Рис. 29. Движение электронов в цепи, соединяющей конденсатор с источником переменного напряжения. На рисунке показаны четыре последовательных полупериода.
Л. — Следовательно, по проводникам от источника переменного напряжения до обкладок происходит движение электронов. И это движение каждый полупериод меняет свое направление. Иначе говоря, мы наблюдаем…
Н. — …настоящий переменный ток. Потрясающе! Ток протекает по цепи, в которой имеется разрыв, — ведь между обкладками конденсатора нет контакта.
Л. — Да, дорогой Незнайкин. Говорят, что конденсатор «пропускает» переменный ток. Электроны, конечно, не проходят через конденсатор, но его емкость позволяет электронам циркулировать во внешней цепи, многократно совершая короткие рывки вперед и назад в момент заряда и разряда конденсатора.
Н. — Согласен, но мне было бы легче постичь это, вернувшись к сравнению с моими двумя резервуарами, наполненными воздухом и разделенными эластичной мембраной. Если теперь подключить эти резервуары не к насосу, а к цилиндру, в котором поршень совершает движения туда и обратно, то пришедший в переменное движение воздух будет поочередно наполнять то правый резервуар, то левый.
Емкостное сопротивление конденсатора
Л. — Превосходное сравнение. Оно позволит нам продолжить изучение конденсатора. От чего, по твоему мнению, зависит интенсивность создаваемого таким образом переменного воздушного потока?
Н. — Количество воздуха, проходящее в каждый полупериод по трубам, зависит от емкости, т. е. от объема резервуаров и от создаваемого поршнем давления. И кроме того, чем чаще поршень будет совершать поступательно-возвратные движения, тем больше воздуха пройдет через сечение труб за единицу времени.
Л. — Эти же явления имеют место и в электричестве. Чем больше емкость конденсатора, тем большее количество электронов при каждом полупериоде заряжает обкладки, а затем при разряде уходит с них. И, кроме того, чем большее количество этих полупериодов чередуется в каждую секунду, иначе говоря, чем выше частота, тем большее количество электронов проходит по цепи за одну секунду.
Как ты видишь, здесь сила тока пропорциональна емкости конденсатора и частоте источника тока.
Н. — Я отмечаю для себя, что конденсатор для тока такое же препятствие, как резистор или катушка (рис. 30).
Рис. 30. Три тела препятствий для прохождения электрического тока: активное R, индуктивное XL и емкостное XC сопротивления.
Но любопытно, что сопротивление резистора не зависит от частоты, тогда как индуктивное сопротивление катушки пропорционально частоте и увеличивается при ее повышении, а сопротивление, которое конденсатор оказывает прохождению переменного тока, убывает по мере повышения частоты.
И еще по одному свойству емкостное сопротивление прямо противоположно индуктивному: чем больше индуктивность, тем труднее току пройти, тогда как чем больше емкость конденсатора, тем легче пропускает он ток.
Л. — Тебе пришла удачная мысль сравнить индуктивное сопротивление с емкостным сопротивлением; этим термином называют сопротивление, которое конденсатор оказывает прохождению переменного тока. Емкостное сопротивление, стало быть, обратно пропорционально емкости С и частоте f. Оно рассчитывается по следующей формуле:
Н. — Совсем неглупо! Так, если мы попытаемся пропустить постоянный ток, частота которого равна нулю, емкостное сопротивление окажется равным бесконечности. И это полностью соответствует действительности, так как постоянный ток через конденсатор не проходит.
Комментарий профессора Радиоля
СОЕДИНЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ
Всякая электрическая цепь характеризуется активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Компоненты, обладающие этими свойствами, могут соединяться между собой различными способами. В зависимости от способа соединения рассматриваются значения активных и реактивных сопротивлений. В заключение описывается явление резонанса, играющее в радиотехнике важнейшую роль.
Мои дорогие друзья, вы познакомились с пассивными компонентами. Так называют резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы в отличие от активных компонентов: электронных ламп и транзисторов, изучением которых вы вскоре займетесь.
Сосуществование
R, L и
СВсе, что ты, Любознайкин, объяснил своему другу, совершенно правильно. Однако я должен добавить, что в действительности любой из компонентов обладает не только свойством, определяющим его название. Так, даже простой проводник из прямого отрезка провода одновременно обладает сопротивлением, индуктивностью и емкостью. В самом деле, какой хорошей ни была бы его проводимость, он все же обладает некоторым активным сопротивлением.
Вы помните, что, проходя по проводнику, электрический ток создает вокруг него магнитное поле. И если протекающий ток переменный, то и это поле переменное; оно наводит в проводнике токи, противодействующие основному току, протекающему по проводнику. Стало быть, здесь мы наблюдаем явление самоиндукции.
И, наконец, как и любой проводник, наш отрезок провода способен удерживать некоторый электрический заряд — как отрицательный, так и положительный. А это значит, что он обладает также и некоторой емкостью.
Все, что характерно для простого прямого отрезка провода, присуще, разумеется, и катушке: кроме своего основного свойства индуктивности, она обладает также некоторым активным сопротивлением и некоторой емкостью. Конденсатор, в свою очередь, помимо характеризующей его емкости имеет некоторое, обычно очень малое, активное сопротивление. В самом деле, проходя по обкладкам конденсатора, электрические заряды пересекают некоторую массу обкладок, обладающую небольшим активным сопротивлением. И эти небольшие перемещения зарядов порождают также индукцию.
Таким образом, вы видите, что ни одна из этих трех характеристик, обозначаемых буквами R, L и С, не может существовать отдельно без наличия двух других. Тем не менее мы не будем учитывать эти побочные явления, так как они неизмеримо меньше основного свойства компонента.
Последовательное соединение
Нам необходимо изучить соединение однородных и разнородных компонентов. Мы проанализируем, какая величина получается в результате и какое сопротивление прохождению тока оказывают соединенные между собой компоненты.
Компоненты могут соединяться последовательно или параллельно (рис. 31).
Рис. 31. Последовательное (а) и параллельное (б) соединения компонентов.
Последовательным соединением называется такое, когда конец одного компонента соединен с началом другого и т. д. В этом случае ток поочередно проходит по всем образующим цепочку компонентам. При параллельном соединении между собой соединены одноименные выводы. Здесь ток, разветвляясь, одновременно проходит по всем соединенным таким образом компонентам.
Вы легко поймете, что соединенные последовательно сопротивления складываются. Возьмем резисторы сопротивлением 100, 500 и 1000 Ом. Соединим их последовательно; полученная цепочка будет иметь сопротивление
R = 100 + 500 + 1000 = 1600 Ом.
Возьмем теперь катушки индуктивности и соединим их последовательно. При условии, что между ними нет взаимной индукции, их индуктивности должны складываться.
Возьмем катушки, обладающие индуктивностью соответственно 0,5 и 1,25 Г, и соединим их последовательно, разместив их достаточно далеко друг от друга, чтобы избежать взаимного влияния. Индуктивность цепи составит:
L = 0,5 + 1,25 = 1,75 Г.
Все это кажется очень простым. А будет ли так же просто при последовательном соединении конденсаторов?
Мы сказали, что при таком соединении сопротивления компонентов складываются. А у конденсаторов складываются емкостные сопротивления. Рассмотрим случай с двумя конденсаторами, имеющими емкости соответственно С1 и С2, по которым протекает ток с частотой f (рис. 32).
Рис. 32. Последовательное соединение конденсаторов. Суммарная емкость меньше емкости каждого из них.
