"Радиолюбитель", №3, март, 1925 год, стр. 63-64

РАСЧЕТЫ И ИЗМЕРЕНИЯ ЛЮБИТЕЛЯ

Как рассчитать емкость конденсатора

С. И. Шапошников

Электроемкость

Известно, что существуют некоторые приборы, в которых можно накапливать или собирать электричество.

Такие приборы называются конденсаторами.

Возьмем несколько различных конденсаторов и присоединим их параллельно, например, к батарее в 80 вольт напряжением. Обкладки конденсаторов сейчас же получат заряды от полюсов батареи и зарядятся до того же напряжения, что и у батареи.

Отсоединяя теперь поочередно конденсаторы, не касаясь их контактов руками, будем касаться ими до зажимов чувствительного прибора. При этом мы заметим следующее: в момент присоединения конденсатора к прибору проскочит искорка, сопровождаемая более или менее громким треском, и прибор даст мгновенное отклонение стрелки ¹). Так как эти отклонения будут различны, мы заключаем, что заряды разных конденсаторов, полученные от одной и той же батареи, будут различны, т.-е. одни конденсаторы получат большее количество электричества, другие — меньшее.

Электроемкостью, или, как говорят чаще, емкостью конденсатора, называется способность его воспринимать большее или меньшее количество электричества.

Для измерения емкостей установлена единица, т.-е. определенная емкость, называемая фарадой.

Емкостью в 1 фараду обладает такой конденсатор, который, будучи заряжен до напряжения в один вольт, при разряде даст ток, средняя величина которого будет равна одному амперу, при длительности прохождения тока в одну секунду.

Фарада — емкость весьма большая, почему ее разделили на миллион частей, называя такую единицу микрофарадой.

Но для целей радиотехники часто и микрофарада является слишком большой. Поэтому чаще пользуются третьей единицей, называемой сантиметром.

Микрофарада равна девятистам тысячам сантиметров.

Деля число сантиметров на 900.000, мы превратим емкость, выраженную в сантиметрах, в микрофарады. А разделив число микрофарад на 1.000.000, мы выразим ту же емкость в фарадах.

Расчет емкости

Простейший конденсатор состоит из двух пластин любого металла, разделенных одна от другой слоем любого непроводника или изолятора, или жке, как иначе его называют, диэлектрика.

Рис. 1. Параллельное соединение конденсаторов.

Пусть мы имеем два совершенно одинаковых конденсатора с одинаковой емкостью — С₁ и С₂. Соединим их параллельно к батарее Б (рис. 1). Очевидно, что емкость такой соединенной группы будет вдвое больше, чем емкость одного конденсатора, так как два конденсатора, при заряде, получат две порции электричества.

Что у нас изменилось, когда мы присоединили второй конденсатор? Диэлектрик остался прежний, толщина его тоже.

Изменилась величина пластин, или, как их называют, обкладок — вдвое. Во столько же раз изменилась и емкость системы. Поэтому, если взять такой же диэлектрик, как у двух первых конденсаторов, но обкладки его увеличить по площади вдвое, то мы получим один конденсатор, но с емкостью вдвое большей.

Итак: емкость конденсатора зависит от величины обкладок. Чем площадь обкладок меньше, тем меньше емкость конденсатора. Чем площадь обкладок больше, тем больше емкость конденсатора.

Рис. 2. Последовательное соединение конденсаторов.

Теперь соединим два одинаковых конденсатора последовательно, как показано на рис. 2-a. Измерение показывает, что емкость такой группы стала вдвое меньше, чем у каждого конденсатора в отдельности. Что же у нас изменилось?

Будем сближать оба конденсатора их внутренними обкладками. Оказывается, что от этого емкость группы изменяться не будет. Она будет оставаться все время вдвое меньшей, чем емкость одного конденсатора. То же будет и тогда, когда внутренние обкладки конденсаторов соединятся между собой, как это изображено на рис. 2-б. И, наконец, то же самое будет, если мы выдернем внутренние обкладки, как это показано на рис. 2-в. Теперь нам ясно. что у нас изменилось: толщина диэлектрика. Она увеличилась вдвое, поэтому емкость уменьшилась вдвое.

Итак: емкость конденсатора уменьшается с увеличением толщины диэлектрика и, наоборот, увеличивается с уменьшением толщины диэлектрика, при условии, что площадь обкладок остается прежней.

Теперь возьмем конденсатор, у которого диэлектрик — воздух. Такой воздушный конденсатор имеет некоторую емкость. Вставим в промежуток между обкладками его диэлектрик из парафиновой бумаги такой же толщины, какой был слой воздуха. Измерение доказывает, что емкость парафинового конденсатора увеличилась в 2,2 раза. Если парафин заменить стеклом такой же толщины, емкость увеличится в 5—6 раз против емкости воздушного конденсатора.

Следовательно, емкость конденсатора зависит от химических свойств диэлектрика.

Величину, показывающую, во сколько раз увеличилась емкость воздушного конденсатора при замене воздуха каким-либо диэлектриком называют диэлектрической постоянной этого диэлектрика.

Диэлектрическую постоянную будем обозначать буквой К.

Таблица №1

Все вышеприведенные рассуждения можно свести в формулу, по которой легко производить расчет емкости разных конденсаторов.

В этой формуле буквой С обозначается, как принято, емкость; К — диэлектрическая постоянная; S — площадь одной обкладки, выраженная в квадратных сантиметрах, и d — толщина диэлектрика, выраженная в сантиметрах (длины): π — число, равное 3,14.

Для лучшего усвоения приведем

примеры

Пример 1. Конденсатор стеклянный. Толщина стекла 3 мм. Обкладок две, каждая 15 см. длины и 10 см ширины.

По таблице № 1 диэлектрическая постоянная для стекла K = от 4 до 8; примем за среднее K = 6. Площадь обкладки S = 15 × 10 = 150 кв. см.; толщина стекла d = 3 мм., что переводим в сантиметры и получим: d = 0,3 см. По формуле получим:

Пример 3. Стеклянная лейденская банка (см. рис. 3). Внутренний диаметр D = 5 см., высота обкладок h = 10 см; толщина стекла d = 2 мм. Так как наружная обкладка больше внутренней, то мы и привели внутренние размеры банки, так как при неравных по площади обкладках надо измерить меньшую из них.

Рис. 3. Лейденская банка.

Попрежнему: K = 6; d = 0,2 см. Площадь дна определяется по формуле, по которой рассчитывается сечение проводников (см. стр. 17).

Площадь цилиндрической части обкладки будет:

S = π · d · h = 3,14 · 5 · 10 = 157 кв. см.

Площадь всей внутренней обкладки будет: 19,6 + 157 = 176,6 кв. см.

Пример 3. Конденсатор парафиновый. Число пластин 10. Размер станиолевых листочков 3 × 9 см.

Рис. 4. Как определяется площадь пластины.

Для определениия толщины листка парафиновой бумаги, разрежем один листок на части, зажмём их между двумя досочками и измерим, сколько листочков приходится на 1 мм. Предположим 13. Тогда толщина диэлектрика будет ¹/13 мм, что, превратив в сантиметры, получим ¹/130 см. K — для парафина по табл. № 1 будет = 2,2. За площадь одного листа станиоля надо принять ту часть его, которая перекрывается следующим листком (см. рис. 4). Следовательно, длина его будет, напр., 6 см. Площадь одного листка будет 3 × 6 = 18 кв. см. Если бы листков было 2, то площадь обкладки равнялась бы 18 кв. см. Если листков взять 3 (см. рис. 4), то листок второй дает с первым площадь 18 кв. см., но он же дает такую же площадь и с третьим, следовательно, при 3 листках площадь будет вдвое больше и т. д. При десяти листках площадь будет в 9 раз больше. Следовательно, S = 9 . 18 = 162 кв. см., откуда:

Для подсчета емкости конденсатора, состоящего из нескольких пластин, можно воспользоваться и такой формулой.

где S₁ — площадь одной пластины, а n — число пластин. В последнем примере S₁ = 18 кв. см.; n = 10, следов., n — 1 = 10 — 1 = 9, тогда по форм. (2) имеем:

т.-е. такой же результат, как и раньше.

Разобранные три примера поясняют все случаи расчетов емкости различных типов конденсаторов.

Мы умеем рассчитать конденсатор. Это важно при постройке его, чтобы иметь представление каких размеров его строить для данной емкости.

Но мы видели, что стекло различных сортов имеет диэлектрическую постоянную от 4 до 8. То же бывает и с другими электриками. Значит, мы можем произвести ошибку из-за величины K. Но, кроме того, мы можем ошибиться и при определении толщины диэлектрика или размеров пластинок. Следовательно, нам надо проверить наш расчет, произведя измерение емкости конденсатора, к чему мы и перейдем, дав представление о том, как ведет себя конденсатор в разных электрических цепях.