Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра - [123]

Опыт 7(а). Емкость. (Этот опыт не находится в прямой взаимосвязи с «магнитами и катушками», но приводится здесь, поскольку емкости используются в цепях переменного тока и в радиоприемниках.)

Емкость (старое название — «конденсатор») состоит из двух металлических пластин, отделенных друг от друга слоем диэлектрика. Часто она изготовляется наклеиванием тонкой металлической фольги на обе стороны листа вощеной бумаги. Затем, проложив еще один лист вощеной бумаги, всю конструкцию скручивают в трубку и помещают в защитную оболочку. Вам следует воспользоваться маленькой емкостью такого рода. Каждый вывод на оболочке соединен со своей металлической пластиной. Такого рода емкости часто используются в радиотехнике. Будучи соединенными с батареей, пластины приобретают заряды «+» и «—», а между пластинами при этом возникает электрическое поле. Таким образом, на пластинах запасается заряд. Емкость не может проводить ток, так как пластины разделены изолятором. Следовательно, заряды должны перетекать с пластины на пластину каким-то другим образом. Исследуйте, как это происходит, используя цепь, изображенную на фиг. 81. Соедините батарею (через предохранитель) с клеммами В и С, расположенными на деревянной панельке. С каждой стороны электрической емкости включите по микроамперметру. Полная схема цепи изображена на рисунке.

Микроамперметры должны показать вам, возникает ли мгновенный ток, когда вы заряжаете емкость, соединяя клемму А с В. Затем можно отключить батарею и, замкнув цепь, «разрядить» емкость. Проделайте это, соединив провод А с клеммой С. (Простейший способ: держа провод А в руке, коснитесь им сначала В, затем С, потом снова В…) Повторите опыт с напряжением в 4 в вместо 6 в, а затем в 2 в.

Фиг. 81.Зарядка емкости.

_{Дли зарядки емкости соедините коней А провода с клеммой В. Для разрядки ее соедините А с С.}

Электрическая упругость. Колебания

Емкость в электрической цепи подобна пружине в механическом устройстве. Емкость, соединенная с катушкой индуктивности, подобна пружине с подвешенным к ней грузиком. Нагруженная пружина может совершать простые гармонические колебания (см. гл. 10). Аналогичное поведение обнаруживает комбинация емкость + катушка: токи через катушку могут испытывать простые гармонические колебания, заряжая пластины конденсатора до напряжения, осциллирующего по простому гармоническому закону. Такие «колебательные контуры» нужны в радиотехнике для излучения и приема радиоволн. Мы не будем изучать их в этом курсе.

Фиг. 82.Аналогия между цепью колебательного контура и массивным маховиком с пружиной.

_{Замечание. Электрическая катушка индуктивности аналогична массе, а не скрученной пружине.}

Фиг. 83.Колебательный контур, управляющий лампой-усилителем с обратной связью для поддержания осцилляции.

Опыт 7(б). Емкость как фильтр переменного/постоянного тока.

Попробуйте включить емкость последовательно в цепь с электрической лампочкой, питаемой вначале от постоянного напряжения, а затем от переменного. Источник постоянного тока заряжает пластины конденсатора мгновенно, так же как и в 7(а). Если емкость его велика, лампочка моментально вспыхнет, как только импульс заряжающего тока пройдет через нее. После этого уже нет тока и лампочка не горит.

Если же напряжение переменное, то ток через лампочку будет течь все время, в результате чего она будет ярко гореть. На самом деле ток течет не через емкость[142], а благодаря колебаниям напряжения перетекает от одной пластины к другой и обратно. При этом заряды на пластинах емкости и электрическое поле между ними меняются:

от НУЛЯ до ⁺«МАКСИМУМА»^- через НУЛЬ до ^-«МАКСИМУМА»⁺ через НУЛЬ до ⁺«МАКСИМУМА»^-

… и т. д.

В остальной части цепи течет переменный ток, перенося эти заряды.

При постоянном напряжении, вызывающем постоянный ток, сопротивление емкости равно бесконечности — ток не течет через изоляционную прокладку. При переменном же напряжении емкость ведет себя как обычное сопротивление[143] — чем больше емкость, тем меньше «сопротивление» или «импеданс».

Именно в силу быстрых изменений переменного напряжения кажется, что через емкость проходит ток. При ускорении этих изменений — при переменном токе более высокой частоты — «сопротивление» меньше. (Заряд той же величины будет попадать на пластины за более короткое время, тем самым давая больший ток, и, следовательно, «сопротивление» меньше.) Итак, емкость может действовать как фильтр, с помощью которого можно отделять переменный ток от постоянного. Для переменного же тока смешанной частоты она может действовать как фильтр частот: позволять легко проходить переменному току высокой частоты и оказывать гораздо большее сопротивление переменному току низкой частоты. В этом смысле емкость противоположна «дроссельной» катушке, которая препятствует изменению тока в цепи и, следовательно, легко проводит постоянный ток, оказывая сопротивление переменному току низкой частоты и большое сопротивление току высокой частоты.

Далее будет видно, что в радиоцепях емкость нередко выступает в роли такого фильтра. Часто можно будет увидеть комбинацию конденсатора и дроссельной катушки, используемую в усилителях для сглаживания скачущего по величине постоянного тока в стабильный постоянный ток, или для «выпрямления» переменного тока в постоянный, или же для отделения переменного тока высокой частоты («радиочастоты») от переменного тока низкой частоты (звуковой частоты).