Kondensatoriai technikoje ir gamtoje

Pirmasis kondensatorius buvo pagamintas 1745 m. Olandijoje. Tyrėjas Piteris van Mušenbrukas (Pieter van Musschenbroek, 1692–1761) sumanė įelektrinti vandenį. Jis paėmė vandens pilną butelį, pro jo kamštelį įkišo vinį ir ją įelektrino elektros mašina (1.6.1 pav., a). Atjungęs elektros mašiną tyrėjas, vienoje rankoje laikydamas butelį, kita ranka netyčia palietė vinį ir pajuto stiprų elektros smūgį. Vadinasi, vinis išlaikė elektros krūvį. Vinis šiame įrenginyje atstojo vieną kondensatoriaus plokštę (elektrodą), o butelį laikanti ranka – kitą. Kadangi bandymas buvo atliktas Leideno universitete, naujas įrenginys pavadintas Leideno stikline. Taigi, Leideno stiklinė buvo pirmasis kondensatorius technikos istorijoje. Jau minėtas JAV tyrėjas B. Franklinas pastebėjo, kad elektros krūvį geriau sukaupia tuščias stiklinis indas, iš abiejų pusių padengtas metalo folija (1.6.1 pav., b). Dar vėliau paaiškėjo, kad stiklinio indo nereikia. Elektros krūvį gali kaupti du laidininkai, atskirti dielektriko sluoksniu.

Elektrotechnikoje naudojami įvairūs kondensatoriai (1.6.2 pav.). Pagal dielektriko medžiagą jie skirstomi į popierinius, keraminius, žėrutinius, orinius ir pan. (žr. 1.1 lentelę). Dielektriko medžiaga lemia kondensatoriaus technines charakteristikas: talpą, tikslumą, didžiausią leidžiamąją įtampą, sandarumą (žr. 1.1 lentelę). Tikslūs ir sandarūs polistireniniai kondensatoriai (1.6.2 pav.), o labai stipriai elektros srovei gauti naudojami didžiatalpiai kondensatoriai, kurių talpa siekia net 1 500 F.

Pagal formą kondensatoriai skirstomi į plokščiuosius, sferinius ir cilindrinius (1.6.3 pav.). Dažniausiai naudojami plokštieji ir cilindriniai kondensatoriai. Gaminant kondensatorius vietoj metalinių plokščių (elektrodų) naudojama plona metalo folija. Tarp folijos juostelių dedama parafinuoto popieriaus, žėručio, keramikos ar kitokio dielektriko. Pavyzdžiui, gaminant popierinį kondensatorių naudojamos dvi metalo folijos juostos, atskirtos parafinuoto popieriaus juostomis. Popieriaus ir folijos juostos susukamos į ritinį ir sudedamos į korpusą (1.6.4 pav.). Kad kondensatorių būtų galima įjungti į elektros grandinę, padaromi du išvadai.

Kondensatoriai skirstomi į pastoviosios (1.6.2 pav.) ir kintamosios talpos (1.6.5 pav., a). Pastoviosios talpos kondensatoriai elektrinėse schemose žymimi , o kintamosios . Kintamosios talpos kondensatorių sudaro besisukančios plokštės, kurių padėtį įtvirtintų plokščių atžvilgiu galima keisti velenėliu (1.6.5 pav., a). Sukant prie velenėlio pritvirtintą rankenėlę keičiasi plokščių tarpusavio padėtis ir jų bendras plotas, kartu ir kondensatoriaus elektrinė talpa. Didėjant bendram plokščių plotui kondensatoriaus talpa didėja, o jam mažėjant mažėja. Kintamosios talpos kondensatoriai naudojami radijo imtuvuose. Sukiojant radijo bangų reguliavimo rankenėlę galima keisti kondensatoriaus elektrinę talpą ir priimti radijo stočių siunčiamas bangas.

Kintamosios talpos kondensatoriai naudojami kompiuterių klaviatūrose (1.6.5 pav., b). Po kiekvienu klaviatūros klavišu yra kondensatorius. Paspaudus klavišą atstumas tarp kondensatoriaus plokščių sumažėja ir dėl to pakinta jo talpa. Keičiantis kondensatoriaus elektrinei talpai keičiasi ir elektriniai signalai kompiuteryje.

Ar kada nors susimąstėte, jog ne kartą pabuvojote kondensatoriuje? Pasirodo, mes gyvename didžiuliame gamtiniame kondensatoriuje (1.6.6 pav., a). Viena jo plokštė (elektrodas) – Žemės paviršius, kita – jonosferos sluoksnis. Žemės paviršius įelektrintas neigiamai, o jonosferos sluoksnis – teigiamai. Dielektriko vaidmenį atlieka oras. Tarp Žemės rutulio ir jonosferos susidariusiame kondensatoriuje sukaupiamas apie 6 ∙ 105 C elektros krūvis, elektrinė talpa siekia 711 μF, o elektrinio lauko stipris apie 130 N/C. Elektrinio lauko jėgų linijos išeina iš jonosferos ir yra nukreiptos žemyn, Žemės paviršiaus link (1.6.6 pav., a). Tarp Žemės paviršiaus ir jonosferos susidaro apie 400 000 V įtampa.

Virš Žemės paviršiaus susidarius audros debesiui gamtiniame kondensatoriuje įvyksta pokyčių. Atsiranda tarsi du kondensatoriai. Vieną kondensatorių sudaro jonosferos sluoksnis ir audros debesis, kitą – audros debesis ir Žemės paviršius (1.6.6 pav., b). Norint suprasti, kodėl taip nutinka, reikia prisiminti geografijos žinias. Kamuoliniai audros debesys yra labai stori, apie 8–10 km. Temperatūra 10 km aukštyje siekia apie –50 °C. Žinoma, kad teigiamai įelektrinti vandens lašeliai užšąla aukštesnėje temperatūroje negu įelektrinti neigiamai. Teigiamai įelektrinti ledėsiai turi šiek tiek oro ir yra lengvesni, todėl debesyje kyla aukštyn. Taip krūviai debesyje persiskiria: teigiamasis krūvis kaupiasi viršuje, neigiamasis – apačioje. Debesies apačioje susitelkęs neigiamasis krūvis pritraukia teigiamąjį krūvį Žemės paviršiuje (1.6.6 pav., b).

Kai debesyje ir Žemės paviršiuje susikaupia didelis elektros krūvis, elektrinis laukas tarp jų labai sustiprėja. Stipraus elektrinio lauko veikiamas elektros krūvis pradeda tekėti oru (dielektriku) iš debesies į Žemę. Šis reiškinys vadinamas žaibu (1.6.6 pav., c). Vadinasi, žaibuojant vyksta gamtinio kondensatoriaus pažaida – elektros krūvis iš debesies per orą (dielektriką) nuteka į Žemę.