Электроника:Постоянный ток/Конденсаторы/Электрическое поле и ёмкость

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Электрическое поле и ёмкость

Введение

Если между двумя отдельными проводниками наблюдается электрическое напряжение, также в пространстве между ними образуется электрическое поле. Когда мы только начинали осваивать электронику, мы изучали взаимодействие напряжения, тока и сопротивления в электрической цепи, являющейся своего рода «магистралью», по которой перемещаются электроны. Но если речь идёт о электрическом поле, тот тут мы имеем дело со взаимодействиями, распространяющихся за пределы «магистрали» – в окружающем пространстве.

Правда, понятие «поле» достаточно условно. По крайней мере, когда мы рассуждаем об электрическом токе, то обычно представляем себе материальные частицы (электроны), имеющие пусть и крошечную, но массу, перемещающиеся в проводнике между ядрами атомов. А вот «поле» массы не имеет и даже не всегда является чем-либо материальным.

Несмотря на абстрактный характер этого фундаментального понятия, почти каждый из нас непосредственно сталкивался с полями – ну, по крайней мере, магниты каждый из вас хоть раз в жизни держал в руках? Вы ведь лично видели, как пара магнитов испытывает взаимное притяжение или отталкивание – в зависимости от того, как они ориентированы друг относительно друга? Вне всяких сомнений, что между парой магнитов действует некая сила и эта сила не имеет материальной природы. У неё нет массы, цвета, запаха. Данная физическая сила воздействует на сами магниты, но при этом к ней нечувствительно наше тело. Физики описывают взаимодействие магнитов с помощью магнитных полей в пространстве между ними. Если подле магнита рассыпать железные опилки, они сориентируются по силовым линиям поля, визуально указывая на его наличие и направление.

Электрические поля

Предметом изучения в данной главе являются электрические поля (и устройства, называемые конденсаторами, которые их используют). Магнитные поля мы рассматривать не будем, но у них с электрическими много общего. Скорее всего, с электрическими полями вы имели дело, и даже ощущали их на себе. Глава 1 этой книги началась с объяснения статического электричества и того, как такие материалы, как воск и шерсть, при трении друг о друга, создают физическое притяжение. Опять же, физики описали бы это взаимодействие в терминах электрических полей, создаваемых двумя объектами в результате их электронного дисбаланса. Достаточно сказать, что всякий раз, когда между двумя точками существует напряжение, в пространстве между этими точками будет проявляться электрическое поле.

Сила поля и поток поля

У поля есть две меры измерения: сила поля и поток поля. (В русскоязычной научной литературе часто используется термин напряжённость электрического поля, которое объединяет оба этих понятия. Сила поля характеризует абсолютную величину напряжённости, а поток напряжённости обозначает векторы силовых линий.) Под силой поля подразумевается количество силового воздействия, которое поле оказывает на электрический заряд на определённом расстоянии. Поток поля характеризует его общее количество, а также в каких масштабах будут наблюдаться эффекты от воздействия поля в окружающем пространстве. Сила поля аналогична напряжению в электрической цепи. А поток поля аналогичен току, который течёт по проводнику. Но тут речь именно об аналогии, а не о том, что эти понятия эквивалентны друг другу. Поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (движение частиц, таких как электроны, при этом необязательно). Тогда как для тока необходимо наличие физических носителей (провода и прочие элементы цепи) по которым могут двигаться свободные электроны. Даже в полном вакууме можно препятствовать потоку поля, так же как в случае с током перед потоком электронов можно поставить препятствие в виде электрического сопротивления. Величина потока поля, который распространяется в пространстве, пропорциональна величине приложенной силы поля, делённой на величину сопротивления потоку. Подобно тому, как тип материала проводника определяет удельное сопротивление электрическому току, также и тип изоляционного материала, разделяющий два проводника, составляет конкретное сопротивление потоку поля.

Обычно свободные электроны не могут войти в провод, если нет возможности для выхода такого же количества электронов (помните аналогию в одной из прошлых глав с трубкой, стреляющей шариками?). Вот почему для непрерывного тока проводники объединяются в замкнутую цепь. Однако, как ни странно, можно «запихнуть» дополнительные электроны в проводник без возможности избавления от «избыточных» электронов, и в этом случае электрическое поле будет распространяться в пространстве, в котором могут находиться и другие проводники, не связанные с проводником, в котором избыток/недостаток свободных электронов. Количество дополнительных свободных электронов, добавленных к проводнику (или если свободные электроны не добавляются к проводнику, а изымаются из него), прямо пропорционально величине потока поля, возникающего между двумя проводниками.

Электрическое поле в конденсаторах

Конденсаторы – это элементы электрической цепи, предназначенные для использования рассматриваемой в данной главе явления (возникновения электрического поля) путём размещения двух проводящих пластин (чаще всего металлических) в непосредственной близости друг от друга. Существует множество разных конструкций конденсаторов, каждая из которых предназначена для определённых целей (в частности, одни конструкции заточены на низкие напряжённости, а другие на высокие). Для мини-конденсаторов достаточно двух круглых пластин из диэлектрика. В конденсаторах, рассчитанных на бóльшую ёмкость, в качестве «пластин» могут использоваться полоски из металлической фольги, между которыми зажат гибкий изолятор, свёрнутый для компактности. Максимальная ёмкость достигается при использовании слоя изоляционного оксида микроскопической толщины, разделяющего две проводящие поверхности. Но в любом случае основная идея: два проводника, разделённые диэлектриком.

Схематическое обозначение конденсатора довольно простое – две короткие параллельные линии (изображают пластины), которые разделяет зазор. К пластинам подсоединены провода для связи с другими элементами цепи. На «древних» схемах можно встретить устаревшее схематическое обозначение в виде чередующихся пластин, что, кстати, более точно изображает реальную конструкцию большинства конденсаторов:

Рис. 1. Современное (слева) и устаревшее (справа) обозначение конденсаторов в электрических схемах.

Когда напряжение приложено к обеим пластинам конденсатора, между ними создаётся концентрированный поток поля, что приводит к значительной разнице в количестве свободных электронов (другими словами – к образованию электрического заряда) между двумя пластинами:

Рис. 2. Благодаря источнику напряжения на одной пластине конденсатора недостаток свободных электронов, а на другой – избыток, что приводит к возникновению электрического поля между пластинами.

Поскольку электрическое поле создаётся за счёт приложенного напряжения, лишние свободные электроны вынуждены собираться на отрицательном проводнике (на схеме выше – со стороны отрицательного вывода батареи), в то время как свободные электроны «отнимаются» у положительного проводника (на схеме выше – со стороны положительного вывода батареи). Этот дифференциальный (т.е. основанный на разнице между пластинами в количестве свободных электронов) заряд соответствует накоплению энергии в конденсаторе, представляющей потенциальный заряд электронов между двумя пластинами. Чем больше разница в количестве электронов на противоположных пластинах конденсатора, тем больше поток поля и тем больший «заряд» энергии накоплен в конденсаторе.

Поскольку конденсаторы хранят потенциальную энергию накопленных электронов в виде электрического поля, они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы в цепи (которые просто рассеивают энергию в виде тепла). Накопление энергии в конденсаторе зависит от напряжения между пластинами, а также от других факторов, которые мы обсудим позже в этой главе. Способность конденсатора накапливать энергию в зависимости от напряжения (разности потенциалов между двумя выводами) приводит к стремлению поддерживать напряжение на постоянном уровне. Другими словами, конденсаторы склонны противодействовать изменениям напряжения. Когда напряжение на конденсаторе увеличивается или уменьшается, конденсатор «сопротивляется» изменению, потребляя ток или подавая ток к источнику изменения напряжения, в противовес изменению.

Чтобы накапливать больше энергии в конденсаторе, необходимо увеличить напряжение на нём. Это означает, что к пластине (-) нужно добавить больше электронов, а от пластины (+) отвести больше электронов, что требует наличия тока в соответствующем направлении. И наоборот, чтобы высвободить энергию из конденсатора, необходимо уменьшить напряжение на нём. Это означает, что часть избыточных электронов на пластине (-) должна быть возвращена на пластину (+), для чего потребуется ток уже в противоположном направлении.

Подобно Первому закону Ньютона об инерции («равномерно и прямолинейно движущийся объект имеет тенденцию оставаться в состоянии равномерного и прямолинейного движения; покоящийся объект имеет тенденцию оставаться в состоянии покоя») описывающем свойство массы сопротивляться изменениям скорости, можно констатировать тенденцию конденсатора сопротивляться изменениям напряжения как таковым: «Заряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться заряженным; разряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться разряженным». Гипотетически, если на конденсатор никак не воздействовать, в нём будет бесконечно долго поддерживаться величина напряжения в соответствии с текущим электрическим зарядом. Только внешний источник тока (или постепенное истощение вследствие утечки) может изменить заряд напряжения, накопленный идеальным конденсатором:

Рис. 3. Если цепь разомкнуть, то напряжение на конденсаторе зафиксируется и будет поддерживаться некоторое (может даже очень долгое) время.

На практике, однако, конденсатор рано или поздно потеряет свой накопленный заряд в силу внутренней утечки электронов, перемещающихся от одной пластины к другой. В зависимости от конкретного типа конденсатора, время, необходимое для саморассеивания накопленного заряда, может быть весьма долгим (вплоть до многих лет, если конденсатор поставить на полку и забыть о нём на годы!).

Когда напряжение на конденсаторе увеличивается, он потребляет ток из остальной цепи, действуя как силовая нагрузка. В этом случае говорят, что конденсатор заряжается, потому что в его электрическом поле накапливается энергия. Обратите внимание на направление электронного тока с учётом полярности напряжения:

Рис. 4. Потребляя электрический ток, конденсатор накапливает энергию. Вы же помните, что направление самого тока и направление движения электронов противоположны?

И наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, конденсатор подаёт ток в цепь, действуя как источник питания. В этом случае говорят, что конденсатор разряжается. Его запас энергии, удерживаемый в электрическом поле, теперь уменьшается по мере того, как энергия передается остальной части цепи. Обратите внимание на направление тока с учётом полярности напряжения:

Рис. 5. Отдавая ток в цепь, конденсатор теряет энергию. Направление тока на схеме, показывает, что электроны покидают пластину (-) конденсатора.

Если источник напряжения внезапно воздействует на незаряженный конденсатор (например, происходит внезапное повышение напряжения на аккумуляторе), конденсатор будет потреблять ток от этого источника, поглощая от него энергию, пока напряжение конденсатора не сравняется с напряжением источника. Когда напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (заряженного) состояния, сила тока спадает до нуля. И наоборот, если сопротивление нагрузки подключено к заряженному конденсатору, конденсатор будет подавать ток на нагрузку, пока не высвободит всю свою накопленную энергию и его напряжение не упадёт до нуля. Когда напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (разряженного) состояния, его сила тока становится нулевой. Из-за этой своей способности заряжаться/разряжаться конденсаторы можно рассматривать как некие вторичные аккумуляторы.

Выбор изоляционного материала между пластинами, как упоминалось выше, имеет большое влияние на то, какой поток поля (и, следовательно, сколько заряда) будет возникать при определённой величине напряжения, приложенной к пластинам. Из-за этой роли во влиянии на поток поля изоляционный материал получил специальное название: диэлектрик. (Приставка греческого происхождения δίς используется в том числе для того, чтобы показать уменьшение/разделение/утрату/нарушение чего-либо – дисгармония, дисграфия, дисбаланс, дисконт, дистрофия и т.п. Диэлектрик как раз из такой группы слов. Буква «с» теряется, если корень слова начинается с гласной буквы.) Диэлектрики при этом бывают разными: степень, в которой материал препятствует (или наоборот, способствует) образованию потока электрического поля, называется диэлектрической проницаемостью.

Мера способности конденсатора накапливать энергию при заданном падении напряжения называется ёмкостью. Неудивительно, что ёмкость также является мерой силы сопротивления изменениям напряжения (точнее, сколько именно тока будет производиться при заданной скорости изменения напряжения). Ёмкость в формулах обозначается заглавной буквой «С» и измеряется в единицах «фарад», сокращенно «Ф».

По таинственной причине общепринято использовать метрическую приставку «микро» при измерении больших ёмкостей, и поэтому многие конденсаторы оцениваются в очень большие значения в микрофарадах: например, ёмкость одного большого конденсатора, который я видел лично, была оценена в 330 000 мкФ! Почему бы не указать 330 миллифарад? Сие для меня окутано мраком тайны.

Устаревшее название конденсатора

Устаревшее название конденсатора – конденсер или конденсор. Эти термины не используются ни в каких новых книгах или схематических диаграммах (насколько мне известно), но они могут встречаться в старой литературе по электронике. Пожалуй, наиболее широко используется термин «конденсер» в автомобилестроении, где небольшой конденсатор под таким названием, использовался для уменьшения чрезмерного искрения на контактах переключателя (так называемых «точках») в электромеханических системах зажигания.

Итог

• Конденсаторы реагируют на изменения напряжения, подавая или потребляя ток в направлении, необходимом для противодействия изменению.
• Когда конденсатор сталкивается с увеличивающимся напряжением, он действует как нагрузка: потребляет ток, в результате чего накапливается энергия (ток течёт по направлению к положительной пластине конденсатора и от отрицательной, фактически конденсатор выполняет в цепи роль резистора).
• Когда конденсатор сталкивается с уменьшающимся напряжением, он действует как источник напряжения: подаёт ток, высвобождая накопленную энергию (ток исходит от положительной пластины конденсатора и по направлению к отрицательной, фактически конденсатор выполняет в цепи роль батареи).
• Способность конденсатора накапливать энергию в виде электрического поля (и, следовательно, противодействовать изменениям напряжения) называется ёмкостью. Единица измерения ёмкости – фарад (Ф).
• Раньше конденсаторы назывались несколько иначе: использовался термин «конденсер» (а также «конденсор»).