Конденсатор, электрический

Определение "Конденсатор, электрический" в словаре Брокгауза и Ефрона

Конденсатор, электрический — прибор, служащий для скопления на поверхности небольшого объема вещества большого количества электричества без значительного повышения при этом напряжения электричества в теле. Одно и то же количество электричества, будучи придано различным телам, вызовет в них неодинаковое повышение напряжения, подобно тому, как одно и то же количество тепла повысит температуру различных тел на различное число градусов. Обратно, чтобы повысить напряжение (потенциал) различных тел на одну и ту же величину, нужны различные количества электричества, для одних тел весьма малые, для других весьма большие. О первых телах говорят, что они обладают малой электрической емкостью, о вторых, что их электрическая емкость весьма велика. Вообще же, электроемкость тела определяется тем количеством единиц электричества — кулонов (см.), которые следует придать телу, чтобы повысить его потенциал на единицу электрического потенциала — на один вольт. Поэтому за единицу электрической емкости принята емкость тела, которому нужно придать один кулон, чтобы повысить потенциал его на один вольт. Эта единица емкости в честь английского ученого Фарадея названа одной фарадой.

Итак, если некоторому телу необходимо придать n кулонов для того, чтобы повысить его потенциал на 1 вольт, 2 n — чтобы повысить на 2 вольта и т. д., то емкость этого тела будет n фарад. Емкость каждого отдельно взятого тела зависит от геометрической его формы и от его размеров, но нисколько не зависит ни от вещества, из которого оно приготовлено, ни от массы тела. Так, емкости свинцового и алюминиевого шара того же диаметра, массивных или полых, равны, но емкость свинцового шара изменится, когда мы его массу расплющим и придадим ей форму эллипсоида. Нет общего закона, который просто давал бы зависимость между формой и размерами тела и его емкостью. Наиболее простому закону следует шар, емкость которого пропорциональна его радиусу. Пользуясь этим можно за единицу емкости принять емкость шара радиусом в 1 см. Эта единица емкости называется абсолютной теоретической единицей и в 900000000000 раз меньше одной фарады. Отсюда видим, что для емкости в 1 фараду был бы нужен шар радиусом в 9 млн. км, т. е. с диаметром в 7 раз большим диаметра Солнца. В практике принята за единицу емкости одна миллионная доля фарады — одна микрофарада, которая, таким образом, в 900000 раз больше теоретической единицы. Электрическая емкость шара, равного Земле, равна 708 микрофарадам. Емкость тел зависит, кроме того: 1) от природы непроводящей среды, окружающей тело. Все вышесказанное относится к случаю нахождения тела в пустоте (или приблиз. в воздухе). Если же тело окружено другим диэлектриком (см.), то его емкость будет больше или меньше, чем в пустоте; число, дающее отношение емкости тела в данном диэлектрике к емкости того же тела в пустоте, называется диэлектрической постоянной этого вещества. У всех твердых и жидких изоляторов диэлектрическая постоянная больше, чем у воздуха, у которого она весьма мало разнится от единицы. 2) От присутствия вблизи рассматриваемого тела других тел, имеющих другой электрический потенциал. Таким образом, все сказанное выше относится вполне точно лишь к случаю одного проводящего тела, окруженного безграничной изолирующей средой. Емкость тел значительно увеличивается, если к ним приблизить другие проводящие тела, в особенности тела, имеющие всегда потенциал ноль, т. е. соединенные с землей. Увеличение емкости будет тем больше, чем ближе эти тела к заряженному телу и чем полнее они его окружают.

Итак, если мы желаем какому-либо телу придать весьма большую емкость, то мы должны поместить его в среду с большой диэлектрической постоянной и возможно близко к нему поместить другое тело, соединенное с землей. Такая комбинация проводников и называется конденсатором. В простейшем виде К. представляют две металлические пластины A и B, весьма близкие друг к другу и разъединенные друг от друга каким-либо изолирующим слоем (обкладки): A заряжаема электричеством от постоянного источника (машины, батареи) и называется собирателем, а B соединена с землей и называется сгустителем. Если A заряжается положительным электричеством, то на B возбуждается отрицательное электричество; если затем разобщить соединение B с землей, параллельно соединить A и B проводником, то К. разряжается. Емкость конденсатора зависит от формы и размеров собирателя и сгустителя, от их расстояния и от диэлектрической постоянной среды, между ними находящейся. В некоторых простейших случаях емкость К. можно вычислить: 1) обкладки представляют две весьма близкие концентрические шаровые поверхности, или две бесконечные пластины, очень близкие друг к другу. Если расстояние между обкладками равно l (в см), поверхность собирателя равна S' (в кв. см), то емкость C равна С= 1/900000∙KS'/4 π l микрофарад, где K — диэлектрическая постоянная среды, а π отношение окружности к диаметру (π = 3,1416). Например, К. из двух пластин в 1 кв. м, разделенных пластинкой стекла (K = 5) в 1 мм, имеет емкость около 1/23 микрофарады. Если пластины имеют сравнительно небольшие размеры, то эта формула лишь приблизительно верна; более точные формулы для этого случая даны Кирхгоффом и Максвеллем. 2) Обкладки представляют два концентрических цилиндра радиусов R₁ и R₂ (в см), разделенных средой с диэлектрической постоянной К. Тогда емкость равна

где lg обозначает натуральный Неперов логарифм (см.). Этот случай весьма важен в практике, так как непосредственно применим к подводным телеграфным кабелям (см.), состоящим из внутренней жилы, окруженной гуттаперчей, защищенной металлической броней. Собирателем служит жила, сгустителем броня, соприкасающаяся с водой. Сто километров такого кабеля с жилой в 2 мм радиусом и 4 мм внешнего радиуса, изолированный гуттаперчей (K = 2,5), имеет емкость около 20 микрофарад. Значительная емкость длинных кабелей представляет главную помеху для быстрой передачи знаков по подводному кабелю (см. Телеграфия). 3) Одна обкладка — проволока радиуса r (в см), другая — бесконечная плоскость, отстоящая от оси проволоки на h см. Емкость такого К. длины L (в см) равна

Такого рода К. представляет телеграфная проволока, протянутая над землей. Километр проволоки в 4 мм, протянутой на высоте 10 метров от земли, имеет емкость (K для воздуха = 1) приблизительно 0,012 микрофарад. Чтобы получить К. весьма большой емкости соединяют иногда несколько К. в одну батарею параллельно, т. е. берут целый ряд одинаковых К. (фиг. 1) [К. изображают схематически и-образной чертой, представляющей сгуститель, и входящей в нее прямой чертой, изображающей собиратель.] и соединяют одним проводником все собиратели вместе, другим — все сгустители.

Фиг. 1. Фиг. 2.

Такая батарея заряжается как один К. и емкость ее равна сумме емкостей отдельных К. Если же соединить батарею К. последовательно или, как говорят, каскадом (см. фиг. 2), то емкость батареи будет во столько раз меньше емкости одного К., сколько в батарее всего К. Чтобы зарядить К., присоединяют собирательную обкладку К. с источником электричества постоянного потенциала, например электрической машиной или гальванической батареей, а сгустительную обкладку с землей или с другим полюсом машины, или батареи. Приток электричества постепенно заряжает К. Если емкость К. есть C, и он заряжается батареей с разностью потенциалов на полюсах E, а R есть сопротивление всей цепи помимо К., то через t секунд после замыкания цепи через нее течет заряжающий ток силой
,
а разность потенциалов у зажимов К. в этот момент равна
,

где e — основание Неперовых логарифмов (e = 2,718), время выражено в секундах, величины V и E в вольтах, R в омах, а C в фарадах. Отсюда видно, что, теоретически говоря, К. заряжается бесконечно долго, и никогда V не делается равным E. Но уже через весьма короткий промежуток времени разница V-E делается чрезвычайно малой. Разница между V и E равна 1/ n от E через время t = CRlogn; например при конденсаторе в 10 микрофарад в цепи сопротивления в 10 ом, заряд будет отличаться от полного на 1/10 через 0,00023 секунды, а на одну тысячную через 0,00069 секунд. Заряженный таким образом К. обладает запасенным в нем некоторым количеством энергии, на образование которой затрачена была работа в CV² /19,6, где C — емкость в фарадах, а V разность потенциалов обкладок в вольтах. При разряде эта энергия освобождается и может совершить такую же работу. Заряжение К. сопровождается рядом явлений, происходящих внутри К. между его обкладками, в диэлектрике. Обкладки К., будучи противоположно наэлектризованы, притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной 1) квадрату разности потенциалов, существующей между обкладками К., и 2) диэлектрической постоянной среды. На этой зависимости и опытном определении этой силы притяжения основаны способы определения разности потенциалов (см. Электрометр) и диэлектрической постоянной. Диэлектрическая среда, находящаяся между обкладками, будучи подвержена действию электрических сил, претерпевает некоторые изменения, которые указывают нам на ту важную роль, которую играет непроводящая среда в электрических явлениях. Эти явления в среде следующие: 1) Остаточный заряд. Опыт показал, что через некоторое время после разряда К. с твердым диэлектриком, его обкладки оказываются снова слабо наэлектризованными и могут при соединении дать новый слабый разряд, за которым через некоторое время может следовать все более и более слабые третий, четвертый разряды и т. д. Предполагают, что это явление зависит от поглощения электричеств слоем изолятора и медленного освобождения их после разряда. 2) Электрострикция. При заряде К. объем слоя диэлектрика слегка уменьшается, как показали Дютер (1878) и другие; после разряда диэлектрик принимает прежний объем. Причина явлений не вполне выяснена. 3) Двойное преломление. Прозрачный диэлектрик, как показал Керр (1875), между обкладками заряженного К. приобретает свойства двойного преломления (см.), которые теряет после разряда К. Вполне изолированный К. может весьма долго сохранять свой заряд. Чтобы произвести разряд, необходимо соединить проводником обкладки К., при этом энергия, накопленная в К., освобождается. Разряд К. может быть либо обыкновенный, представляющий простое быстро ослабевающее течение электричества, а следовательно, явление обратное заряду, либо колебательный (см.), смотря по свойствам цепи, по которой проходит разряд. Энергия, освобождающаяся во время разряда, может совершать работу, в виде или световых и тепловых, или механических или химических действий. Световые действия в виде искры и тепловые в виде нагревания воздушного или металлического пути разряда всегда сопровождают явления разряда. Механические действия проявляются в виде пробивания слоя диэлектрика, помещенного между двумя шариками, соединенными с обкладками К. Иногда, когда К. заряжен до весьма высокого потенциала, пробивается сам диэлектрик между обкладками К., и этот последний приходит в негодность. Слабые химические действия, производимые разрядом, по существу не отличаются от таковых, производимых гальваническим током (см.); физиологические действия, обнаруживающиеся при пропускании разряда К. через тело человека или животного, вызывают сильные болевые ощущения и при достаточной энергии заряда могут причинить вред для здоровья и даже смерть. К. обыкновенно на практике придают форму либо лейденских банок (см.), либо пластинчатых К. Эти последние (фиг. 3) состоят обыкновенно из целого ряда тонких металлических пластин, проложенных тонким изолирующим слоем провощенной или парафинированной бумаги, слюды, эбонита и т. п.

Фиг. 3.

Четные пластинки b, d, f, h соединяются вместе и образуют одну обкладку, нечетные a, c, e, g — другую. Иногда, если К. должен служить для весьма больших разностей потенциалов, его всего погружают в ящик с маслом. К. имеют много применений в науке, а в последнее время и в технике. В опытных работах по статическому электричеству ими часто пользуются для скопления значительных количеств электрической энергии, а также применяют их к электроскопам (см.) для увеличения чувствительности последних, в катушках Румкорфа (см.) и т. д. В цепи постоянного тока К. не представляют особенных явлений, но весьма замечательные явления они представляют в цепи переменного тока. В цепи переменного тока К., включенный в цепь, не прерывает тока и действует лишь как сопротивление, ослабляя силу тока; в иных же случаях (в цепи проводники с самоиндукцией) может даже увеличить силу тока (см. Ток переменный). Все увеличивающееся пользование переменными токами ввело пользование К. и в техническую практику.

Теорию К. и их применений см.: профессор И. И. Боргман, "Основания учения об электрических и магнитных явлениях" (СПб., 1893) и Т. Г. Блекслей, "Переменные электрические токи" (СПб., 1894).

А. Г.