Конденсаторы

Систему проводников очень боль­шой электроемкости вы можете об­наружить в любом радиоприемнике или купить в магазине. Называется она конденсатором. Сейчас вы узна­ете, как устроены подобные системы и от чего зависит их электроемкость.

Конденсатор. Большой электро­емкостью обладают системы из двух проводников, называемые кон­денсаторами. Конденсатор представ­ляет собой два проводника, разде­ленные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с раз­мерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Простейший плоский конденсатор состоит из двух одинаковых парал­лельных пластин, находящихся на малом расстоянии друг от друга (рис. 1). Если заряды пластин одинаковы по модулю и противо­положны по знаку, то силовые линии электрического поля начинаются на положительно заряженной обкладке конденсатора и оканчиваются на от­рицательно заряженной. Поэтому почти все электрическое по­ле сосредоточено внутри конден­сатора.

У сферического конденсатора, со­стоящего из двух концентрических сфер, все поле сосредоточено между ними.

Для зарядки конденсатора нужно присоединить его обкладки к полю­сам источника напряжения, напри­мер к полюсам батареи аккумуля­торов. Можно также соединить одну обкладку с полюсом батареи, у которой другой полюс заземлен, а вто­рую обкладку конденсатора зазем­лить. Тогда на заземленной об­кладке останется заряд, противопо­ложный по знаку и равный по мо­дулю заряду другой обкладки. Такой же по модулю заряд уйдет в землю.

Под зарядом конденсатора пони­мают абсолютное значение заряда одной из обкладок.

Электроемкость конденсатора определяется формулой.

Электрические поля окружающих тел почти не проникают внутрь кон­денсатора и не влияют.на разность потенциалов между его обкладками. Поэтому электроемкость конденса­тора практически не зависит от на­личия вблизи него каких-либо дру­гих тел.

Первый конденсатор, названный лейденской банкой, был создан в середине XVIII в. Было обнаружено, что гвоздь, вставленный в стеклян­ную банку с ртутью, накапливает большой электрический заряд. В та­ком конденсаторе ртуть служила од­ной обкладкой, а ладони экспериментатора, держащего банку,— дру­гой. Впоследствии обе обкладки ста­ли делать из тонкой латуни или станиоля.

Электроемкость плоского кон­денсатора. Геометрия плоского кон­денсатора полностью определяется площадью S его пластин и рас­стоянием d между пластинами. От этих величин и должна зависеть ем­кость плоского конденсатора. Чем больше площадь пластин, тем боль­ший заряд можно на них нако­пить: q~S. С другой стороны, на­пряжение между пластинами соглас­но формуле пропорционально расстоянию между ними. Поэтому емкость

Кроме того, напряжение, так же как и напряженность поля, умень­шается в среде в εраз:

Следовательно, если- между пласти­нами находится диэлектрик, то ем­кость

(1)

Проверим на опыте зависимость (1), полученную нами из элемен­тарных соображений. Для этого возьмем конденсатор, у которого расстояние между пластинами можно изменять, и электрометр с заземлен­ным корпусом (рис.1). Соединим корпус и стержень электрометра про­водниками с пластинами конден­сатора и зарядим конденсатор. Для этого нужно коснуться на­электризованной палочкой пласти­ны конденсатора, соединенной со стержнем. Электрометр покажет разность потенциалов между плас­тинами.

Раздвигая пластины, мы обна­ружим увеличение разности потен­циалов.

Согласно определению электро­емкости – это указывает на ее уменьшение. В соот­ветствии с зависимостью (1) электроемкость действительно долж­на уменьшаться с увеличением рас­стояния между пластинами.

Вставив между обкладками кон­денсатора пластину из диэлектрика, например из органического стекла, мы обнаружим уменьшение разности потенциалов. Следовательно, элек­троемкость плоского конденсатора в этом случае увеличивается.

Расстояние между пластинами d может быть очень малым, а пло­щадь S и диэлектрическая прони­цаемость — достаточно большими. Поэтому при небольших размерах конденсатор может иметь большую электроемкость. Впрочем, плоский конденсатор электроемкостью в 1 Ф должен был бы иметь площадь пластин S = 100 км² при расстоянии между пластинами d=1 мм.

Измерение диэлектрической про­ницаемости. Зависимость электро­емкости конденсатора от электриче­ских свойств вещества между его обкладками используется для изме­рения диэлектрической проницае­мости вещества. Для этого нужно экспериментально определить отно­шение электроемкости (С) конден­сатора с диэлектрической пласти­ной между обкладками и без нее (Со). Как следует из выражения (1), диэлектрическая проницае­мость

Различные типы конденсаторов. В зависимости от назначения кон­денсаторы имеют различное устройство. Обычный технический бумаж­ный конденсатор состоит из двух полосок алюминиевой фольги, изо­лированных друг от друга и от металлического корпуса бумажными лентами, пропитанными парафином. Полоски и ленты туго свернуты в пикет небольшого размера.

В радиотехнике широко приме­няют конденсаторы переменной элек­троемкости (рис.2). Такой конденсатор состоит из двух систем металлических пластин, которые при вращении рукоятки могут входить одна в другую. При этом меняются площади перекрывающихся частей пластин и, следовательно, их элек­троемкость. Диэлектриком в таких конденсаторах служит воздух.

Значительного увеличения элек­троемкости за счет уменьшения рас­стояния между обкладками достига­ют в так называемых электроли­тических конденсаторах (рис.3). Диэлектриком в них служит очень тонкая пленка оксидов, покрываю­щих одну из обкладок (полосу фоль­ги). Второй обкладкой служит бумага, пропитанная раствором специального вещества (электро­лита).

Конденсаторы позволяют накап­ливать электрический заряд. Элек­троемкость плоского конденсатора пропорциональна произведению пло­щади пластин на диэлектрическую проницаемость среды между ними и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.

Рис.1 Рис.2

Рис.3 Рис.4