значения. И я предполагаю, что эта величина зависит как от материала диэлектрика, так и от прилагаемого к обкладкам напряжения. Чем выше напряжение, тем больше вероятность пробоя (рис. 27). И я не сомневаюсь, что существуют диэлектрики, которые в разной степени препятствуют возникновению пробоя.
Рис. 27.При слишком высоком напряжении или близком расположении обкладок конденсатора между последними могут проскакивать искры.
Л. — Рассмотренные выше конденсаторы называют конденсаторами постоянной емкости. В конденсаторах же переменной емкости изменяется площадь или по крайней мере часть площади каждой обкладки, находящейся напротив другой.
Н. — Я предполагаю, что для этой цели сдвигают в сторону одну из обкладок.
Л. — Да. Обычно конденсатор переменной емкости состоит из набора неподвижно закрепленных обкладок, расположенных параллельно друг другу и соединенных между собой, и набора подвижных обкладок, расположенных между неподвижными и, само собой разумеется, тоже соединенных между собой. В широко распространенной конструкции конденсатора переменной емкости форма обкладок приближается к полукругу.
Подвижные обкладки укреплены на оси, которая соединяет их и позволяет поворачивать, в большей или меньшей степени выводя из блока неподвижных обкладок. Ручка, служащая для поворачивания оси, может быть отградуирована в величинах емкости или в величинах того показателя, который изменяется в результате изменения емкости: частоты или длины волны (рис. 28).
Рис. 28.Ручка управления конденсатора переменной емкости, отградуированная в единицах измерения емкости, частоты или длины волны.
Подробнее это я объясню тебе позднее.
Кроме этих существуют подстроенные конденсаторы, емкость которых можно в известных пределах изменять, сближая их обкладки. Для этой цели одна из обкладок делается эластичной и приближается к другой под давлением винта, служащего для осуществления такой регулировки. Твердый диэлектрик, помещенный между обкладками, позволяет ограничить их сближение.
Существуют подстроечные конденсаторы, в которых, как и в конденсаторах переменной емкости, ограниченно изменяют площадь пластин.
Н. — При рассмотрении поведения конденсатора, подключенного к батарее, одно обстоятельство меня серьезно беспокоит — отсутствие тока. После заряда или разряда конденсатора его электрические заряды пребывают в неподвижности. Для меня, испытывающего такую любовь к движению…
Л. — Ты сейчас же получишь его в достаточной мере. Вместо того, чтобы подключать конденсатор к источнику постоянного напряжения, соедини обкладки конденсатора с источником переменного напряжения. Что тогда произойдет?
Н. — Дай мне подумать. Начнем с полупериода, когда одна обкладка заряжена положительно, а другая — отрицательно. При переходе к следующему полупериоду конденсатор разрядится, а затем вновь зарядится, но с противоположной полярностью (рис. 29). И так далее. В каждый полупериод будет происходить заряд, а затем разряд.
Рис. 29.Движение электронов в цепи, соединяющей конденсатор с источником переменного напряжения. На рисунке показаны четыре последовательных полупериода.
Л. — Следовательно, по проводникам от источника переменного напряжения до обкладок происходит движение электронов. И это движение каждый полупериод меняет свое направление. Иначе говоря, мы наблюдаем…
Н. — …настоящий переменный ток. Потрясающе! Ток протекает по цепи, в которой имеется разрыв, — ведь между обкладками конденсатора нет контакта.
Л. — Да, дорогой Незнайкин. Говорят, что конденсатор «пропускает» переменный ток. Электроны, конечно, не проходят через конденсатор, но его емкость позволяет электронам циркулировать во внешней цепи, многократно совершая короткие рывки вперед и назад в момент заряда и разряда конденсатора.
Н. — Согласен, но мне было бы легче постичь это, вернувшись к сравнению с моими двумя резервуарами, наполненными воздухом и разделенными эластичной мембраной. Если теперь подключить эти резервуары не к насосу, а к цилиндру, в котором поршень совершает движения туда и обратно, то пришедший в переменное движение воздух будет поочередно наполнять то правый резервуар, то левый.
Л. — Превосходное сравнение. Оно позволит нам продолжить изучение конденсатора. От чего, по твоему мнению, зависит интенсивность создаваемого таким образом переменного воздушного потока?
Н. — Количество воздуха, проходящее в каждый полупериод по трубам, зависит от емкости, т. е. от объема резервуаров и от создаваемого поршнем давления. И кроме того, чем чаще поршень будет совершать поступательно-возвратные движения, тем больше воздуха пройдет через сечение труб за единицу времени.
Л. — Эти же явления имеют место и в электричестве. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество электронов при каждом полупериоде заряжает обкладки, а затем при разряде уходит с них. И, кроме того, чем большее количество этих полупериодов чередуется в каждую секунду, иначе говоря, чем выше частота, тем большее количество электронов проходит по цепи за одну секунду.
Как ты видишь, здесь сила тока пропорциональна емкости конденсатора и частоте источника тока.
Н. — Я отмечаю для себя, что конденсатор для тока такое же препятствие, как резистор или катушка (рис. 30).
Рис. 30.Три тела препятствий для прохождения электрического тока: активное R, индуктивное XL и емкостное XC сопротивления.
Но любопытно, что сопротивление резистора не зависит от частоты, тогда как индуктивное сопротивление катушки пропорционально частоте и увеличивается при ее повышении, а сопротивление, которое конденсатор оказывает прохождению переменного тока, убывает по мере повышения частоты.
И еще по одному свойству емкостное сопротивление прямо противоположно индуктивному: чем больше индуктивность, тем труднее току пройти, тогда как чем больше емкость конденсатора, тем легче пропускает он ток.
Л. — Тебе пришла удачная мысль сравнить индуктивное сопротивление с емкостным сопротивлением; этим термином называют сопротивление, которое конденсатор оказывает прохождению переменного тока. Емкостное сопротивление, стало быть, обратно пропорционально емкости С и частоте f. Оно рассчитывается по следующей формуле:
Н. — Совсем неглупо! Так, если мы попытаемся пропустить постоянный ток, частота которого равна нулю, емкостное сопротивление окажется равным бесконечности. И это полностью соответствует действительности, так как постоянный ток через конденсатор не проходит.
Комментарий профессора РадиоляСОЕДИНЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ
Всякая электрическая цепь характеризуется активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Компоненты, обладающие этими свойствами, могут соединяться между собой различными способами. В зависимости от способа соединения рассматриваются значения активных и реактивных сопротивлений. В заключение описывается явление резонанса, играющее в радиотехнике важнейшую роль.
Мои дорогие друзья, вы познакомились с пассивными компонентами. Так называют резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы в отличие от активных компонентов: электронных ламп и транзисторов, изучением которых вы вскоре займетесь.
Все, что ты, Любознайкин, объяснил своему другу, совершенно правильно. Однако я должен добавить, что в действительности любой из компонентов обладает не только свойством, определяющим его название. Так, даже простой проводник из прямого отрезка провода одновременно обладает сопротивлением, индуктивностью и емкостью. В самом деле, какой хорошей ни была бы его проводимость, он все же обладает некоторым активным сопротивлением.