Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Не трудно видеть, что первые изобретатели исходили из понятий «электрической жидкости», которую привычно разливали по разным сосудам…

Более детальные и продуктивные опыты провел Франклин, исследовавший роль диэлектрика (стекло), разделяющего обкладки: рука-гвоздь в лейденской банке. Вылив воду из заряженного конденсатора, он залил его новой водой и обнаружил, что он опять заряжен. Отсюда он сделал вывод о том, что заряды противоположных знаков «сидят» на двух поверхностях стекла. Ошибка Франклина была обнаружена только в 1922 г. Адденбруком. В специальном разборном конденсаторе он заменил стекло парафином и показал роль адсорбированной пленки воды в опыте Франклина.

Эта ошибка нисколько не умаляет многих других заслуг этого ученого и политического деятеля, и его следы мы видим не только на стодолларовой купюре: знаки «+» и «-» для разноименных электрических зарядов ввел именно Франклин. Однако и он не избежал проведения опытов над животными: «Самым крупным существом, которое нам удалось умертвить электрическим ударом, был довольно крупный цыпленок», — пишет Франклин в своих сочинениях.

Возвращаясь на научную стезю, особо следует отметить работы Фарадея по исследованиям различных диэлектриков, используемых в конденсаторах. Вообще Фарадей сделал много разных замечательных открытий, но вошел в парад знаменитых ученых, именами которых были названы единицы измерения, благодаря исследованиям диэлектриков. Да и сам этот термин ввел в физику Фарадей. Он смастерил специальный сферический конденсатор — два металлических шара — один внутри другого. Это — обкладки, а пространство между ними заполнял различными веществами и проводил измерения электрической емкости конденсатора. Не случайно поэтому, единице электрической емкости дано наименование «фарад».

Плоский конденсатор мы обнаруживаем в электрометре Вольта: его верхний ввод был выполнен из двух горизонтальных пластин, изолированных друг от друга лаком.

Блочно-пакетная конструкция конденсаторов в виде стопки чередующихся полосок металлической фольги, разделенных изоляционными слоями, была предложена русским электротехником П. Н. Яблочковым во второй половине XIX в. Им же были предвосхищены так называемые «электролитические конденсаторы».

Основные типы конденсаторов

Различают конденсаторы постоянной и переменной емкости.

В зависимости от того, какой материал использован в качестве диэлектрика, конденсаторы бывают: воздушными, бумажными, керамическими, пленочными и др. На рис. 4 представлены конденсаторы постоянной емкости.

Рис. 4. Конденсаторы:

а, в— внешний вид керамических и электролитических конденсаторов; б, г— УГО и компоненты EWB

Основными характеристиками конденсаторов являются: номинальная емкость, выражаемая в фарадах (Ф) и дольных единицах (мкФ, нФ, пФ и т. д.); допуск в процентах от номинального значения; максимальное допустимое напряжение. Общее число факторов, учитываемых при выборе конденсаторов, доходит до 18.

Номинальная емкость конденсаторов с указанием допуска, а также рабочее напряжение в основном проставляются на их корпусах. Однако в последние годы, цветовые художества появились и на конденсаторах. Геометрические же формы конденсаторов весьма разнообразны: диски, цилиндры, призмы и т. д. Весьма популярные танталовые сухие оксидные конденсаторы имеют каплеобразную форму, напоминая головастиков с двумя лапками.

Цветовые метки, это и кольца, и полосы, и пятна, и размещаются по-всякому. Так что «Палата № 6» здесь присутствует в полном составе. Хорошо еще, что иногда проставляется величина емкости: ее измерение все-таки сложнее, чем измерение сопротивления, хотя умельцы умудряются измерять небольшие емкости с помощью… радиоприемника (подумайте, как). Одно обнадеживает: электроника не стоит на месте, а бурно развивается.

Особо остановимся на электролитических конденсаторах (см. рис. 4, в, г ), которые радиолюбители именуют «электролитами». Это полярные приборы. В них используется жидкий и твердый электролиты. Алюминиевые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде цилиндров, внутри которых размещается слоистый рулон из чередующихся лент: анод из алюминия, оксидированный его окисью, первый бумажный разделитель, катод из неоксидированного алюминия, второй бумажный разделитель. Вся конструкция помещается в корпус, в который добавляют электролит и герметизируют.

В конденсаторах с твердым электролитом вместо бумаги используется материя, пропитанная нитратом магния. Если размотать внутренний рулон конденсатора, то получится длинный плоский сэндвич с двумя выводами от анода и катода. Рассматривая этот сэндвич как обыкновенный плоский конденсатор с двумя обкладками, не трудно оценить его емкость по известным геометрическим размерам, приняв относительную диэлектрическую постоянную бумаги равной 2. Выполнив нехитрый расчет и сверившись с величиной емкости, проставленной на корпусе, увидим, что мы ошиблись на очень много порядков. Дело в том, что мы сделали принципиальную ошибку, приняв разделительную бумагу за разделяющий диэлектрик. На самом деле диэлектриком в электролитическом конденсаторе служит пленка оксида алюминия, а она гораздо тоньше, да и диэлектрическая постоянная у нее в десятки раз больше. Так что второй обкладкой служит поверхность электролита, соприкасающаяся с окисной пленкой (в рулоне с двух сторон).

Сам электролит и катод являются электродами (тоководами), как в первых конденсаторах: бутылках, банках. Наличие электролита внутри замкнутой полости приводит к тому, что если включить конденсатор на переменное напряжение, то вследствие обильного газовыделения он взорвется. Так что с «электролитами» надо обращаться осторожно.

Диэлектрик в электролитических конденсаторах выполняют также на основе оксидов тантала или ниобия, или ряда полупроводников. Емкости подобных конденсаторов могут достигать 0,5 Ф — это гигантская величина: Фарадей вряд ли поверил бы, что такие емкости возможны. Однако, как оказалось, это далеко не предел возможного. Вернемся теперь к упомянутой ранее комбинации конденсатор-ХИТ, названной ионистором.

Ионистор (по зарубежной терминологии — supercapacitor — суперконденсатор или ультраконденсатор — ultracapacitor ) — это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред: электрода и электролита. (Здесь полезно поразмышлять над вышеупомянутыми опытами Франклина и Адденбрука.)