Рудольф Сворень - Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина
Рис. 45. При подключении к заряженному конденсатору нагрузки (разряд конденсатора) он отдает запасенную энергию — избыточные заряды уходят с обкладок, а в цепи в этот момент появляется ток.
Необходимо отметить, что идеальных изоляторов не существует и всякий изолятор хоть плохо, но все же проводит электрический ток. Поэтому если даже не соединять проводником обкладки конденсатора, то он все равно постепенно разрядится, со временем заряды перейдут с одной обкладки на другую через изолятор и окружающий воздух. Конденсатор как накопитель электрической энергии используется в так называемых лампах-вспышках, применяемых в фотографии. Конденсатор сравнительно долго — несколько секунд — накапливает энергию от батареи, а затем очень быстро, в течение сотых долей секунды, выдает эту энергию специальной осветительной лампе. Но при заряде и при разряде конденсатора электрический ток выполняет одну и ту же работу, а за счет быстроты разряда лампа развивает большую мощность и дает яркую вспышку. Вспомните, что мощность это и есть работа, отнесенная к единице времени.
Принципиально можно было бы построить лампу-вспышку не с конденсатором, а с катушкой, которая накапливала бы энергию в магнитном поле. Однако такая установка будет очень громоздкой и неудобной.
Способность конденсатора накапливать заряды, а следовательно, и накапливать энергию в виде электрического поля характеризуется емкостью этого конденсатора. Емкость обозначается буквой С — этой же буквой на схемах обозначаются сами конденсаторы. Единицей емкости является фарада (ф). Имеются и более мелкие единицы: микрофарада (мкф) — миллионная доля фарады и пикофарада (пф) — миллионная доля микрофарады (лист 69). Пикофараду иногда называют микромикрофарадой (мкмкф). Фарада — это чрезвычайно большая величина, и конденсаторы такой емкости в практике никогда не встречаются. Обычно в радиоаппаратуре используются конденсаторы емкостью от нескольких пикофарад до нескольких десятков, реже — сотен микрофарад.
Емкость конденсаторов на схемах указывается сокращенно (лист 70). Если емкость конденсатора составляет доли пикофарады, то она выражается десятичной дробью с прибавлением букв «пф» (например, 0,5 пф). Целое число пикофарад, не более тысячи, выражается обычным числом без каких-либо добавлений (например, цифра 500 соответствует емкости 500 пф). Если емкость превышает 1000 пф, то она уже выражается в микрофарадах в виде десятичной дроби. Например, обозначение 0,002 соответствует емкости 0,002 мкф или, что то же самое, 2000 пф.
Десятичной дробью выражается и емкость конденсаторов более одной микрофарады. Так, например, обозначение 20,0 соответствует емкости 20 мкф.
Наряду с емкостью важной характеристикой конденсатора является его рабочее напряжение, то есть напряжение, которое можно без опасений прикладывать к его обкладкам. Если к конденсатору приложить напряжение больше, чем это разрешается, то может произойти пробой (разрушение) изолятора и как следствие этого короткое замыкание между обкладками.
Величина рабочего напряжения обычно указывается на корпусе конденсатора одновременно с его емкостью.
Емкость конденсатора зависит от площади его обкладок и расстояния между ними: чем больше эта площадь и чем ближе друг к другу расположены обкладки, тем больше С. У конденсаторов малой емкости обкладки обычно выполняют в виде прямоугольных пластин или дисков, а также в виде двух трубок, расположенных одна внутри другой. У конденсаторов большой емкости обкладки представляют собой длинные ленты из тончайшего металла (фольги), которые вместе с изолирующей прокладкой свернуты в трубку и размещены в корпусе из керамики или металла.
Емкость конденсатора сильно зависит от примененного в нем изолятора. По сравнению с воздухом бумага дает увеличение емкости в три-четыре раза, слюда в пять — восемь раз, а некоторые сорта керамики — в несколько тысяч раз.
Материал диэлектрика и конструктивные особенности конденсатора сокращенно отражаются в его названии (листы 71, 72).
Так, например, если обкладки конденсатора представляют собой трубки, вставленные одна в другую, а между ними находится слой керамики, то такой конденсатор называется КТК — конденсатор трубчатый керамический. Аналогично КДК означает: конденсатор дисковый керамический, КСО — конденсатор слюдяной опрессованный (в пластмассу). Перечисленные конденсаторы обычно имеют емкость от нескольких пикофарад до нескольких тысяч пикофарад.
Различные типы бумажных конденсаторов: КБ (бумажные), КБГ (бумажные герметизированные), КБГМ (бумажные герметизированные малогабаритные) — могут иметь емкость от тысячи пикофарад (0,001 мкф) до нескольких микрофарад. Особую группу составляют электролитические конденсаторы (КЭ), о которых будет рассказано в четвертой главе.
Зарядим конденсатор от батареи и подключим его к катушке. В созданном нами контуре сразу же начнутся электромагнитные колебания (рис. 46).
Рис. 46. В процессе электромагнитных колебаний в контуре происходит непрерывный переход потенциальной энергии электрического поля конденсатора в кинетическую энергию магнитного поля катушки и обратно. При этом с определенной частотой меняется напряжение на элементах контура и ток в нем.
Разрядный ток конденсатора, проходя по катушке, создает вокруг нее магнитное поле. Это значит, что во время разряда конденсатора энергия его электрического поля переходит в энергию магнитного поля катушки, подобно тому как при колебаниях маятника или струны потенциальная энергия переходит в кинетическую.
По мере того как конденсатор разряжается, напряжение на его обкладках падает, а ток в контуре растет, и к тому моменту, когда конденсатор полностью разрядится, ток будет максимальным (амплитуда тока). Но и после окончания разряда конденсатора ток не прекратится — убывающее магнитное поле катушки будет поддерживать движение зарядов, и они вновь начнут накапливаться на обкладках конденсатора. При этом ток в контуре уменьшается, а напряжение на конденсаторе растет. Этот процесс обратного перехода энергии магнитного поля катушки в энергию электрического поля конденсатора несколько напоминает то, что происходит, когда маятник, проскочив среднюю точку, поднимается вверх.
К моменту, когда ток в контуре прекратится и магнитное поле катушки исчезнет, конденсатор окажется заряженным до максимального (амплитудного) напряжения обратной полярности. Последнее означает, что на той обкладке, где раньше были положительные заряды, теперь будут отрицательные, и наоборот. Поэтому, когда вновь начнется разряд конденсатоpa (а это произойдет немедленно после того, как он полностью зарядится), то в цепи пойдет ток обратного направления.
Периодически повторяющийся обмен энергией между конденсатором и катушкой и представляет собой электромагнитные колебания в контуре. В процессе этих колебаний в контуре протекает переменный ток (то есть изменяется не только величина, но и направление тока), а на конденсаторе действует переменное напряжение (то есть изменяется не только величина напряжения, но и полярность зарядов, накапливающихся на обкладках). Одно из направлений напряжения тока условно называют положительным, а противоположное направление — отрицательным.
Наблюдая за изменениями напряжения или тока, можно построить график электромагнитных колебаний в контуре (рис. 46), подобно тому как мы строили график механических колебаний маятника (рис. 39). На графике значения положительного тока или напряжения откладывают выше горизонтальной оси, а отрицательного — ниже этой оси. Ту половину периода, когда ток протекает в положительном направлении, часто называют положительным полупериодом тока, а другую половину — отрицательным полупериодом тока. Можно говорить также и о положительном и отрицательном полупериоде напряжения.
Хочется еще раз подчеркнуть, что слова «положительный» и «отрицательный» мы используем совершенно условно, лишь для того чтобы отличить два противоположных направления тока.
Электромагнитные колебания, с которыми мы познакомились, называют свободными или собственными колебаниями. Они возникают всякий раз, когда мы передаем контуру некоторый запас энергии, а затем даем возможность конденсатору и катушке свободно обмениваться этой энергией. Частота свободных колебаний (то есть частота переменного напряжения и тока в контуре) зависит от того, насколько быстро конденсатор и катушка могут накапливать и отдавать энергию. Это, в свою очередь, зависит от индуктивности Lк и емкости Ск контура, подобно тому, как частота колебаний струны зависит от ее массы и упругости. Чем больше индуктивность L катушки, тем больше времени нужно, чтобы создать в ней магнитное поле, и тем дольше это магнитное поле сможет поддерживать ток в цепи. Чем больше емкость С конденсатора, тем дольше он будет разряжаться и тем больше времени понадобится, чтобы этот конденсатор перезарядить. Таким образом, чем больше Lк и Ск контура, тем медленнее происходят в нем электромагнитные колебания, тем ниже их частота. Зависимость частоты f0 свободных колебаний от Lк до Ск контура выражается простой формулой, которая является одной из основных формул радиотехники:
