Емкостная связь

Теперь, когда я рассказал вам о том, как конденсаторы заряжаются и разряжаются, вернемся к ранее сделанному утверждению: «конденсатор не пропускает постоянный ток».

Возможно, вы помните, что я также сказал «пока вы подаете на конденсатор неизменный во времени электрический потенциал, это утверждение остается верным».

Но что если этот электрический потенциал будет меняться? Что происходит в тот момент, когда конденсатор переходит из состояния отсутствия заряда к внезапному подключению источника напряжения? Что ж, это совсем другое дело. В этих условиях электрический сигнал способен пройти через конденсатор.

Как такое возможно? Обкладки внутри конденсатора не касаются друг друга, как же тогда электрический импульс может перескочить с одной на другую? Вскоре мы разберемся с «как» и «почему». Но сначала вам необходимо убедиться в том, что описываемое мною происходит на самом деле.

Взгляните на компоненты макетной платы, показанной на рис. 2.81. Эта компоновка подобна схеме на рис. 2.75, но резистор номиналом 10 кОм переместился с левой стороны на правую, а также появился светодиод и резистор 470 Ом.

На рис. 2.82 изображена электрическая схема устройства с рис. 2.81, которая поможет прояснить ситуацию.

И чтобы не возникло недоразумений, на рис. 2.83 я указал все компоненты и обозначил их номиналы.

Рис. 2.81. Мигание красного светодиода демонстрирует работу конденсатора при быстрой смене напряжения

После того как вы соберете схему, вначале не забудьте нажать кнопку В, чтобы разрядить конденсатор. Затем нажмите кнопку А. Подумайте, почему светодиод вспыхнул и медленно погас?

Нажмите кнопку А снова. На этот раз почти ничего не происходит. Очевидно, что перед началом работы конденсатор должен быть в разряженном состоянии. Поэтому нажмите кнопку В, чтобы разрядить его. Теперь опять нажмите кнопку А, и светодиод загорится снова.

Рис. 2.82. Схема устройства, изображенного на рис. 2.81

Рис. 2.83. Компоненты на макетной плате

Мы знаем, что в исходном состоянии напряжение на конденсаторе практически отсутствовало, поскольку он был подключен к отрицательному заземлению через резистор 10 кОм. Кроме того, перед началом эксперимента, нажав кнопку В, вы замкнули обе обкладки конденсатора между собой. (Вот почему я просил вас разрядить его.)

Затем вы нажимаете кнопку А, которая мгновенно подает на одну из обкладок положительный импульс, одновременно зажигается светодиод, соединенный с другой обкладкой. Ток, проходящий через светодиод, должен был откуда-то взяться, и единственное объяснение состоит в том, что он поступает от конденсатора.

Ток смещения

Давайте попробуем повторить эксперимент, подключив вместо светодиода и резистора мультиметр. На рис. 2.85 показана компоновка макетной платы, а на рис. 2.84 – электрическая схема. Разрядите конденсатор, нажав кнопку В, а затем снимите показание мультиметра. Оно должно быть около нуля вольт.

При нажатии кнопки А следите за мультиметром очень внимательно. Цифровой прибор реагирует не сразу, но вы все же увидите резкое увеличение напряжения и его последующее постепенное уменьшение.

Рис. 2.84. Схема для измерения тока смещения

Когда я подключил к этой схеме осциллограф, который может измерять и отображать очень быстрые изменения напряжения, сигнал был похож на кривую, которую я добавил в нижней части рис. 2.85. Увеличение напряжения было таким быстрым, что казалось мгновенным.

То, что ток, протекающий через конденсатор, может изменяться практически мгновенно, хорошо известно и это часто используется в электронике. Но как такое возможно?

Рис. 2.85. Вместо светодиода с резистором в этой установке включен мультиметр

Этот вопрос заинтересовал первого экспериментатора, Джеймса Максвелла, который считал, что так быть не должно; поэтому он разработал теорию и придумал выражение для описания увиденного. Он назвал данное явление током смещения. Это соответствовало некоторым теориям, которые он разрабатывал в то время.

Сегодня есть и другие теории. Очевидно, что бросок тока резко меняет электрическое поле внутри конденсатора, и этот эффект может навести напряжение на противоположной обкладке. На самом деле все происходит гораздо сложнее, но в большинстве популярных книг просто говорится что-то вроде «конденсатор не пропускает постоянный ток, но пропустит колебания напряжения».

Если вы возьмете конденсатор меньшей емкости, то увидите, что он пропускает более короткий импульс. Уберите мультиметр и верните светодиод и резистор 470 Ом обратно в схему, а затем попробуйте использовать конденсаторы емкостью 100 мкФ, 10 мкФ, 1 мкФ и 0,1 мкФ. В последних экспериментах мигание светодиода вряд ли будет заметно.

Переменный ток

Если вы соберете предыдущую схему (см. рис. 2.84), но измените полярность питающего напряжения, она по-прежнему будет работать, хотя ток потечет в противоположном направлении (рис. 2.86). На рис. 2.87 показана экспериментальная установка, где резистор 10 кОм перемещен влево, а кнопка А – вправо. Мультиметр по-прежнему измеряет напряжение в точке между резистором и конденсатором. В схеме на рис. 2.86 отображена эта модификация устройства.

Рис. 2.86. Электрическая схема устройства, изображенного на рис. 2.87

Рис. 2.87. Полярность подачи питания изменена на обратную

После того как вы нажмете и отпустите кнопку В, чтобы разрядить конденсатор, мультиметр покажет значение напряжения около 9 В, потому что верхний вывод конденсатора подключен к положительной шине через резистор номиналом 10 кОм. Конденсатор не пропускает постоянный ток, и поэтому создается впечатление, что его сопротивление бесконечно, а положительному заряду «некуда идти». На рис. 2.88 показано, как увеличивается напряжение между двумя резисторами, когда растет сопротивление между этой точкой и заземлением.

Тем не менее, когда вы нажимаете кнопку А в вашей установке на макетной плате, это создает отрицательный импульс. Эффективное сопротивление конденсатора на некоторое время исчезает, пока проходит импульс, в результате чего показания мультиметра снизятся. Затем конденсатор медленно перезаряжается, как это было в предыдущем опыте. Кривая, изображенная внизу на рис. 2.87, демонстрирует общее представление о том, как изменяется заряд конденсатора.

Рис. 2.88. Когда у вас два последовательно соединенных резистора и левый из них подключен к источнику питания, а правый к отрицательному заземлению, то напряжение между ними увеличивается по мере роста номинала правого резистора

Подведем итог:

• Конденсатор не пропускает постоянный ток.

• Тот же конденсатор пропускает быстрые колебания напряжения, независимо от направления тока.

• Кроме того, конденсатор накапливает электрический заряд.

Это приводит к важному заключению. Поскольку переменный ток – это быстрая серия относительно отрицательных и относительно положительных импульсов, конденсатор