Глава седьмая. Электрическая емкость

§ 53. Электрическая емкость. Конденсаторы

Представим себе систему, состоящую из двух проводников, разделенных диэлектриком. Если проводникам сообщить одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды (+q и -q), то между проводниками будет определенная разность потенциалов или напряжение U.

Между зарядом q и напряжением U существует линейная зависимость: чем больше заряд q, тем больше величина U, и наоборот.

Отношение заряда проводников к напряжению между ними есть величина постоянная, называемая электрической емкостью:

Единица емкости - фарада. Это емкость такого устройства, которое заряжается 1 кулоном электричества при разности потенциалов в 1 вольт.

Обычно пользуются более мелкими единицами - микрофарадой (мкф) составляющей миллионную часть фарады:

и пикофарадой (пф), составляющей миллионную часть микрофарады:

Из вышесказанного следует, что величина емкости С определяет, сколько возрастет разность потенциалов при сообщении проводкам того или иного электрического заряда.

Емкостью принято также называть свойство проводящих тел накапливать и удерживать электрические заряды. Емкость в той или иной мере присуща различным электрическим устройствам. Во многих случаях емкость настолько значительна, что ее приходится принимать во внимание; например, емкость между проводами электрической линии, емкость проводов относительно земли и т. д.

В различных электроустановках для определенных целей, о которых подробно рассказывается далее, применяют специальные аппараты, обладающие значительной емкостью при относительно малых габаритах. Эти аппараты называются конденсаторами.

Простейшим по устройству является плоский конденсатор, состоящий из двух металлических пластин, разделенных слоем диэлектрика (рис. 109).

Рис. 109. Схема плоского конденсатора: 1 - диэлектрик, 2 - пластины

Как показывают измерения, емкость конденсатора увеличится, если увеличить поверхность обкладок или приблизить их одну к другой. На емкость конденсатора оказывает влияние также материал диэлектрика. Чем больше электрическая проницаемость диэлектрика, тем больше емкость конденсатора по сравнению с емкостью такого же конденсатора, диэлектриком в котором служит пустота (воздух).

Емкость плоского конденсатора определяют по формуле

где S - площадь пластин, м²;

d - толщина диэлектрика, м;

ε - относительная электрическая проницаемость диэлектрика.

Таким образом, для увеличения емкости плоского конденсатора нужно увеличить площадь его пластин S, уменьшить расстояние между ними d и в качестве диэлектрика применить материал с большой относительной электрической проницаемостью (ε).

Конденсаторы, емкость которых изменять нельзя, называются конденсаторами постоянной емкости.

Наиболее распространенные в настоящее время конденсаторы постоянной емкости состоят из очень тонких металлических листов (алюминиевая фольга) с парафинированной бумажной или слюдяной прослойкой между ними.

Для увеличения емкости (увеличения площади пластин конденсатора) чаще всего берут по нескольку станиолевых листов и соединяют их в две группы, входящие одна в другую и разделенные диэлектриком. Иногда также берут две длинные станиолевые пластины, прокладывают между ними и снаружи парафинированную бумагу и затем свертывают все в компактный пакет или в трубку. Конденсаторы большой емкости во многих случаях помещают в металлическую коробку и заливают парафином (рис. 110).

Рис. 110. Внешний вид конденсатора постоянной емкости

Конденсаторы, емкость которых можно менять, называются конденсаторами переменной емкости (рис. 111). Наиболее простой конденсатор переменной емкости имеет несколько медных или алюминиевых полудисков, соединенных между собой электрически и укрепленных неподвижно. Другой ряд таких же полудисков собран на общей оси. Между подвижными и неподвижными полудисками имеется воздушный зазор или расположены пластины из изоляционного материала. При повороте этой оси каждый из укрепленных на ней полудисков входит между двумя неподвижными полудисками. Поворачивая ось и меняя таким образом взаимное расположение подвижных и неподвижных полудисков, мы можем менять емкость конденсатора.

Рис. 111. Конденсатор переменной емкости: а - схема устройства, б - общий вид; 1 - неподвижные полудиски, 2 - подвижные полудиски

В радиотехнике применяются также электролитические конденсаторы. Эти конденсаторы изготовляют двух типов: жидкостные и сухие.

В жидкостных электролитических конденсаторах алюминиевую оксидированную пластину помещают внутрь металлического корпуса, который служит второй пластиной. В корпус заливают электролит, состоящий из раствора борной кислоты с некоторыми примесями.

Сухие электролитические конденсаторы изготовляют путем сворачивания трех лент. Одна лента представляет собой алюминиевую оксидированную фольгу (тонко раскатанный лист металла). Другой пластиной является лента из алюминиевой фольги. Между двумя металлическими лентами помещается бумажная или марлевая лента, пропитанная вязким электролитом. Плотно свернутые ленты помещаются в алюминиевый корпус и заливаются битумом. Тонкий оксидный изолирующий слой с высокой электрической проницаемостью (ε = 9) позволяет получить дешевые конденсаторы с большой удельной емкостью. Особенностью электролитических конденсаторов является недопустимость изменения их полярности. На рис. 112 дано обозначение конденсаторов на электрических схемах.

Рис. 112. Обозначение конденсаторов на электрических схемах: а - постоянной емкости, б - переменной емкости