В одном из первых занятий мы установили понятие о потенциале и количестве электричества. Нам уже известно, что чем сильнее заряжено тело электричеством, тем выше электрический потенциал (уровень электричества) в этом теле. Но как уровень воды в сосуде, в который мы налили известное количество воды, зависит от размеров и формы сосуда, точно так же и электрический потенциал какого-либо тела, которое мы зарядим известным количеством электричества, зависит от формы и размеров этого тела — от его электрической емкости. При этом емкость тела будет тем больше, чем больше его размеры при одной и той же форме. Чем больше электрическая емкость какого-либо тела, тем большее количество электричества потребуется, чтобы зарядить это тело до определенного потенциала. Наоборот, чем больше емкость какого-либо тела, заряженного известным количеством электричества, тем меньше потенциал этого тела. Эти соотношения легко выразить математически, если обозначить через Q — количество электричества в теле, через С — емкость этого тела и через V — потенциал, который этому телу сообщает заряд Q. Тогда мы получим такие соотношения:
| Q = CV или V = | Q |
| C |
которые повторяют то, что мы сказали выше: чем больше С при данном V, тем больше должно быть Q и наоборот, чем больше С при данном Q, тем меньше будет V.
Приведенные соотношения легко позволяют установить единицы для измерения емкости. Как помнит читатель, основной единицей для измерения количества электричества служит кулон, а для измерения потенциала — вольт. Единицей емкости мы будем считать такую емкость, при которой заряд в один кулон электричества вызывает повышение потенциала на 1 вольт. Эта единица емкости называется «фарад». Но емкость в один фарад — это огромная емкость, на практике приходится иметь дело с емкостями, в миллионы и даже миллиарды раз меньшими (электрическая емкость всего земного шара составляет только очень малую долю фарада). Поэтому вместо фарада на практике применяется мера емкости в миллион раз меньшая — так называемый «микрофарад». Но в радиолюбительской практике приходится обычно иметь дело с емкостями в тысячные доли микрофарада, и поэтому в радиотехнике применяют обычно совсем другую, так называемую «абсолютную единицу» емкости — сантиметр емкости, причем один микрофарад равен 900 000 сантиметрам емкости. Конечно, мера емкости — сантиметр ничего не имеет общего (кроме названия) с сантиметром — мерой длины, и путать их между собой ни в коем случае не следует.
Электрической емкостью обладает каждое тело не только само по себе, но и по отношению к другим телам. Например, если каких-либо два тела А и Б (рис. 1) мы зарядим одним и тем же количеством электричества Q, но разных знаков, например А положительным, и Б отрицательным, то между этими двумя телами установится некоторая определенная разность потенциалов V. Величина этой разности потенциалов будет зависеть от электрической емкости между этими телами, которая в свою очередь зависит от размеров, формы и взаимного расположения обоих тел. Чем больше будет емкость между этими телами, тем меньше будет разность потенциалов V между ними, при данном количестве электричества Q. Для наших двух тел мы можем написать те же соотношения, которые раньше написали для одного тела, а именно:
| Q = CV или V = | Q |
| C |
Но в этом случае С обозначает емкость между двумя телами, а V разность потенциалов между ними.
Емкость эта будет тем больше, чем больше размеры этих тел (их поверхности обращенные друг к другу) и чем ближе они расположены друг к другу. Кроме того, емкость между двумя телами зависит и от того, какой диэлектрик находится между ними. Если, например, вместо воздуха мы поместим оба тела в керосин, то емкость между ними увеличится. Если вместо керосина мы разделим эти тела слюдой или эбонитом, то их взаимная емкость станет еще больше. Словом, разные диэлектрики по-разному увеличивают емкость между двумя телами. Величина, которая показывает, во сколько раз увеличилась емкость между телами, в том случае, если промежуток между двумя телами вместо воздуха заполнен каким-либо другим диэлектриком, называется диэлектрической постоянной этого диэлектрика. Очевидно, что чем больше диэлектрическая постоянная среды, в которую помещены тела, тем больше емкость между этими телами.
Ясно, какое значение имеет емкость между какими-либо двумя телами. Если мы располагаем каким-либо источником электричества, например батареей, дающей определенную разность потенциалов, то мы можем наши тела зарядить до той же разности потенциалов (но не выше). И чем больше емкость между двумя телами, тем больше будет электрический заряд этих тел (при данной разности потенциалов) и значит тем большее количество электричества скопится в этих телах. Такие приборы, которые состоят из двух тел, обладающих определенной емкостью, и которые служат для накапливания электрического заряда, называются конденсаторами. В радиотехнике конденсатор является одним из важнейших и наиболее распространенных приборов. О том, какую роль он играет, мы будем говорить в следующих занятиях.
Наиболее распростравенным типом конденсатора является так называемый плоский конденсатор, устройство которого схематически изображено на рис. 2. Этот конденсатор состоит из двух пластин А и Б (которые называются обкладками конденсатора), разделенных слоем диэлектрика Д. Как мы уже сказали, емкость этого конденсатора будет тем больше, чем больше поверхность пластин и чем ближе они друг к другу, то есть чем тоньше слой диэлектрика между ними. Для увеличения емкости конденсатора вместо воздуха применяют обычно какой-либо твердый диэлектрик, имеющий диэлектрическую постоянную большую, чем воздух (например бумага, слюда, стекло и т. д.).
Применение твердого диэлектрика, помимо увеличения емкости конденсатора, дает еще одно преимущество. Дело в том, что твердые диэлектрики обладают гораздо большей электрической прочностью, чем воздух. Всякий диэлектрик при определенном, достаточно высоком напряжении пробивается и становится проводником электричества. И вот, «пробивное напряжение» (т. е. напряжение, при котором диэлектрик пробивается) для твердых диэлектриков гораздо выше, чем для воздуха. Поэтому конденсаторы с твердым диэлектриком можно заряжать до гораздо больших напряжений, чем воздушные, не рискуя тем, что при этом высоком напряжении конденсатор будет пробит.
Однако применение твердого диэлектрика в конденсаторе имеет не только положительные, но и отрицательные стороны, о которых мы расскажем ниже. Поэтому во многих случаях радиолюбительской практики примедяются все-таки воздушные конденсаторы.
Если бы нам понадобился конденсатор большой емкости, то, применяя устройство, изображенное на рис. 2, мы должны были бы взять обкладки с очень большой поверхностью, и конденсатор получился бы слишком громоздким. Поэтому для получения больших емкостей применяется несколько другое устройство, изображенное на рис. 3. Вместо одной пары пластин применяют много пар пластин, соединенных параллельно в группы: каждая из этих групп является одной обкладкой конденсатора. Ясно, что, применяя такое устройство, мы достигаем тех же результатов, как и при увеличении поверхности в случае одной пары обкладок, т. е. получим конденсатор большой емкости, но он получится не таким громоздким, как при одной паре обкладок.
Очень часто (дальше мы увидим, для чего) приходится изменять емкость конденсатора в определенных пределах. В этих случаях вместо конденсаторов с постоянной емкостью применяются конденсаторы переменной емкости, или, как их называют короче, «переменные конденсаторы». Переменный конденсатор — это прибор, с которым хорошо знакомы все радиолюбители. Мы поэтому не будем подробно останавливаться на устройстве переменных конденсаторов и опишем только принцип, на котором это устройство основано.
Во всяком переменном конденсатора одна группа пластин (одна обкладка) делается неподвижной, а другая передвижной. При движении этой группы пластин обычно изменяется величина «рабочей поверхности» пластин, вследствие чего изменяется и емкость конденсатора. В некоторых конструкциях переменных конденсаторов изменяется не рабочая поверхность пластин, а расстояние между пластинами. Но в большинстве фабричных переменных конденсаторов применяется именно первый из указанных нами способов изменения емкости.
Сравнительно меньшим, чем плоский конденсатор, распространением пользуется другой тип конденсатора постоянной емкости — так называемая лейденская банка. Устройство лейденской банки схематически изображено на рис. 4. В качестве диэлектрика в лейденской банке применяется стекло — диэлектриком служат стенки стеклянной банки. Обкладками конденсатора служат тонкие металлические листы, наклеенные снаружи и изнутри на стенки банки. Ясно, что чем тоньше стенки банки и чем больше ее размеры, тем больше емкость конденсатора. Преимуществами лейденских банок по сравнению с другими типами конденсаторов, является, во-первых, простота их изготовления и, во-вторых, электрическая прочность (пробивное напряжение стекла очень высокое). Именно по этим соображениям мы и рекомендуем нашим читателям в качестве практической работы к этому занятию изготовить несколько лейденских банок по описанию, помещенному ниже.
Так же, как и обычные проводники, конденсаторы можно включать между собой параллельно (рис. 5) или последовательно (рис. 6). Посмотрим теперь, как определяется общая емкость группы конденсаторов, включенных параллельно или последовательно?
Ясно, что при параллельном включении конденсаторов мы можем всю группу рассматривать как один конденсатор с увеличенным размером обкладок. Общая поверхность всех обкладок этого конденсатора будет равна сумме поверхностей обкладок отдельных конденсаторов, из которых он составлен. Следовательно, общая емкость группы включенных параллельно конденсаторов будет равна сумме емкостей отдельных конденсаторов, из которых эта группа составлена.
При последовательном же включении конденсаторов мы как бы увеличиваем расстояние между обкладками. Если мы имеем два конденсатора С1 и С1 (рис. 7), у которых размеры обладок одни и те же, а расстояние между обкладками разное, например у С1 — 5 мм, а у С2 — 3 мм, то мы можем эти оба конденсатора, включенные последовательно, рассматривать как один конденсатор с обкладками того же размера, но находящимися на расстоянии в 5 + 3 = 8 мм. Мы имеем право это сделать потому, что две средние обкладки (рис. 7 А) ни с чем не соединены, и значит мы их можем вовсе удалить — от этого общая емкость конденсаторов не должна измениться (рис. 7 Б). Так как при увеличении расстояния между обкладками емкость конденсатора уменьшается, то значит при последовательном включении емкость конденсаторов становится меньше.
Мы не будем подробно рассматривать, как изменится емкость при последовательном включении нескольких конденсаторов, и укажем только одно правило для этого случая, которое надо запомнить. Общая емкость всей группы конденсаторов, включенных последовательно, всегда, будет меньше емкости самого меньшего из конденсаторов, в эту группу входящих. И значит, если мы включим последовательно два конденсатора, из которых один будет иметь большую емкость, а другой меньшую, то общая емкость этой группы будет меньше, чем емкость меньшего из этих двух конденсаторов.
Посмотрим теперь, что произойдет в электрической цепи, в которую мы включим конденсатор.
Здесь нужно различать два случая: первый, когда источник, включенный в цепь, дает постоянную электродвижущую силу (рис. 8), и второй, когда в цепь включен источник переменной электродвижущей силы (рис. 9). В первом случае, сразу после того как цепь будет замкнута, конденсатор зарядится до напряжения, равного напряжению источиика, и после этого заряд конденсатора и ток в цепи совершенно прекратится. Значит конденсатор представляет собой бесконечно большое сопротивление постоянному току. В случае переменного тока картина получится иная. Так как направление электродвижущей силы будет все время изменяться, то конденсатор будет все время заряжаться то в одном, то в другом направлении. Ясно, что этот зарядный ток будет тем больше, чем больше емкость конденсатора. Следовательно, для переменного тока конденсатор является не бесконечно большим, а некоторым определенным сопротивлением, которое будет тем меньше, чем больше его емкость и чем больше частота переменного тока.
Однако сопротивление конденсатора переменному току существенно отличается от обычного омического сопротивления. В обычном омическом сопротивлении выделяется энергия, которую электрический ток тратит на нагревание проводника. Конденсатор же никакой энергии не потребляет, так как ту энергию, которую он накапливает при заряде, он отдает полностью при разряде. Поэтому сопротивление конденсатора переменному току называется «безваттным сопротивлением», т. е. сопротивлением, не потребляющим энергии.
То, что мы только что сказали о конденсаторе и его сопротивлении, было бы совершенно правильно, если бы диэлектрик конденсатора был бы идеальным. В этом случае никакой энергии в диэлектрике не терялось бы при заряде и разряде конденсатора, т. е. конденсатор не обладал бы диэлектрическими потерями. Но этими качествами (отсутствием потерь) обладает только один диэлектрик — пустота. Все другие диэлектрики обладают меньшими или большими потерями. Правда, диэлектрические потери в воздухе очень малы, и практически ими можно пренебречь. Потери же в твердых диэлектриках, особенно в стекле, фибре, эбоните и т. д., бывают очень значительны. Это и есть отрицательная сторона применения в конденсаторах твердого диэлектрика, о которой мы говорили выше. Конденсаторы с твердым диэлектриком всегда обладают бо́льшими потерями, чем воздушные.