24 марта 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества физик и электротехник Александр Степанович Попов с помощью изобретенного им радиопередатчика продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м. Он передал азбукой Морзе [1] первую в мире радиограмму из двух слов: «Генрих Герц». Передача осуществлялась посредством электромагнитных волн радиодиапазона, т. е. была беспроводной. В то время это было воспринято как чудо.
Теперь мы настолько привыкли, что можем не только слышать, но и видеть то, что происходит за много километров от нас, что это не вызывает ни малейшего удивления. Тем не менее человеку любознательному и культурному интересно бывает хотя бы в общих чертах постичь суть окружающих нас явлений, узнать, как и почему они происходят. Чтобы понять физические процессы, лежащие в основе передачи и приема звука и изображения, сначала следует познакомиться с таким важным устройством, как конденсатор.
Конденсатор (от лат. condensator — тот, кто уплотняет, сгущает) — «то устройство, предназначенное для накопления заряда и энергии электрического поля.
На рисунке 144, а изображен простейший плоский конденсатор. Он состоит из двух одинаковых круглых металлических пластин (обкладок) 1 со стержнями 2, с помощью которых пластины укреплены в изолирующих штативах 3. Пластины расположены параллельно друг другу и разделены диэлектриком (в данном случае воздухом).
На рисунке 144, б показано, как обозначается конденсатор на схемах электрических цепей.
Существуют разные способы зарядки конденсатора. Можно, например, соединить его обкладки с источником постоянного напряжения, как показано на рисунке 145. При этом обкладки конденсатора заряжаются равными по величине, но противоположными по знаку зарядами (+q и -q). Под зарядом конденсатора понимается мо дуль заряда q одной из его обкладок.
Опыт показывает, что заряд q конденсатора прямо пропорционален напряжению U между его обкладками:
Коэффициент пропорциональности С называется электрической емкостью (электроемкостью, емкостью) конденсатора. Из формулы (1) следует, что
Единица электроемкости в СИ — фарад (Ф) — получила свое название в честь Майкла Фарадея, внесшего большой вклад в развитие электромагнетизма.
Согласно формуле (2)
т. е. 1 Ф равен емкости такого конденсатора, между обкладками которого возникает напряжение 1 В при сообщении конденсатору заряда 1 Кл.
Опыты показывают, что чем больше площадь S перекрытия пластин и чем меньше расстояние d между ними (рис. 146), тем больше емкость плоского конденсатора:
При внесении в пространство между обкладками стеклянной пластины емкость конденсатора увеличивается, следовательно, она зависит и от свойств используемого диэлектрика.
В ряде случаев для получения требуемой емкости несколько конденсаторов соединяют в батарею. На рисунке 147, а показана батарея из трех конденсаторов одинаковой емкости, соединенных параллельно. Эту батарею можно рассматривать как один конденсатор, площадь пластин которого втрое больше, чем у каждого из трех. Поскольку С ~ S, то емкость батареи (Сб) будет в три раза больше емкости одного конденсатора (Ск): Сб = 3Сн (при том что диэлектрик и расстояние между пластинами остались прежними).
Понятно, что емкость батареи из п одинаковых параллельно соединенных конденсаторов определяется по формуле Сб = nСк, а если емкости конденсаторов различны, то емкость батареи равна их сумме: Сб = С1 + С2 + С3 + … + Сn.
Вы знаете, что заряженные тела создают в пространстве вокруг себя электрическое поле и взаимодействуют друг с другом посредством этих полей.
Силовой характеристикой электрического поля служит напряженность .
Для получения наглядного представления о величине и направлении напряженности электрического поля в любой точке пространства (как и для индукции магнитного поля) пользуются воображаемыми линиями (рис. 148), которые называются линиями напряженности или силовыми линиями электрического поля.
Касательные к этим линиям в любой их точке совпадают с напряженностью в этой точке. Там, где напряженность поля больше, линии гуще.
Линии напряженности электрического поля начинаются на положительных зарядах и либо уходят в бесконечность (рис. 148, б), либо заканчиваются на отрицательных зарядах (рис. 148, а, в). Мы видим, что линии поля плоского конденсатора параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Значит поле такого конденсатора однородно.
Поле сосредоточено в пространстве между обкладками, если их размеры значительно больше расстояния между ними (см. рис. 148, в).
При зарядке конденсатора внешними силами совершается работа по разделению положительных и отрицательных зарядов. По закону сохранения энергии работа внешних сил равна энергии поля конденсатора. При разрядке конденсатора за счет этой энергии может быть совершена работа.
Убедимся в этом на опыте. Соберем электрическую цепь из источника постоянного тока (ИПТ), конденсатора (К), лампы (Л) и переключателя (П), как показано на рисунке 149. Чтобы зарядить конденсатор, подключим его и источнику тока, поставив переключатель в положение 1. Через некоторое время переведем переключатель в положение 2, замкнув цепь с конденсатором и лампой.
В результате разрядки конденсатора через лампу пройдет ток, и мы увидим кратковременную вспышку. При вспышке раскаленная током нить накала лампы выделяет энергию в виде света и тепла. Значит, потенциальная энергия электрического поля конденсатора преобразовалась во внутреннюю энергию нити накала и излучилась в виде света и тепла.
Энергию электрического поля конденсатора можно рассчитать по формуле:
Из формулы (5) следует, что энергия конденсатора данной ёмкости тем больше, чем больше его заряд.
По типу используемого диэлектрика различают воздушные, бумажные, керамические, оксидно-электролитические, слюдяные и другие конденсаторы.
На рисунке 150 вы видите бумажный (1), электролитический (2) и керамический конденсаторы (3).
В бумажном конденсаторе обкладками служат две одинаковые бумажные ленты из металлической фольги, между которыми в качестве диэлектрика проложена лента из парафинированной бумаги. Все три ленты плотно скручены в рулон и помещены в металлический корпус. При сравнительно небольших габаритах бумажный конденсатор обладает довольно большой емкостью за счет большой площади пластин.
При включении бумажного конденсатора в цепь нет необходимости соблюдать полярность, так как его обкладки совершенно одинаковы.
В оксидно-электролитическом конденсаторе диэлектриком является очень тонкая оксидная пленка, нанесенная на металлическую пластину, являющуюся одной из обкладок. Роль второй обкладки играет электролит, контактирующий с металлическим корпусом. Оксидно-электролитические конденсаторы бывают полярными и неполярными. У полярных центральный электрод, обозначенный знаком «+», соединяют с положительным полюсом источника, а корпус, являющийся вторым электродом, — с отрицательным полюсом (при неправильном включении оксидная пленка разрушается).
В миниатюрных керамических конденсаторах тонкий проводящий слой (обкладки) наносят на керамический цилиндр (изолятор). Необходимо знать, что чем тоньше изоляция, тем меньшее напряжение она выдерживает. Поэтому на корпусе конденсатора обычно указывается его номинальное напряжение (при котором исключается интенсивное старение диэлектрика в течение гарантированного срока службы конденсатора). Указывается также емкость конденсатора.
Конденсаторы применяют, например, в лампах-вспышках, лазерах и других устройствах. Широкое применение они нашли в радиотехнике.
В радиотехнических устройствах часто используются конденсаторы переменной емкости (рис. 151, а). Изменение емкости в таком конденсаторе достигается изменением площади перекрытия обкладок. Он состоит из системы неподвижных пластин — статора 1 и системы подвижных пластин — ротора 2, которые поворотом ручки 3 можно вращать вокруг оси. Для увеличения емкости пластины ротора вдвигают в пространство между пластинами статора, увеличивая площадь перекрытия; для уменьшения емкости пластины выдвигают. Условное обозначение конденсатора переменной емкости представлено на рисунке 151, б.
Домашнее задание:
I. Учить конспект в тетради
II. Ответить на вопросы
1. Для чего предназначен конденсатор?
2. Что представляет собой простейший конденсатор? Как он обозначается на схемах?
3. Что понимают под зарядом конденсатора?
4. От чего и как зависит емкость конденсатора?
5. По какой формуле определяется энергия заряженного конденсатора?
6. Как проводился опыт, изображенный на рисунке 149? Что он доказывает?
7. Расскажите об устройстве и действии конденсатора переменной емкости. Где он нашел наиболее широкое применение?
III. Решить задачи
1. За какой промежуток времени каждый радиосигнал радиограммы, передаваемой А. С. Поповым, доходил до приемного устройства?
2. Конденсатор емкостью 1 мкФ зарядили до напряжения 100 В. Определите заряд конденсатора.
3. Как изменится емкость плоского конденсатора при уменьшении расстояния между обкладками в 2 раза?
4. Докажите, что энергию поля Еэл плоского конденсатора можно определять по формуле .
5. Три конденсатора соединены параллельно. Емкость одного из них равна 15 мкФ, другого — 10 мкФ, а третьего — 25 мкФ. Определите емкость батареи конденсаторов.
[1] Телеграфный код. в котором каждая буква (знак) представлена своей комбинацией коротких посылок электрического тока (точек) и посылок утроенной продолжительности (тире).