-->
|
|
|
Ãëàâà 1. Ýëåêòðîñòàòèêà § 1.25. Êîíäåíñàòîðû
Êîíäåíñàòîð* ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äâà ïðîâîäíèêà, ðàçäåëåííûå ñëîåì äèýëåêòðèêà, òîëùèíà êîòîðîãî ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàçìåðàìè ïðîâîäíèêîâ. Ïðîâîäíèêè â ýòîì ñëó÷àå íàçûâàþò îáêëàäêàìè êîíäåíñàòîðà. * Îò ëàò. condenso — ñãóùàþ, óïëîòíÿþ.  äàííîì ñëó÷àå — ñãóñòèòåëü ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà. Ïðîñòåéøèé ïëîñêèé êîíäåíñàòîð ñîñòîèò èç äâóõ îäèíàêîâûõ ïàðàëëåëüíûõ ïëàñòèí, íàõîäÿùèõñÿ íà ìàëîì ðàññòîÿíèè äðóã îò äðóãà (ðèñ. 1.97). Åñëè çàðÿäû ïëàñòèí îäèíàêîâû ïî ìîäóëþ è ïðîòèâîïîëîæíû ïî çíàêó, òî ïî÷òè âñå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ñîñðåäîòî÷åíî âíóòðè êîíäåíñàòîðà. Ëèíèè íàïðÿæåííîñòè íà÷èíàþòñÿ íà ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîé îáêëàäêå êîíäåíñàòîðà è îêàí÷èâàþòñÿ íà îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííîé. Ó ñôåðè÷åñêîãî êîíäåíñàòîðà, ñîñòîÿùåãî èç äâóõ êîíöåíòðè÷åñêèõ ñôåð (ðèñ. 1.98), âñå ïîëå ñîñðåäîòî÷åíî ìåæäó îáêëàäêàìè.
Äëÿ çàðÿäêè êîíäåíñàòîðà íóæíî ïðèñîåäèíèòü åãî îáêëàäêè ê ïîëþñàì èñòî÷íèêà íàïðÿæåíèÿ, íàïðèìåð ê ïîëþñàì áàòàðåè àêêóìóëÿòîðîâ. Ìîæíî òàêæå ñîåäèíèòü îäíó îáêëàäêó ñ ïîëþñîì áàòàðåè, äðóãîé ïîëþñ êîòîðîé çàçåìëåí, à âòîðóþ çàçåìëèòü. Òîãäà íà çàçåìëåííîé îáêëàäêå îñòàíåòñÿ çàðÿä, ïðîòèâîïîëîæíûé ïî çíàêó è ðàâíûé ïî ìîäóëþ çàðÿäó äðóãîé îáêëàäêè. Òàêîé æå ïî ìîäóëþ çàðÿä óéäåò â çåìëþ. Ïîä çàðÿäîì êîíäåíñàòîðà ïîíèìàþò àáñîëþòíîå çíà÷åíèå çàðÿäà îäíîé èç îáêëàäîê. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó îáêëàäêàìè êîíäåíñàòîðà ïðîïîðöèîíàëüíà íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ âíóòðè åãî. Íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ, ñîçäàííîãî ïëàñòèíàìè, â ñâîþ î÷åðåäü ïðîïîðöèîíàëüíà çàðÿäó ïëàñòèí. Ïîýòîìó îòíîøåíèå çàðÿäà q îäíîãî èç ïðîâîäíèêîâ (íà äðóãîì íàõîäèòñÿ òàêîé æå ïî ìîäóëþ çàðÿä) ê ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ýòèì ïðîâîäíèêîì è ñîñåäíèì íå çàâèñèò îò çàðÿäà. Îíî îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü ãåîìåòðè÷åñêèìè ðàçìåðàìè ïðîâîäíèêîâ, èõ ôîðìîé è âçàèìíûì ðàñïîëîæåíèåì, à òàêæå ýëåêòðè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè îêðóæàþùåé ñðåäû (äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòüþ å). Ýòî ïîçâîëÿåò ââåñòè ïîíÿòèå ýëåêòðè÷åñêîé åìêîñòè äâóõ ïðîâîäíèêîâ è, ñëåäîâàòåëüíî, åìêîñòè êîíäåíñàòîðà. Ýëåêòðîåìêîñòüþ êîíäåíñàòîðà íàçûâàþò îòíîøåíèå çàðÿäà îäíîãî èç ïðîâîäíèêîâ ê ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ýòèì ïðîâîäíèêîì è ñîñåäíèì:
Âûðàæàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ åìêîñòü êîíäåíñàòîðà â òåõ æå åäèíèöàõ, ÷òî è åìêîñòü óåäèíåííûõ ïðîâîäíèêîâ. ×åì ìåíüøå íàïðÿæåíèå U ïðè ñîîáùåíèè îáêëàäêàì êîíäåíñàòîðà çàðÿäîâ +|q| è -|q|, òåì áîëüøå åìêîñòü êîíäåíñàòîðà. Íà îáêëàäêàõ ìîæíî íàêîïèòü áîëüøèå çàðÿäû, íå âûçûâàÿ ïðîáîÿ äèýëåêòðèêà. Ýëåêòðè÷åñêèå ïîëÿ îêðóæàþùèõ òåë ïî÷òè íå ïðîíèêàþò âíóòðü êîíäåíñàòîðà ñêâîçü åãî ìåòàëëè÷åñêèå îáêëàäêè è íå âëèÿþò íà ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó íèìè. Ïîýòîìó åìêîñòü êîíäåíñàòîðà ïðàêòè÷åñêè íå çàâèñèò îò íàëè÷èÿ âáëèçè íåãî êàêèõ-ëèáî òåë. Ïåðâûé êîíäåíñàòîð, íàçâàííûé ëåéäåíñêîé áàíêîé, áûë ñîçäàí â ñåðåäèíå XVII â. Áûëî îáíàðóæåíî, ÷òî ãâîçäü, âñòàâëåííûé â ñòåêëÿííóþ áàíêó ñ ðòóòüþ, íàêàïëèâàåò áîëüøîé ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä. Ðòóòü ñëóæèëà îäíîé îáêëàäêîé êîíäåíñàòîðà, à ëàäîíè ýêñïåðèìåíòàòîðà, äåðæàâøåãî áàíêó, äðóãîé. Âïîñëåäñòâèè îáå îáêëàäêè ñòàëè äåëàòü èç òîíêîé ëàòóíè èëè ñòàíèîëÿ. Ýëåêòðè÷åñêàÿ åìêîñòü ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðàÏîëó÷èì ôîðìóëó äëÿ âû÷èñëåíèÿ åìêîñòè ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà. Îáîçíà÷èì ïëîùàäü êàæäîé åãî ïëàñòèíû S, à ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè d. Âûðàçèì ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ U ÷åðåç çàðÿä q. Ýòà ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ îïðåäåëÿåòñÿ íàïðÿæåííîñòüþ ïîëÿ Å, êîòîðàÿ çàâèñèò îò çàðÿäîâ îáêëàäîê êîíäåíñàòîðà. Íàïðÿæåííîñòü ïîëÿ Å1, ñîçäàííîãî îäíîé èç ïëàñòèí, âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå (1.12.4). Íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ ïîëîæèòåëüíî è îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûõ ïëàñòèí ðàâíû ïî ìîäóëþ è íàïðàâëåíû âíóòðè êîíäåíñàòîðà â îäíó è òó æå ñòîðîíó. Ïîýòîìó ìîäóëü ðåçóëüòèðóþùåé íàïðÿæåííîñòè ðàâåí:
Ôîðìóëà äëÿ åìêîñòè êîíäåíñàòîðà çàïèøåòñÿ â ÑÈ áîëåå êîìïàêòíî, åñëè âìåñòî êîýôôèöèåíòà k èñïîëüçîâàòü åãî âûðàæåíèå â âèäå (1.3.5):
Ïîäñòàâëÿÿ ýòî âûðàæåíèå â ôîðìóëó (1.25.1) è ñîêðàùàÿ íà q, ïîëó÷èì åìêîñòü ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà â ÑÈ:
 àáñîëþòíîé ñèñòåìå åäèíèö êîýôôèöèåíò â ôîðìóëå (1.25.2) k = 1. Ñ ó÷åòîì ýòîãî åìêîñòü ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà â àáñîëþòíîé ñèñòåìå åäèíèö ðàâíà:
Ìû âèäèì, ÷òî ýëåêòðîåìêîñòü êîíäåíñàòîðà çàâèñèò îò ãåîìåòðè÷åñêèõ ôàêòîðîâ: ïëîùàäè ïëàñòèí è ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè, à òàêæå îò ýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ ñðåäû. Îíà íå çàâèñèò îò ìàòåðèàëà ïðîâîäíèêîâ: îáêëàäêè êîíäåíñàòîðà ìîãóò áûòü æåëåçíûìè, ìåäíûìè, àëþìèíèåâûìè è ò. ä. Óáåäèìñÿ íà îïûòå â ñïðàâåäëèâîñòè ôîðìóëû (1.25.3), ïîëó÷åííîé òåîðåòè÷åñêè. Äëÿ ýòîãî âîçüìåì êîíäåíñàòîð, ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè êîòîðîãî ìîæíî èçìåíÿòü, è ýëåêòðîìåòð ñ çàçåìëåííûì êîðïóñîì (ðèñ. 1.99). Ñîåäèíèì êîðïóñ è ñòåðæåíü ýëåêòðîìåòðà ñ ïëàñòèíàìè êîíäåíñàòîðà ïðîâîäíèêàìè è çàðÿäèì êîíäåíñàòîð. Äëÿ ýòîãî íóæíî êîñíóòüñÿ íàýëåêòðèçîâàííîé ïàëî÷êîé ïëàñòèíû êîíäåíñàòîðà, ñîåäèíåííîé ñî ñòåðæíåì. Ýëåêòðîìåòð ïîêàæåò ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ïëàñòèíàìè. Ðàçäâèíóâ ïëàñòèíû, ìû îáíàðóæèì óâåëè÷åíèå ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ. Ñîãëàñíî îïðåäåëåíèþ ýëåêòðîåìêîñòè [ñì. ôîðìóëó (1.25.1)] ýòî óêàçûâàåò íà åå óìåíüøåíèå.  ñîîòâåòñòâèè ñ çàâèñèìîñòüþ (1.25.3) åìêîñòü äåéñòâèòåëüíî äîëæíà óìåíüøàòüñÿ ñ óâåëè÷åíèåì ðàññòîÿíèÿ ìåæäó ïëàñòèíàìè. Âñòàâèâ ìåæäó îáêëàäêàìè êîíäåíñàòîðà ïëàñòèíó èç äèýëåêòðèêà, íàïðèìåð èç îðãàíè÷åñêîãî ñòåêëà, ìû îáíàðóæèì óìåíüøåíèå ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ. Ñëåäîâàòåëüíî, åìêîñòü êîíäåíñàòîðà óâåëè÷èâàåòñÿ. Ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè d ìîæåò áûòü î÷åíü ìàëûì, à ïëîùàäü S è äèýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîíèöàåìîñòü äîñòàòî÷íî áîëüøèìè. Ïîýòîìó ïðè íåáîëüøèõ ðàçìåðàõ êîíäåíñàòîð ìîæåò èìåòü áîëüøóþ ýëåêòðè÷åñêóþ åìêîñòü. Âïðî÷åì, ïëîñêèé êîíäåíñàòîð åìêîñòüþ â 1 Ô äîëæåí áûë áû èìåòü ïëîùàäü ïëàñòèí S = 100 êì2 ïðè ðàññòîÿíèè ìåæäó ïëàñòèíàìè d = 1 ìì.
|
|
|