4.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ. КОНДЕНСАТОРЫ

Рассмотрим более подробно электрическое поле, заряды и разность потенциалов (напряжение) в системе двух заряженных тел, отделенных друг от друга изоляцией.

При этом будем все время считать, что заряд одного тела равен и противоположен заряду другого тела. Это последнее условие всегда выполняется, если заряд этим двум телам сообщается посредством их соединения с разными полюсами одного и того же источника напряжения. На рис. 4.9 в качестве таких двух тел изображены две параллельные металлические пластины с малым расстоянием между ними.

Рис. 4.9. Две параллельные изолированные металлические пластины присоединены к источнику напряжения. Эти пластины образуют простейший конденсатор

Рис. 4.10. Бумажный конденсатор

Мы знаем, что чем больше заряд, тем больше сила создаваемого им поля. Но, увеличивая напряженность поля, мы, конечно, увеличиваем и напряжение: чем больше сила, тем больше и работа, если, конечно, путь остался прежним.

Из сказанного можем сделать такое заключение: рассматривая любую пару разноименно заряженных изолированных тел, мы найдем, что в любой точке их поля напряженность прямо пропорциональна их заряду. Но это значит, что и напряжение между ними (разность потенциалов) прямо пропорционально заряду.

Отношение заряда q к напряжению U, остающееся неизменным для данной пары изолированных тел, называется их электрической емкостью:

Принятое буквенное обозначение емкости — С. Пользуюсь им, можно написать такую формулу:

В случае параллельных пластин емкость тем больше, чем больше площадь пластин и чем меньше расстояние между пластинами.

В самом деле, увеличивая только площадь пластин, мы увеличиваем область, занятую полем. Если при этом разность потенциалов, а следовательно, и напряженность поля поддерживать постоянными, то нужно добавочную площадь покрыть добавочными зарядами.

Если оставить неизменной площадь пластин и их заряд, - то при сближении или раздвигании лластйн напряженность поля изменяться не будет: между параллельными пластинами напряженность поля зависит только от их заряда.

Но при постоянстве напряженности поля разность потенциалов возрастает вместе с возрастанием расстояния между пластинами.

Если заряд q выражать в кулонах, а напряжение U — в вольтах, то; величина емкости окажется выраженной в фарадах (Ф). Миллионную долю фарада называют микрофарадом (мкФ).

Часто оказывается нужным применять еще меньшие единицы емкости: одну миллионную долю микрофарада называют пикофарадом (пФ):

Емкость двух параллельных пластин, если изоляцией служит воздух, вычисляется по формуле

здесь S — площадь одной пластины, — расстояние между пластинами, см.

При площади S = 50 см2 и расстоянии между пластинами d=0,1 см емкость конденсатора оказывается равной пикофарада, или .

При напряжении 200 В заряд на таких пластинах окажется равным .

Электрической емкостью обладают практически все элементы электрической цепи. Особенно большой емкостью обладают электрические кабели.

В электротехнике часто бывает нужно иметь между теми или иными точками цепи определенную емкость.

Для этого создают искусственные устройства, называемые конденсаторами. Простейший конденсатор сравнительно большой емкости можно устроить, увеличив площадь пластин и уменьшив расстояние между ними.

С этой целью берут две тонкие металлические ленты 2 (фольга, станиоль), прокладывают между ними для изоляции пропитанную парафином бумагу 1 и свертывают их в пакет (рис. 4.10). Емкость таких конденсаторов (их называют бумажными) обычно не превосходит миллионных долей фарада.

В качестве изоляции между металлическими лентами прокладывают также тонкие слюдяные листочки.

Очень большими емкостями обладают так называемые электролитические конденсаторы; в них изоляцией между электролитом и наружной металлической оболочкой служит тончайший слой окиси алюминия. Небольшой по размерам электролитический конденсатор может, быть изготовлен емкостью в десятки и сотни микрофарад.

Особенностью электролитического конденсатора является его пригодность только для определенной полярности приложенного напряжения — металлическая оболочка должна быть соединена с отрицательным полюсом, а электрод, соприкасающийся с электролитом, — с положительным полюсом. В противном случае пленка окиси разлагается проходящим током и ее изолирующие свойства нарушаются.

В радиотехнике широкое применение имеют воздушные конденсаторы с выдвижными пластинами: поворачивая рукоятку, изменяют взаимное перекрытие одной и другой группы пластин, тем самым изменяют ту часть поверхности пластин, которую можно считать образующей конденсатор.

Количество и разнообразие типов современных конденсаторов чрезвычайно велико — от самых маленьких, запрессованных в пластмассу, до конденсаторов высотой около 2 м, пригодных для напряжений в 100 тыс. В.

Заполняя различными изолирующими материалами пространство между одними и теми же электродами (скажем, между пластинами плоского конденсатора), легко убедиться в том, что емкость конденсатора может существенно изменяться.

Так, емкость возрастет в 7 раз, если между пластинами вместо воздуха поместить стекло.

Число, показывающее, во сколько раз увеличивается емкость при заполнении конденсатора данной изолирующей средой по сравнению с вакуумом (воздухом), называют относительной диэлектрической проницаемостью этой среды. Диэлектрическую проницаемость принято обозначать греческой буквой (эпсилон). Диэлектрическая проницаемость вакуума или электрическая постоянная равна

Легко понять, что полная и абсолютная диэлектрическая проницаемость среды определяется произведением относительной проницаемости на электрическую постоянную:

При определении относительной диэлектрической проницаемости величина емкости конденсатора сравнивается с емкостью тех же пластин при возможно тщательном удалении всякого вещества (т. е. при вакууме).

Однако опыт показывает, что заполнение пространства между пластинами воздухом практически не меняет емкости конденсатора,

Это позволяет определить относительную диэлектрическую проницаемость из сравнения емкости воздушного конденсатора с емкостью конденсатора, заполненного изучаемой изоляцией.

Ниже приведены значения для нескольких видов изоляции: