Рассказав о резисторах перехожу к другой многочисленной группе пассивных элементов - конденсаторах. Конденсаторы были изобретены раньше, чем резисторы. Основная работа конденсатора - накопление электрических зарядов. И первым конденсатором была знаменитая Лейденская банка, которая была изобретена голландским учёным Питером ван Мушенбруком и его учеником Кюнеусом в 1745 году в Лейдене.
Если подсоединить металлический шар к одному из полюсов электрофорной машины, то электрические заряды будут накапливаться на внутреннем слое оловянной (алюминиевой тогда не было) фольги. Если отсоединить проводник, соединяющий машину шар банки, то заряды будут в ней "законсервированы". Если оставить банку в идеальных условиях (абсолютный вакуум или абсолютно сухой воздух), законсервированный заряд будет храниться вечно. Но ... ничего абсолютного в природе нет, поэтому заряд будет постепенно стекать. Но даже через несколько дней хранения я бы не рекомендовал, держа банку в одной руке за внешний слой фольги, коснуться шара ... А вот если куском провода предварительно замкнуть шар с внешним слоем фольги - то все станет безопасно.
Что же происходит? Вращая диски электрофорной машины мы затрачиваем энергию, с помощью которой происходит разделение электрических зарядов, а каждый электрический заряд окружает электрическое поле.
В самом простом случае конденсатор представляет две проводящие (металлические) пластины (обкладки), разделенные слоем диэлектрика. Диэлектрик не проводит электрический ток, но в той или иной степени обладает способностью к поляризации, т.е. способностью ориентировать свои молекулы вдоль силовых линий электрического поля.
Вот эту способность к поляризации и характеризует основное свойство диэлектрика - его диэлектрическая проницаемость. Чем выше способность к поляризации - тем выше диэлектрическая проницаемость. Так диэлектрическая проницаемость (ДП) вакуума равна 1, к ней близка ДП воздуха. Вот диэлектрическая проницаемость некоторых веществ, используемых в качестве диэлектрика в конденсаторах: сухая бумага -2,5-3; гетинакс - 5 - 6; стеклотекстолит - 5 - 5,5; полиэтилен - 2,3 - 2,4, слюда - 5,7 - 7; фарфор - 4,5 - 4,7; стекло - 4 - 16; специальная керамика для конденсаторов - 10 - 200. Есть особый тип диэлектриков, ДП которых более 500 и достигает нескольких тысяч - это сегнетоэлектрики.
Теперь немного математики. Вычислить емкость плоского конденсатора можно по формуле:
Или словами: емкость конденсатора С тем больше, чем больше площадь пластин (больше Лейденская банка :)), чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика и чем меньше его толщина. Все зависимости линейные, т.е., например, берем диэлектрик с ДП в два раза большей - и при тех же размерах обкладок получаем конденсатор с в два раза бОльшей емкостью, или ту же емкость с в два раза меньшей площадью пластин.
А после математики - к практике. Рассчитаем емкость конденсатора, образованного двумя слоями фольги двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. При площади пластин 262 см2, толщине диэлектрика 1 мм, диэлектрической проницаемости стеклотекстолита 5,5 получаем емкость конденсатора 1,217 нФ. Проверим!
Разница не велика! Чтобы не замыкать конденсатор крокодилами щупов LC-метра я с одной стороны подкладывал кусочек стеклотекстолита. А теперь попробуем сделать бумажный конденсатор. Его устройство просто: берем полоски бумаги и полоски фольги (чуть меньшего размера).
Накладываем полоски так, чтобы фольга выступала с боков, но не замыкалась.
Теперь этот "бутерброд" можно свернуть в трубочку.
Чтобы не замкнуть слои фольги, я подложил снизу, а также сверху еще по полоске бумаги и свернул в трубочку. А чтобы она не раскручивалась, скрепил ее изолентой.
Сравните размер куска фольгированного стеклотекстолита (рис. 3) и трубочки? За счет чего при таком размере (площадь алюминиевой фольги примерно в 4 раза меньше, чем стеклотекстолита) и примерно в два раза меньшей значении ДП такая большая емкость? Просто толщина бумаги в 10 раз меньше, чем стеклотекстолита. Давайте прикинем: 4 (площадь) умножить на 2 (ДП) и разделить на 10 (толщина) = 0,8.
Умножим 1,23 нФ на 0,8 и получим 0,98 нФ, почти точно совпадает, что показывает прибор на рис. 7.
Вот такие результаты. О типах конденсаторов, их свойствах и применении - в следующей статье.
Всем здоровья и успехов!