Л. — Зарядный ток, который ты так хорошо описал, останавливается, как только конденсатор зарядится. Вначале этот ток имеет большую величину. Но по мере нарастания заряда движение электронов затрудняется, так как обосновавшиеся на отрицательной обкладке электроны отталкивают те, которые хотят туда проникнуть. А электронов, покидающих положительную обкладку, становится все меньше.
Н. — А что произойдет, если после того, как конденсатор полностью зарядится, мы отключим батарею?
Л. — Очень просто, заряд останется на обкладках. При желании ты можешь разрядить конденсатор, подключив к его обкладкам резистор или простой проводник (рис. 25). Тогда избыточные электроны с одной из обкладок перейдут на другую; это движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока не установится равновесие.
Рис. 25. Конденсатор, разряжающийся через резистор.
Н. — У меня возникает вопрос, нельзя ли сравнить конденсатор с двумя резервуарами, разделенными эластичной резиновой мембраной? Если насос повышает давление воздуха в одном из резервуаров и снижает в другом, то это соответствует заряду конденсатора. Насос останавливается, когда разница давлений достигает некоторого предела, который зависит от размера резервуаров и эластичности мембраны. Теперь наш конденсатор заряжен. Насколько обоснованно такое мое сравнение?
Л. — В основных чертах оно правильное. Но имеется одно различие. В каждом из твоих резервуаров давление во всех точках одинаковое. А на обкладках конденсатора заряды расположены неравномерно. На той стороне обкладки, которая смотрит на другую обкладку, самая высокая плотность электронов, а на противоположной стороне — самая низкая (рис. 26). Ведь в электричестве учитывается не только «давление», создаваемое источником напряжения, но и притяжение зарядов противоположной полярности. Тогда как в твоих резервуарах играет роль только одна сила — давление, создаваемое насосом.
Рис. 26. Распределение зарядов на обкладках конденсатора.
Величина емкости
Н. — А что же определяет емкость конденсатора? Это уже не изолированный проводник, обладающий очень малой емкостью. Здесь притяжение между обкладками, несомненно, обеспечивает значительный прирост зарядов, которые эти обкладки способны удержать.
Л. — Справедливо. Теперь тебе легче понять, что емкость тем больше, чем обширней поверхность обкладок, расположенных одна против другой. Учитывая эффект притяжения, ты также поймешь, что чем ближе сведены обкладки, тем больше емкость конденсатора.
Н. — Так, значит, емкость пропорциональна площади обкладок, расположенных одна напротив другой, и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Здесь мы еще раз видим чисто геометрическое отношение.
Л. — Не совсем так, Незнайкин. Имеется еще третий участвующий в игре фактор. И твое сравнение с резервуарами поможет легко его понять. В примере с резервуарами наряду с объемом резервуаров и толщиной мембраны имела значение и эластичность материала, из которого она сделана.
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.
Конденсаторы постоянной, переменной емкости и подстроенные
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.
Прохождение переменного тока
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.
