В принципе конденсатор устроен очень просто — в нем имеются две металлические пластины, между которыми находится тонкий слой изолятора (рис. 21, а). От пластин — их часто называют обкладками — сделаны проволочные выводы, с помощью которых конденсатор можно включить в электрическую цепь. В качестве изолятора могут применяться самые различные вещества, но чаще других встречаются воздушные, слюдяные, керамические, бумажные и стиррофлексные конденсаторы. Вы уже, наверное, догадались, что в данном случае название конденсаторов говорит о том, какое изолирующее вещество находится между обкладками. Иногда в название включают еще и особенности конструкции. Например, название КДК относится к керамическому конденсатору с обкладками в виде плоских дисков. В керамическом конденсаторе КТК, обкладки выполнены в виде двух вставленных одна в другую концентрических трубок, между которыми находится тонкий слой керамики.
Включение конденсатора в цепь постоянного тока равносильно разрыву этой цепи — через изолирующую прослойку, а значит и через весь конденсатор ток пройти не сможет. Но из этого совсем не следует, что конденсатор можно приравнять к обычному выключателю. Истинное назначение конденсатора — слово это означает «накопитель» — станет ясным, если мы посмотрим, какие изменения происходят в самом конденсаторе после его включения в цепь.
Рис. 21
Прежде всего, конденсатор зарядится от батареи и на обкладках его накопятся избыточные заряды (рис. 21, б). С этой обкладки, которая подключена к плюсу батареи, уйдут свободные электроны, и на этой обкладке появится положительный заряд. На другой обкладке, наоборот, окажется «—», так как туда, естественно, хлынут свободные электроны с «минуса» батареи. Эти заряды сохранятся на обкладках и после отключения конденсатора (рис. 21, в). А куда им деваться? Обкладки изолированы от всего мира и никуда свободные заряды с них уйти не могут. Кроме того, положительные и отрицательные заряды, скопившиеся на обкладках, через изолирующую прослойку притягивают друг друга. Само собой разумеется, что такое взаимное притяжение осуществляется через электрическое поле, которое в основном образуется между обкладками. В этом поле сосредоточены запасы энергии, которые конденсатор успел получить у батареи.
* * *
ПОПУЛЯРНАЯ ЕДИНИЦА
Единицу измерения децибел (дб) вы можете встретить повсюду — там, где идет речь о токе, напряжении, мощности, звуковом давлении, усилении, ослаблении, там, где нужно дать характеристику выпрямителю, антенне, фильтру, контуру, усилителю… Такая универсальность объясняется тем, что децибел не относится только к току, только к напряжению или только к мощности. Он характеризует отношение двух величин, то есть показывает, во сколько раз (вторая и третья строка таблицы) одна из них больше или меньше другой.
В децибелах очень удобно выражать неравномерность частотной характеристики, избирательные свойства контура, эффективность фильтров, подавление фона, усиление или ослабление. В последнем случае знак плюс говорит о том, что происходит усиление, знак минус — ослабление сигнала.
* * *
Заряды, накопившиеся на обкладках, притягивают друг друга, но встретиться никак не могут — не в силах преодолеть сопротивление изолирующей прослойки. Ну а что, если им помочь? Что, если соединить обкладки просторной дорожкой — проводником? Конечно, в этом случае электрическое поле заработает вовсю — оно двинет свободные электроны по проводнику на ту обкладку, где их не хватает, то есть на обкладку, заряженную положительно. При этом в цепи, так же как и во время заряда, появится кратковременный ток, который прекратится, как только конденсатор полностью разрядится и на его обкладках не останется лишних зарядов (рис. 21, г).
Сейчас мы вплотную подошли к очень важному свойству конденсатора — он пропускает переменный ток и поэтому может использоваться для разделения постоянных и переменных составляющих. Кроме того, он по-разному реагирует на переменные токи различной частоты и формы и поэтому может использоваться для отделения одних переменных токов от других. Однако прежде чем пояснить и комментировать эти свойства, еще несколько слов о самом конденсаторе.
Как вы думаете, от чего зависит количество зарядов, накопившихся на обкладках? Да, правильно — от напряжения, приложенного к конденсатору. Чем больше это напряжение, тем больше зарядов «втиснет» батарея на обкладки. Но напряжение — еще не все. Многое зависит и от устройства самого конденсатора, в частности, от площади его обкладок, расстояния между ними и материала, из которого сделана изолирующая прослойка. Чем больше обкладки, тем больше зарядов разместится на них при одном и том же напряжении батареи. Чем меньше расстояние между обкладками, тем сильнее заряды притягивают друг друга, тем опять-таки больше этих зарядов сможет удержать конденсатор. Ну и, наконец, изолятор — от его свойств зависит концентрация электрического поля между обкладками, а это паче, как уже говорилось, главное действующее лицо в процессе накопления зарядов. Так, например, если в конденсатор с воздушной прослойкой вставить особый вид керамики — титанат бария, то поле между обкладками усилится в несколько тысяч раз и в такое же число раз возрастет количество накопленных зарядов.
Способность конденсатора накапливать заряды характеризуется специальным коэффициентом — электрической емкостью. Единицей емкости является фарада (ф). Такой емкостью обладает конденсатор, который под действием напряжения в 1 в накапливает заряд в 1 к. Вместо слова «обладает» правильней сказать «обладал бы» — фарада настолько большая величина, что конденсаторов с такой емкостью практически не существует. На практике мы имеем дело с конденсаторами, емкость которых измеряется микрофарадами (мкф, миллионная часть фарады) и пикофарадами (пф, миллионная часть микрофарады).
Емкость конденсатора сокращенно обозначается буквой С. Этой же буквой на схемах и чертежах обозначаются и сами конденсаторы.
Кроме емкости, у конденсатора есть еще одна характеристика, с которой нам полезно познакомиться. Это так называемое рабочее напряжение. Оно оговаривает условия, в которых конденсатор может безопасно работать. Если подвести к конденсатору напряжение больше допустимого, то может произойти пробой — диэлектрик разрушится, между обкладками проскочит импульс тока, обкладки на каком-то участке расплавятся и соединятся друг с другом накоротко. Конденсатор превратится в обычный проводник.
Самое главное, на что вам следовало обратить внимание, так это на неточность заявления, что включение конденсатора в цепь приравнивается к разрыву этой цепи. В разорванной цепи тока не бывает, а вот в цепи, куда включен конденсатор, мы сами дважды наблюдали движение зарядов. Первый раз когда происходил заряд конденсатора, второй раз — во время его разряда. Для того, чтобы было легче вывести из этих частных случаев общее правило, проделаем еще один мысленный эксперимент. Возьмем цепь, с которой мы начинали (батарейка, лампочка, конденсатор), и каким-нибудь «волшебным» способом увеличим напряжение батареи. При этом к обкладкам двинутся дополнительные заряды, и в цепи опять появится кратковременный ток. Уменьшим напряжение, и некоторая часть зарядов вернется обратно к батарее — в цепи снова появится импульс тока, но уже обратного направления.
Теперь уже общее правило напрашивается само собой — при всяком изменении напряжения в цепи, где имеется конденсатор, будет наблюдаться ток. Заметьте — это очень важно — ток появляется только при изменении напряжения.