Модуль силы электростатического взаимодействия двух точечных заряженных тел (Н) прямо пропорционален произведению количества электричества на этих телах и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними, если размеры тел малы по сравнению с расстоянием между ними:

где q\ и q2 - модули зарядов, Кл (1 кулон равен заряду 6,28-10 электронов); 8о=1/36 я • 10 - электрическая постоянная, Ф/м; s - относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз при прочих равных условиях сила взаимодействия двух электрических зарядов в какой-либо среде меньше, чем в вакууме. Относительная диэлектрическая проницаемость является безразмерной величиной и для вакуума принята равной единице; г - ,расстояние между зарядами, м.

Произведение электрической постоянной и относи тельной диэлектрической проницаемости называется а б-солютной диэлектрической проницаемостью: Sa = So 8.

Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость g для вакуума равна единице, то абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума 8а равна электрической постоянной So.

Интенсивность электрического поля оценивается по механическим силам, с которыми поле действует на заряженные тела. За количественную меру интенсивности поля принимают механическую силу, с которой поле в данной точке пространства действует на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Указанная величина называется напряженностью электрического поля E = Flq. Единицей измерения напряженности электрического поля является вольт на метр

jj F Н Дж Кл.В В

м-Кл

ы-Кл

Электрическое поле, напряженность которого в разных точках пространства одинакова по величине и направлению, называется однородным.

Напряженность однородного электрического поля (В/м), воздействующая на диэлектрик, находящийся

между обкладками конденсатора, определяется как отношение приложенного к обкладкам напряжения к расстоянию между ними: E = U/d.

§ 4. Электрическая емкость. Понятие о попяризации

Основным свойством конденсатора, определяющим его способность накапливать и удерживать на обкладках электрический заряд, является электрическая

-Рис. 1. Распределение зарядов в поляризованном диэлектрике плоского конденсатора:

/ - обкладка, 2 - диэлектрик

емкость, или просто емкость. Емкость конденсатора определяется отношением заряда на его обкладках к напряжению между ними: C = Q/U. Единицей емкости является фарада (Ф). Заряд конденсатора Q измеряется в кулонах, а напряжение U - в вольтах.

Фарада -очень крупная единица емкости, поэтому обычно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (мкФ), составляющей миллионную часть фарады, и пикофарадой (пФ), которая равна одной миллионной части микрофарады: 1 мкФ = 1-10"® Ф;

1 пФ=1.10-8 мкФ = 1 • ia-2 Ф.

Емкость конденсатора зависит от его геометрических размеров. Чем больше площадь обкладок и меньше расстояние между ними, тем больше емкость конденсатора. Кроме того, на величину емкости конденсатора влияет диэлектрик (разделяющий обкладки), который характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Емкость плоского конденсатора (Ф), состоящего из двух обкладок, разделенных диэлектриком (рис. 1),

-площадь обкладок, м; d - толщина

C=EoeS/d, где S диэлектрика, м.

Заменяя 8о числовым значением ео = оолучим емкость, мкФ,С=8,85-10"

36 я-109

12-!Аф=8,85-10

Ф/м)

Обычно конденсаторы большой емкости состоят из нескольких параллельно соединенных единичных конденсаторов, называемых секциями. Конденсаторы высокого напряжения монтируют из ряда последовательно соединяемых секций. Применяют также смешанное (па-

с, Сг С}

41- Hh

4 У ч\

Рис. 2. Соединение секций конденсаторов: а - параллельное, б - последовательное, в - параллельно-последовательное

раллельно-последовательное) соединение секций в конденсаторе.

Как известно из электротехники, при параллельном соединении секций (рис. 2, а) общая емкость конденсатора равна сумме емкостей отдельных секций: C = C-i-C2-f Сз-f ...-f Ст.

Если все секции имеют одинаковую емкость Со и число таких секций т, общая емкость конденсатора при параллельном соединении С=тСо.

При последовательном соединении секций (рис. 2, б) величина, обратная общей емкости кон-

денсатора, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных секций:

Общая емкость конденсатора всегда меньше самой малой из всех емкостей соединенных секций.

Если все секции имеют одинаковую емкость Со и число таких секций п, общая емкость конденсатора при последовательном соединении С = Со/п.

При смешанном соединении секций (рис. 2, е), имеющих одинаковую емкость Со и собранных из п последовательно соединенных групп секций, где каждая группа составлена из т параллельно соединенных секций, общая емкость конденсатора

С = тСо/«.

Очень часто конденсаторы, как и секции, соединяют в группы, называемые батареями. Соединение конденсаторов выполняют параллельно, последовательно или смешанно. Общую емкость батареи определяют по тем же формулам, что и при соединении секций в конденсаторах.

Если к конденсатору подключить источник постоянного напряжения (см. рис. 1), на его обкладках появятся электрические заряды, которые создадут электрическое поле напряженностью Е. Под действием сил этого поля электроны в атомах диэлектрика сместятся относительно ядра и вместе с ним образуют упругосвязанные противоположные заряды, называемые диполями.

Диполи внутри диэлектрика выстраиваются вдоль электрического поля. Положительные заряды диполей смещаются в сторону отрицательных зарядов соответствующей обкладки конденсатора, а отрицательные - в сторону положительных зарядов другой обкладки. Таким образом, заряды на обкладках конденсатора оказываются связаны зарядами диполей диэлектрика. При исчезновении электрического поля заряды возвращаются в исходное положение и диполи также исчезают.

Молекулы некоторых диэлектриков содержат в своем составе связанные между собой положительные и отрицательные заряды, которые являются готовыми диполями Эти диполи, обычно расположенные хаотично, под действием электрического поля поворачиваются вдоль

него и также связывают заряды на обкладках конденсатора. При исчезновении электрического поля диполи вновь располагаются беспорядочно.

Смещение упругосвязанных электрических зарядов и ориентация дипольных молекул диэлектрика под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика. Поляризация, связанная со смещением электронов в атоме, называется электронной, а диэлектрики, в которых проявляется только электронная поляризация, называют неполярными. Электронная поляризация не связана с потерями энергии и происходит практически мгновенно. Она бывает во всех диэлектриках независимо от наличия в них других видов поляризации.

Поляризация, связанная с поворотом диполей в диэлектрике, называется дипольной, а диэлектрики, в которых проявляется дипольная поляризация, - полярными. Дипольная поляризация связана с потерями энергии, затрачиваемой на преодоление внутреннего трения при (Повороте диполей, и происходит не мгновенно, а в течение определенного времени.

Кроме указанных видов поляризации различают ионную, структурную, межслойную и другие виды поляризации диэлектриков. Ионная поляризация происходит в кристаллах с ионным строением и подобно электронной поляризации практически мгновенно. Me же л о й-н а я поляризация проявляется в слоистых и неоднородных диэлектриках при низких частотах и обусловлена ограниченным перемещением слабо связанных или свободных ионов. Структурная поляризация происходит в твердых веществах, молекулы которых содержат полярные группы, и связана с потерями энергии.

Исследования показывают, что чем сильнее поляризуется диэлектрик в электрическом поле, тем выше его относительная и абсолютная диэлектрические проницаемости и тем большую емкость можно получить у конденсатора заданных размеров.

Практически приходится пользоваться только величиной относительной диэлектрической проницаемости s (слово «относительная» в дальнейшем изложении опускается) .

Диэлектрическая проницаемость вакуума принята за единицу. У большинства газов и паров она близка к единице, в то время как у ряда других веществ диэлектри-

ческая проницаемость значительно больше единицы, а в отдельных случаях достигает даже нескольких тысяч.

Величину диэлектрической проницаемости можно определить как отношение емкости конденсатора с диэлектриком из данного вещества к емкости конденсатора тех же размеров, но диэлектриком которого является вакуум: s = C/Co.

Величина диэлектрической проницаемости для разных диэлектриков различна и в той или другой степени зависит от частоты тока и температуры.

§ 5. Сопротивление изоляции конденсаторов

Если к диэлектрику, находящемуся между обкладками конденсатора, приложить постоянное напряжение, то по окончании заряда конденсатора через диэлектрик будет проходить электрический ток, называемый током утечки или током сквозной проводимости. Ток утечки вызывается тем, что реальные диэлектрики несовершенны, так как в них имеются свободные заряды в виде ионов и электронов. Под действием электрического поля положительные заряды диэлектрика будут двигаться к отрицательно заряженной обкладке, а отрицательные заряды - к положительно заряженной обкладке. Дойдя до обкладок, заряды нейтрализуются. Движение зарядов внутри диэлектрика вызывает также прохождение тока во внешней цепи.

Диэлектрики могут иметь ионную или электронную проводимость в зависимости от преобладания в них свободных ионов или электронов. Однако в большинстве случаев приходится считаться только с наличием ионной проводимости.

Зная приложенное к обкладкам конденсатора напряжение и и значение тока утечки iyi, можно определить сопротивление изоляции конденсатора, оказываемое прохождению постоянного тока: Яиз=и/1ут-

Обычно сопротивление изоляции конденсатора очень велико, поэтому его принято выражать не в омах, а в мегомах (МОм). Ток утечки выражается в микроамперах (мкА), а напряжение--в вольтах: 1 МОм= 1 • ЮОм; 1 А=Ы06 мкА.

Сопротивление изоляции конденсатора является одной из его качественных характеристик. Чем больше сопротивление изоляции, тем выше качество диэлектрика.