Рассмотрев основные свойства явлений индукции и самоиндукции, Любознайкин и Незнайкин переключились на изучение конденсаторов, способных благодаря емкости накапливать электрические заряды. Конденсатор состоит из двух проводников (образующих его обкладки), разделенных изолятором или, говоря «инженерным стилем», диэлектриком. При подключении обеих обкладок к источнику электрического тока электроны накапливаются на обкладке, соединенной с отрицательным полюсом, и покидают обкладку, соединенную с положительным полюсом. Накоплению зарядов способствует также явление отталкивания между электронами двух близко расположенных одна и другой обкладок. Если эти обкладки раздвинуть, они уже не смогут удержать па себе такие же электрические заряды.

При подключении конденсатора к источнику электрического тока устанавливается зарядный ток, сначала большой, а затем уменьшающийся по мере приближения потенциала обкладок к потенциалу источника тока. Когда эти потенциалы сравняются, ток прекратится. Общая продолжительность тока в цепи очень мала.

В зависимости от способности конденсатора накапливать большее или меньшее количество электричества говорят, что конденсатор имеет большую или меньшую емкость. Емкость измеряется в фарадах (ф), однако более употребительны доли этой единицы: микрофарада (мкф) — миллионная доля фарады, нанофарада (нф) — 0,000000001 ф и даже микромикрофарада или пикофарада (мкмкф или пф), равная 0,000000000001 или 10^-12 ф!

Емкость, естественно, зависит от размеров обкладок и повышается при увеличении их площади. Она тем больше, чем меньше расстояние между обкладками; однако по этому пути нельзя идти слишком далеко, так как при очень тонком слое диэлектрика произойдет разряд (искра). Это называется пробоем конденсатора. Емкость зависит также от материала диэлектрика. Наилучшим (а также самым дешевым) из диэлектриков является сухой воздух Однако если заменить его любым другим диэлектриком, то емкость конденсатора увеличится.

Отметим, что емкость конденсатора не зависит от рода и толщины обкладок.

В предыдущей беседе мы оставили конденсатор заряженным. Отключив источник электрического тока и замкнув обкладки конденсатора с помощью сопротивления, мы вызовем разряд конденсатора. Электроны, находящиеся в избытке на отрицательной обкладке, пройдя через сопротивление, восполнят недостаток электронов на противоположной обкладке. Ток разряда, большой вначале, уменьшается по мере снижения разности потенциалов между обкладками и совсем прекращается, когда потенциалы обеих обкладок выравниваются.

Можно получить непрерывную последовательность зарядов и разрядов конденсатора, подключив его к источнику переменного тока. Обкладки заряжаются, разряжаются и вновь заряжаются в соответствии с частотой переменного напряжения, и в цепи (так называют совокупность элементов, через которые проходит электрический ток) устанавливается переменный ток. Это позволяет нам говорить, что переменный ток проходит через конденсатор, хотя электроны при этом не переходят сквозь диэлектрик с одной обкладки на другую.

Разумеется, переменный ток проходит через конденсатор не так легко, как через хороший проводник. Конденсатор представляет собой для переменного тока некоторое сопротивление. Это емкостное сопротивление тем меньше, чем больше емкость конденсатора и выше частота тока, так как чем больше изменений происходит в секунду, тем большее количество электронов проходит за секунду через поперечное сечение проводов цепи.

Если обозначить буквой С емкость конденсатора (выраженную в фарадах), по которому протекает ток с частотой f (в герцах), то емкостное сопротивление (в омах) Х_с будет равно:

Сравнивая индуктивное сопротивление с емкостным, мы видим, что они имеют прямо противоположные свойства: если индуктивное сопротивление увеличивается с повышением индуктивности и частоты, то емкостное, наоборот, уменьшается при повышении емкости и частоты.

Различие между индуктивностью и емкостью проявляется также другим, довольно любопытным образом. Вспомним, что ток в катушке из-за ее индуктивности следует за изменениями приложенного переменного напряжения с некоторым отставанием (рассмотрите внимательно рис. 9). Этот сдвиг между током и напряжением называется сдвигом фазы. Говорят также, что в этом случае ток и напряжение находятся не в фазе.

Изучая прохождение тока по цепи, содержащей конденсатор (рис. 12), можно заметить, что движение электронов прекращается (ток равен нулю) в тот момент, когда напряжение становится максимальным; затем, когда напряжение падает, ток возрастает и достигает наибольшего значения, когда напряжение, меняя направление, проходит через нуль; далее по мере повторной зарядки конденсатора, т. е. по мере повышения напряжения в другом направлении, ток снижается и становится равным нулю в тот момент, когда напряжение достигает максимального значения. Этот процесс станет вполне ясным, если, вернувшись к рис. 12, мы вспомним, что максимальное напряжение соответствует крайним положениям поршня (или максимальным изгибам мембраны) и что напряжение проходит через нуль, когда поршень находится в среднем положении (и мембрана выравнивается).

Мы видим, что в этом случае изменения тока опережают изменения напряжения, так как пока напряжение еще равно нулю, ток уже достиг максимума. Как и в случае с индуктивностью, мы сталкиваемся здесь со сдвигом фазы, но только противоположного знака.

Если в цепи имеется лишь одна чистая индуктивность или лишь одна чистая емкость, то сдвиг фазы достигает четверти периода (90°). Этот случай графически изображен на рис. 16 и 17, заслуживающих внимательного изучения.

В действительности же индуктивность или емкость не существуют в «чистом» виде: кроме них, в цепи обязательно имеется некоторое активное сопротивление. Поэтому сдвиг фазы никогда не достигает максимального значения в 1/4 периода.

При внимательном изучении любой цепи можно обнаружить, что в ней имеются все три вида сопротивлений: индуктивное, емкостное и активное, причем сопротивление такой цепи называют полным, комплексным или кажущимся сопротивлением. Следует помнить, что даже прямолинейный проводник имеет некоторую индуктивность, а между различными точками цепи всегда наблюдается емкость. Однако на практике учитывают лишь преобладающую величину; так, например у катушки, имеющей для тока данной частоты индуктивное сопротивление 10 000 ом, можно свободно пренебречь активным сопротивлением 10 ом (но если через эту катушку протекает постоянный ток, то следует учитывать только эти 10 ом, так как индуктивность катушки проявляется лишь при переменном напряжении).

Сопротивления могут соединяться в цепи несколькими различными способами. Сопротивления соединены последовательно, если ток протекает по ним поочередно, и параллельно, если ток, разветвляясь, проходит по сопротивлениям одновременно (рис. 13).

Когда сопротивления соединены последовательно, количество препятствий на пути тока увеличивается. Поэтому несколько последовательно соединенных сопротивлений эквивалентны одному сопротивлению, равному их сумме. Последовательно соединенные индуктивные и емкостные сопротивления также складываются, но, конечно, не таким простым способом, как думал Незнайкин.