§ 34. Различные типы конденсаторов.

Мы видели в предыдущем параграфе, что, заряжая любой изолированный проводник, мы одновременно создаем противоположный заряд на окружающих проводниках, соединенных с Землей и образующих вместе с этим телом конденсатор. Однако емкость такого конденсатора мала. Чтобы получить большую емкость, необходимо взять проводники в виде металлических пластин, возможно близко расположенных друг к другу (так называемые обкладки конденсатора). Мы видели, что емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Поэтому при большой поверхности обкладок и при тонком слое диэлектрика между ними емкость конденсатора очень велика, и на нем можно накопить («сгустить») значительные заряды даже при небольшом напряжении. Отсюда происходит и название «конденсатор» (от латинского слова condensare – сгущать).

На рис. 59,а изображен самый старинный тип конденсатора – лейденская банка. Это название связано с городом Лейденом (Голландия), где впервые был создан в середине XVIII века конденсатор такого типа. Он представляет собой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи станиолем. Соединение с внутренней обкладкой осуществляется металлическим стержнем, укрепленным внутри банки (рис. 59,б). Для того чтобы зарядить лейденскую банку, ее держат в руке за внешнюю обкладку (этим осуществляется соединение с Землей) и прикасаются стержнем к какому-либо заряженному телу, лучше всего к одному из полюсов электрической машины. Емкость лейденской банки средних размеров составляет около 1000 пФ.

Рис. 59. Лейденская банка: а) общий вид; б) схема устройства, 1 и 2 – станиолевые обкладки, 3 – стеклянный стакан, 4 – металлический стержень, 5 – упругие металлические полоски для контакта

34.1. Для зарядки лейденской банки обычно соединяют ее внешнюю обкладку с Землей (держат банку в руках) и касаются ее внутренней обкладкой (стержнем) одного из полюсов электрической машины. Можно ли так же сильно зарядить банку, если, наоборот, держать в руке ее стержень, а коснуться полюса машины внешней обкладкой? Что произойдет, если заряженную таким образом банку поставить на стол?

34.2. Можно ли зарядить лейденскую банку, соединяя одну из ее обкладок с полюсом электрической машины, но оставив вторую обкладку изолированной от Земли?

34.3. Соединив внешнюю обкладку заряженной лейденской банки с Землей и коснувшись пальцем ее внутренней обкладки, мы чувствуем сильный электрический удар. Почему этого не происходит, если мы коснемся внутренней обкладки, стоя на изолирующей скамейке? Человеческое тело на изолирующей скамейке и поверхность Земли рассматривайте как обкладки конденсатора, присоединяемого параллельно банке; учтите, что емкость этого конденсатора значительно меньше емкости банки.

 

Для увеличения емкости конденсаторы соединяют в батареи. На рис. 60 изображена батарея из четырех лейденских банок. Все внешние и все внутренние обкладки соединены между собой, и поэтому батарею можно рассматривать как один большой конденсатор, у которого площадь обкладок равна сумме площадей обкладок отдельных банок. Емкость батареи при таком соединении (оно называется параллельным соединением) равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Рис. 60. Батарея из четырех лейденских банок: 1 – стержень для зарядки внутренних обкладок, 2 – стержень для заземления внешних обкладок

На рис. 61 показан конденсатор переменной емкости, широко употребляющийся в радиотехнике. Он состоит из двух изолированных систем металлических пластин, которые входят друг в друга при вращении рукоятки. Вдвигание и выдвигание одной системы пластин в другую изменяют емкость конденсатора (§ 33).

Рис. 61. Конденсатор переменной емкости состоит из двух изолированных систем металлических пластин 1 и 2, которые входят друг в друга при вращении рукоятки

Большинство технических конденсаторов приближается по типу к плоскому конденсатору, т. е. в основе своей представляет две разделенные небольшим зазором параллельные плоские поверхности (обкладки), на которых сосредоточены равные заряды противоположных знаков. Электрическая емкость плоского конденсатора сравнительно просто выражается через размеры его частей. Выполним опыт, изображенный на рис. 58, причем будем применять приборы, проградуированные так, что они позволят измерять и заряд, сообщаемый конденсатору, и возникающую разность потенциалов. Изменяя площадь  пластин и расстояние между ними , мы убедимся в том, что емкость плоского конденсатора

.                   (34.1)

К формуле (34.1) можно было прийти и путем теоретических расчетов. Как при измерениях, так и при расчетах предполагается, что конденсатор плоский, т. е. что расстояние  очень мало по сравнению с линейными размерами пластин, и в зазоре между пластинами находится воздух (точнее следовало бы предполагать, что и воздух отсутствует).

В соответствии с формулой (34.1)

,

откуда следует, что  может быть выражена в фарадах на метр (Ф/м) (§11).