Рис. 2.3.
Возьмем кусок изолированного проводника сильно удаленного от земли и будем добавлять в него заряды. Поскольку это проводник, то добавленные в него заряды обязаны растечься так, чтобы напряжение по всей поверхности стало бы одинаковым (вдоль хорошего проводника в любом направлении нет падения напряжения), как показано на рис. 2.3. Поэтому поля внутри проводника нет, и если он не сплошной, а полый, то это ни на что не влияет (следовательно, металлический экран защищает и от внешней электризации самого этого экрана).
Итак, на внешней стороне заряженного проводника везде одинаковое напряжение. Значит ли это, что и электрическое поле вокруг него будет одинаковым во все стороны? Нет. Напряженность поля будет больше в тех местах, где меньше радиус кривизны, т.е. на выступающих углах и остриях.
Причина в том, что заряды стремятся как можно шире растечься по поверхности проводника, а кончик острия всегда отстоит дальше от остальной поверхности. Относительно малое количество зарядов на острие создает большую поверхностную плотность, а это означает сильное поле около проводника в этом месте. Поэтому если вокруг заряженного проводника случается пробой окружающего диэлектрика (воздуха, например), то он начинается с острия, угла или выступа металла.
Энергии, запасенной в заряженном теле обычно немного. Ее не хватает на длительное поддержание пробоя. Он быстро гаснет. Получатся короткие искровые разряды.
Ясно, что запасаемая в заряженном теле энергия пропорциональна количеству зарядов, которых нам удалось в него поместить. Также ясно, что чем больше мы добавим в данный проводник зарядов, тем большее напряжение получится на нём. Коэффициент пропорциональности между зарядом q и полученным напряжением U является физической характеристикой нашего проводника и называется емкостью С:
Название «емкость» отражает физический смысл: сколько заряда поместится в данную конструкцию, при повышении напряжения на 1 В
Емкость уединенного проводника пропорциональна размерам и очень мала. Например, у металлического шара диаметром 10 см она составляет всего 5,5 пФ.
Из формулы 2.1 видно, что для повышения емкости надо понижать напряжение, т.е. напряженность электрического поля.
Первый способ для этого очевиден: взять две тонкие пластины (уже вдвое больше зарядов, чем на одной) и расположить их параллельно на малом расстоянии. Из-за малого расстояния напряжение поле сильно уменьшаться, а емкость соответственно возрастет. Получается простейший воздушный конденсатор. Его емкость прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Например, конденсатор из двух квадратных пластин 10 х 10 см, разделенных воздушным промежутком 1 мм, имеет емкость около 88,5 пФ, т.е. в 16 раз выше, чем у большего по размерам шара.
Второй способ увеличения емкости также основан на снижении напряженности поля. Как описано в п. 2.1.1 напряженность поля в диэлектрике падает в диэлектрическую проницаемость ε раз. Соответственно, при заполнении конденсатора диэлектриком, в ε раз возрастает емкость. Поэтому типичный радиотехнический конденсатор состоит из множества параллельно включенных (для увеличения суммарной площади) обкладок, разделенных тонкими слоями диэлектрика с высоким ε.
Поскольку между обкладками конденсатора находится диэлектрик, то направленное постоянное движение зарядов сквозь конденсатор невозможно. То есть постоянный ток через конденсатор не течет.
А вот с переменным (или пульсирующим) током ситуация иная. Чтобы хорошо ее понять сделайте следующий эксперимент. Возьмите старый омметр со стрелочным прибором (это, по сути, миллиамперметр с батарейкой) и на пределе измерения сотен килом подключите к нему конденсатор несколько единиц … десятков микрофарад. В первый момент стрелка омметра дернется, показывая какое-то небольшое сопротивление, но затем относительно быстро вернется на бесконечность. Мы видели заряд конденсатора: в первый момент он отбирал от батарейки омметра заряды и они текли (ток) в обкладки конденсатора. Когда напряжение на конденсаторе сравнялось с батарейкой, ток прекратился.
Теперь поменяйте местами щупы прибора. Стрелка снова дернется к нулю ом (но сильнее и дальше, чем в первый раз) и снова вернется к бесконечности (но вдвое позже, чем в первый раз). Что произошло? Переключенный наоборот конденсатор сначала разрядился через прибор (оттого и ток был больше), а потом снова зарядился уже в обратной полярности. Если теперь быстро переключать полярность подключения конденсатора к прибору, то омметр покажет некоторое среднее значение сопротивления. Оно будет тем меньше, чем больше емкость конденсатора, и чем быстрее вы его переключаете.
Поэтому переменный ток конденсатор пропускает. Средой передачи энергии между обкладками служит переменное электрическое поле, которое по 4-му уравнению Максвелла называется током смещения (в отличие от тока проводимости). Впрочем, мы увлеклись. Уравнения Максвелла мы будем изучать позднее.
А здесь нам достаточно запомнить: сопротивление конденсатора переменному току обратно пропорционально его емкости и частоте (или скорости изменения) этого тока. Реактивное сопротивление конденсатора переменному току jXC = - 1/(2π•F•C).
Кроме емкости конденсаторы характеризуются еще и максимальным допустимым напряжением, при превышении которого произойдёт пробой диэлектрика между пластинами.
Со свойствами диэлектрика связан еще один редко вспоминаемый, но важный параметр конденсатора. Взгляните на пару последних абзацев п. 2.1.1. Там описано, как и почему возникают тепловые потери в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле. Поэтому, если на конденсаторе присутствует значительное переменное напряжение (например, в колебательном контуре передатчика), то если диэлектрик конденсатора не рассчитан на такое поле он может нагреться и разрушиться. Параметром конденсатора, определяющим его пригодность для работы при больших ВЧ напряжениях, является его допустимая реактивная мощность. Она измеряется в кВАр (киловольт-ампер реактивных) и приводится в паспорте конденсатора (а если её там нет, то этот конденсатор не предназначен для работы с заметными ВЧ напряжениями на нём).
Реактивная мощность на конденсаторе определяется просто. По ёмкости конденсатора и частоте переменного напряжения на нём по предыдущей формуле определяем реактивное сопротивление конденсатора на этой частоте. Зная переменное напряжение на конденсаторе, определяем реактивный ток (по закону Ома). Умножив найденный реактивный ток на переменное напряжение, получаем реактивную мощность на конденсаторе. И если она получилась больше допустимой для данного конденсатора, то при попытке его использования он перегреется и выйдет из строя, даже если напряжение на нём не превышало допустимого.
Конденсаторы, рассчитанные на большие реактивные мощности, имеют изрядные размеры и диэлектрика и выводов (чтобы могли протекать большие токи). Если диэлектриком является воздух или вакуум, то диэлектрических потерь (п. 2.1.1) не возникает (там просто нечему поляризоваться, ε = 1). В этих случаях максимальная реактивная мощность определятся пробивным напряжением, т.е. зазором (по напряжению) и качеством (толщиной и площадью) выводов и токосъемов (по току). Поэтому, несмотря на всеобщую миниатюризацию электроники, в выходных каскадах мощных передатчиков и согласующих устройствах их антенн стоят весьма большие вакуумные и\или воздушные постоянные и переменные конденсаторы с большим зазором и в них не применяют диэлектрики с ε > 1.