Несмотря на многообразие конструкций конденсаторов, обусловленное условиями эксплуатации и соответствующими требованиями, по существу, устройство большинства из них такое же, как лейденской банки, т. е. между двумя металлическими электродами (обкладками) — диэлектрик.
Конечно, по сравнению с лейденской банкой существенно изменились размеры и внешний вид конденсаторов. В качестве диэлектрика и обкладок используются различные материалы, отличающиеся свойствами и толщиной, которая у современных типов конденсаторов составляет от сотых долей до десятков микрометра.
Конденсаторы в эпоху рождения радиосвязи
В плоть до конца XIX века вся практическая электротехника базировалась на использовании систем постоянного тока, применять в которых конденсаторы не было никакой необходимости. Положение резко изменилось в XX веке в связи с широким практическим применением электротехники переменных токов в радиосвязи и электроэнергетике.
Весь путь дальнейшего совершенствования конденсаторов связан со стремительными и всевозрастающими темпами развития электроники и электротехники. Это триумфальное шествие было еще впереди, а те далекие годы — конец XIX — начало XX века — ознаменовались величайшим изобретением и началом практического применения радио, или, как тогда говорили, беспроволочного телеграфа.
Этому изобретению предшествовали гениально простые эксперименты Генриха Герца с электрическими вибраторами и резонаторами, представлявшими собой, по сути дела, высокочастотные колебательные контуры с распределенной емкостью и индуктивностью.
Генрих Герц (1857—1894) — выдающийся немецкий физик и Оливер Хевисайд (1850—1925) — гениальный английский физик-электротехник придали уравнениям Максвелла современную форму. Именем Герца названа единица частоты колебаний — один герц (1 Гц) — одно колебание в секунду.
Хевисайд — автор операторного метода расчета переходных процессов и символического метода расчета стационарных процессов в электрических цепях. Он на 15 лет раньше Альберта Эйнштейна вывел всемирно известное выражение, связывающее энергию и массу: Е = m х С2.
Генрих Герц на почтовой марке ГДР 1994 года
В вибраторе Герца затухающие электромагнитные колебания возбуждались в результате электрического пробоя воздушного промежутка между шарами при подаче к ним высокого напряжения от катушки Румкорфа. Электромагнитные волны излучались в пространство этим же вибратором, т. е. он служил одновременно и генератором, и антенной.
Второй контур, так называемый резонтор, являющийся индикатором электромагнитных волн, имел такие же размеры, как вибратор, благодаря чему обеспечивалась точная настройка "приемника" на частоту "передатчика".
Поскольку тогда не было никакого другого индикатора, способного реагировать на изменяющееся с огромной частотой электромагнитное поле (около ста миллионов периодов в секунду в опытах Герца), гениальный Герц использовал для этого тот же принцип, что и для возбуждения колебаний в вибраторе — электрический пробой промежутка между шарами на концах резонатора под действием наведенного электромагнитным полем напряжения.
Практически пробой он наблюдал в виде слабой искры, проводя эксперименты в затемненной комнате.
Герц осуществил большое количество экспериментов, ставя между вибратором и резонатором преграды из различных материалов, располагая их на разном расстоянии и в разном положении.
Благодаря этим экспериментам была доказана волновая природа электромагнитных явлений, экспериментально подтверждены свойства их распространения, явления преломления, отражения, затухания и другие свойства, которые предсказывались теоретически уравнениями Максвелла.
Современные многоэлементные антенны ультракоротких волн имеют вибраторы, напоминающие те, которые применял Герц.
Хотя, по существу, эксперименты Герца были первым применением "приемника" и "передатчика", такая система резонаторов не могла служить для передачи информации на большие расстояния, поскольку у "приемника" была слишком низкая чувствительность.
Для возникновения искры в промежутке в 1 мм между шарами резонатора необходимо, чтобы в нем наводилось напряжение порядка нескольких тысяч вольт.
Для возбуждения такого напряжения при той добротности и размерах резонатора, которые имелись в распоряжении Герца, требовалась напряженность электромагнитного поля около 103 вольт на метр.
Это примерно в десять миллионов раз большая величина, чем чувствительность современных радиоприемников, и примерно в 10000 раз больше той напряженности, которая нужна для обеспечения нормальной громкости простейшего детекторного приемника с наушниками.
Кстати, изобретателем одной из разновидностей этого приемника (1922) был советский инженер О. В. Лосев. Этот приемник назывался кристадином Лосева.
Почтовые марки СССР 1949 года
Изобретение преподавателем Кронштадтской минной школы А. С. Поповым более чувствительного приемника радиоволн сделало реальной возможность осуществления дальней беспроводной связи с помощью электромагнитных колебаний.
Первое применение радиосвязи состоялось в январе 1900 года на расстояние около 45 км при проведении работ по снятию с мели броненосца русской балтийской эскадры "Апраксин". Тогда же была послана радиограмма командиру ледокола "Ермак" о необходимости спасения рыбаков, которых унесло на льдине.
А. С. Попов усовершенствовал систему регистрации электромагнитных волн благодаря применению когерера — трубки с металлическим порошком, сопротивление которого изменялось под действием электромагнитных импульсов. Для усиления волн и повышения чувствительности он использовал антенну (отрезок провода), подсоединив его к когереру.
Изобретение радио А. С. Поповым на марках СССР
Несколько позднее, на первых порах развития радиотехники, от кратковременных импульсов затухающих колебаний, которые генерировали искровые передатчики, перешли к незатухающим колебаниям.
Электромагнитные колебания возбуждались с помощью дуговых генераторов. В них удавалось возбуждать незатухающие колебания в контуре дуга — конденсатор и индуктивность благодаря отрицательному нелинейному сопротивлению электрической дуги.
Частота генерируемых колебаний в таком устройстве равна частоте собственных колебаний электрического контура, определяемого емкостью конденсатора и индуктивностью.
Электрическая дуга, открытая в 1802 году русским ученым В. В. Петровым, используется для сварки и плавки металлов, в мощных источниках света — прожекторах.
Отрицательное сопротивление, проявляющееся как уменьшение падения напряжения на дуге при росте тока, объясняется увеличением количества носителей зарядов — ионов в дуге при увеличении тока. Нелинейность дуги обнаруживает себя в непропорциональном изменении этих величин.
Дуговые передатчики из-за ряда недостатков (низкий коэффициент полезного действия, большой уровень помех и др.) вскоре были заменены передатчиками с высокочастотными машинными генераторами-альтернаторами.
Они, в свою очередь, после изобретения и совершенствования радиоламп уступили место ламповым генераторам (1913—1916), которые являются генераторами незатухающих колебаний и удовлетворяют многообразные требования современной радиотехники.
Если в дуговом передатчике конденсатор использовался для настройки контура на определенную частоту, то в передатчике с машинным генератором конденсатор выполняет новую функцию — компенсирует реактивную мощность ферромагнитного умножителя частоты.
Первая марка посвященная радио (Гватемала, 1919 год)
Первые конструкции конденсаторов
В период доламповой радиотехники возможно было применение только телеграфного принципа передачи информации, т. е. сообщения передавались с помощью различных наборов (кодов) импульсов.
Для этого работой (мощностью или частотой) искровых, а затем дуговых генераторов оператор управлял с помощью телеграфного ключа. В приемном аппарате сигналы из антенны поступали в детектор, заменивший когерер.
Детектор управлял работой реле, которое, в свою очередь, управляло простейшим печатающим сигналы аппаратом, основанным на использовании электромагнита.
Слово детектор происходит от английского to detect — обнаруживать, т. е. детектор — "обнаружитель", в частности электромагнитных волн.
Детектором вначале (1905) служила платиновая проволочка в электролите. Год — два спустя всеобщее распространение получил предложенный в разных вариантах кристаллический полупроводниковый детектор (первое применение твердых полупроводников!).
Марка СССР 1958 года
Бурное развитие радиосвязи, в основном для военно-морского флота, уже в начале XX века вызвало необходимость промышленного производства конденсаторов, изготовлявшихся ранее кустарным способом.
Для генераторов передатчиков требовались высокочастотные (на частоту в десятки и сотни тысяч герц) так называемые контурные конденсаторы. Они должны были иметь малые потери энергии, выдерживать высокие напряжения и большие переменные токи.
Для этих целей был разработан быстро ставший основным видом конденсатор с диэлектриком в виде пластинок из минеральной слюды, обладавшей высокой электрической прочностью и низкими потерями.
Для точной настройки антенны на частоту передающей радиостанции разрабатываются различные конструкции воздушных конденсаторов переменной емкости.
Серия маркок СССР "К 70-летию изобретения радио" 1965 года
В 1900 году был выдан патент на производство бумажных конденсаторов с напрессованными на бумажную ленту обкладками из тончайшей по тем временам фольги, состоящей из олова (толщиной около одной тысячной доли миллиметра). Впоследствии эта конструкция преобразовалась в металлизированные конденсаторы.
Действительно широкая практическая необходимость в конденсаторах различных видов, емкостей и назначений возникает в эпоху ламповой радиотехники и электроники, особенно после создания в 1904 году Джоном Амброзом Флемингом двухэлектродной лампы — диода, прекрасно выпрямлявшего переменный ток, и в 1906 году американским ученым-изобретателем Ли де Форестом трехэлектродной лампы — триода (аудиона, как его тогда называли), способного усиливать слабые электрические колебания, подаваемые на его сетку.
С изобретением триода, а затем и многоэлектродных ламп человечество получило возможность управлять электрическими сигналами по любому закону, усиливать их до нужной величины.
На основе электронных ламп появилась возможность создавать компактные, долговечные ламповые генераторы незатухающих колебаний для радиопередатчиков, мощность которых управлялась бесконтактным путем с помощью электрических сигналов от микрофона.
Почтовая марка 1973 года США в честь аудиона де Фореста
В 1910 году де Форест провел первую в истории музыкальную радиопередачу из театра Метрополитен, где давалась опера с участием Карузо. Тогда же он начал ежедневные музыкальные передачи, которые слушало все возрастающее число радиолюбителей. До этого речь и музыка могли передаваться на дальние расстояния с помощью только проводной связи.
Электронные лампы позволили также более эффективно использовать радиотелеграф, так как с их помощью можно было осуществлять прерывистую (в соответствии с кодом передачи) генерацию сигналов одной стабильной частоты.
Решающее значение приобрело изобретение электронных ламп для совершенствования радиоприемников.
Диод Флеминга заменил все несовершенные детекторы электромагнитных волн. Появились усилители и генераторы высокочастотных и низкочастотных сигналов.
Для них потребовались конденсаторы различного назначения (фильтровые, контурные, разделительные, блокирующие и т. д.), как на высокие частоты и напряжения, так и на низкие.
Это обусловило расширение материалов, используемых при разработке конденсаторов, а также существенное разнообразие их конструкций.
В частности, для получения конденсаторов большой емкости низкого напряжения начинает широко применяться конструкция намотанного спиралью ленточного бумажного конденсатора.
Благодаря низкой стоимости и удовлетворительным качествам бумажные конденсаторы с пропиткой парафином и другими различными воскообразными веществами, а также жидкостями оказались наряду со слюдяными конденсаторами самыми долгоживущими — они выпускаются и применяются уже около 120 лет.
Почтовая марка Чили 1997 года
Создаются первые образцы жидкостных электролитических конденсаторов, обладающих при одинаковом объеме существенно большей, чем бумажные, емкостью благодаря большой площади и малой толщине диэлектрика.
В этих конденсаторах одной из обкладок служит алюминиевая фольга. Из-за электрохимического травления увеличивается площадь ее поверхности, при этом создается тонкий слой диэлектрика — окиси алюминия, обладающий высокой электрической прочностью (до 1000 вольт на микрометр). Второй обкладкой является жидкий электролит, контактирующий с диэлектриком.
Недостаток электролитических конденсаторов такой конструкции — это их полярность, т. е. они допускают работу только при определенном знаке напряжения на его обкладках, а также большая величина потерь энергии при воздействии переменного напряжения.
Расширяется производство стеклянных конденсаторов и с бумажным диэлектриком, пропитанным бакелитом, шеллаком.
Главным качественным сдвигом в развитии конденсатора явилось создание в начале XX века специализированных предприятий для производства конденсаторов. Происходит и довольно четкое разделение конденсаторов на основные группы, сохранившиеся и в наши дни.
Как в электротехнических, так и в радиотехнических устройствах выделяются сильноточные (или силовые) и слаботочные конденсаторы. Делятся конденсаторы и по областям применения: телефонные, радиоконденсаторы, электроэнергетические и т. д.
Конверт с постовой маркой Австралии 1973 года
Применение конденсаторов в 10 — 20-е годы XX века
Исследования и разработки в области радиотехники во время первой мировой войны велись быстрыми темпами и в обстановке секретности. Аудион де Фореста усовершенствовался, ему находили все новые применения.
Из физики, вернее из ее области — электротехники, постепенно, и в основном в эти годы, выделилась новая прикладная наука — электроника.
Огромным стимулом для ее развития послужили потребности военной электроники, а вскоре после окончания первой мировой войны и бытовой электроники, в основном производства радиоприемников и систем проводного вещания для миллионов жителей планеты.
Расширялись и системы проводной связи — телеграфа и телефона. Для обеспечения большей дальности передач постоянно росла мощность передающих радиостанций.
Схемы радиопередатчиков и приемников стремительно множились и усложнялись. Число конденсаторов в них росло, расширялись их функции. Для усилителей низкой частоты радиоприемников необходимы были конденсаторы на низкое (сотни вольт) напряжение небольшой емкости (доли микрофарады).
Почтовая марка Бразилии 1945 года
Для мощных усилителей низкой частоты — модуляторов передатчиков — требовались конденсаторы несколько большей емкости на более высокое напряжение (до нескольких тысяч вольт).
Такие конденсаторы должны были иметь высокую электрическую прочность и большое сопротивление изоляции, что обеспечивалось диэлектриком из многослойной, хорошо высушенной бумаги, пропитанной различными веществами (воскообразными, жидкими).
В цепях питания постоянного тока для фильтрации напряжения нашли самое широкое применение электролитические конденсаторы.
Блок "Радио, телевидение", Германия, 1973 год
История электронной техники на почтовых марках Аррубы
В высокочастотных цепях радиоприемников и передатчиков требовались конденсаторы постоянной и переменной величин сравнительно небольшой емкости (сотни — десятки тысяч пикофарад). Но если для радиоприемников это могли быть конденсаторы низкого напряжения, то для передатчиков необходимы были конденсаторы высокого напряжения и больших токов высокой частоты.
В связи с увеличением количества радиостанций и необходимостью выделения для каждой из них определенной полосы частот. Довольно скоро диапазон длинных и средних волн был полностью заполнен. В связи с этим, а также для увеличения дальности и повышения качества приема уже в начале 30-х годов началось освоение коротковолнового диапазона.
Кроме ставших уже традиционными слюдяных конденсаторов, обладающих исключительно высокими электрическими характеристиками, и воздушных конденсаторов разрабатываются герметичные вакуумные и наполненные воздухом и азотом с повышенным (до нескольких десятков атмосфер) давлением, а а также керамические конденсаторы (из радиофарфора). Они оказались способными выдерживать весьма высокие напряжения (до нескольких десятков тысяч вольт), имели в ряде случаев меньшие габариты и потери энергии, чем слюдяные.
Почтовая марка на тему электроники Сирии 1971 года
Применение конденсаторов в 30 — 40-е годы XX века
30 — 40-е годы XX века характеризуются бурным развитием радиотехники. Освоение коротких, а затем ультракоротких волн и сверхвысоких частот вызвали к жизни такие новые области применения радиотехники, как:
- радионавигация и радиопеленгация (ориентирование судов и самолетов, в частности, определение местонахождения в пространстве с помощью радиотехнических средств и методов),
- радиоастрономия (изучение космических объектов с помощью радиотехники),
- радиолокация (обнаружение и определение местонахождения различных объектов посредством облучения их радиоволнами и приема отсаженных сигналов),
- телевидение (передача и прием изображений с помощью радиоволн).
В этот же период уже широко используются устройства для записи и воспроизведения звука, в основном в профессиональных целях, на радио и киностудиях.
Электронные и радиотехнические устройства становятся незаменимыми орудиями научных исследований, прежде всего в области физики и в самой электронике. Совершенствуются методы и средства измерения.
Количество схемных решений устройств электронной техники быстро увеличивается, от них требуется выполнение различных задач и функций.
Расширение области применения радиотехники и электроники вызвало широкое развитие производства элементной базы устройств — резисторов, радиоламп, конденсаторов и т. д.
В разработке конденсаторов становятся главными снижение габаритов и повышение надежности.
В конце 20-х годов возникает качественно новое направление электроники — импульсная техника. Принцип действия устройств импульсной техники основывается на использовании нелинейных свойств электронных ламп, магнитных материалов и принципов обратных связей.
В 1974 году Верховный суд США объявил, что изобретателем обратной связи является Ли де Форест.
Для радиотелефонной связи использовались устройства, основной принцип действия которых базировался на применении линейных (пропорциональных) усилителей.
Нелинейность использовалась при детектировании (выделении низкочастотных сигналов) и при стабилизации амплитуды колебаний в генераторах.
В радиотелеграфе, правда, применялся принцип импульсного кодирования сигналов. Однако в этих случаях получались радиоимпульсы, т. е. "пачки" радиоволн синусоидальной формы.
Радиолокационное оборудование на почтовой марке Франции 1964 года
Радиолокационные устройства, аппаратура телевидения, автоматического управления и регулирования требовали различные по форме, величине напряжения, длительности, скоростям нарастания и спада импульсные токи и напряжения, так называемые видеоимпульсы.
Одним из основных элементов в импульсных схемах стал конденсатор, где использовалось его свойство быстро накапливать и отдавать энергию. В связи с этим конденсаторы должны были обладать малыми собственными индуктивностями, выдерживать кратковременные токи большой амплитуды, высокие напряжения и т. д.
В результате среди силовых конденсаторов образовалась большая специализированная группа — импульсные конденсаторы с особыми конструкциями выводов и других элементов.
В маломощных импульсных устройствах с успехом продолжали применяться традиционные виды конденсаторов — обычно слюдяные или бумажные.
Высоковольтные импульсные конденсаторы начинают использоваться не только в радиолокационных установках, но и для импульсной электросварки, при которой сварка металлических деталей происходит в точке прохождения мощного импульса тока.
Для технологических целей в 30-е годы широко внедряются многие достижения радиотехники и электроники. Это стало возможным благодаря созданию все более мощных и высокочастотных радиоламп и устройств.
В конце 20 — начале 30-х годов появляются четырехэлектродные (тетроды), пятиэлектродные (пентоды) и радиолампы с большим числом электродов (гексоды, гептоды, октоды), затем — мощные разборные радиолампы, лампы для сверхвысоких частот — магнетроны, клистроны и др.
Электрическая печь на марке Канады 2011 года
Конденсаторы для электротермии
В 30-х годах XX века разработаны высокоэффективные установки высокочастотного нагрева, плавки, сварки, закалки металлов и других материалов, а затем высокочастотного нагрева диэлектрических материалов. Впервые применяется высокочастотный нагрев в медицинских целях. Обнаружили, что больные участки тела поглощают значительно больше электромагнитной энергии, чем здоровые.
Для компенсации реактивной мощности индукционных установок понадобились конденсаторы большой мощности (на сотни тысяч вольт-ампер) и на частоты в сотни и тысячи герц. Образуется специальная группа электротермических конденсаторов — "печных", как их тогда называли.
В начале 30-х годов в СССР для электротермии разрабатываются конструкции мощных бумажных конденсаторов с жидкой пропиткой минеральным (нефтяным) маслом. Во время второй мировой войны развитие радиотехники, электроники, масштабов производства средств связи, радиолокации значительно возросло.
Для устройств, применяемых в военных целях, характерно требование высокой надежности и тяжелых условий эксплуатации.
Например, элементы приемопередатчика (лампы, резисторы, дроссели, конденсаторы и т. д.) радиолокационного взрывателя снарядов должны были выдерживать гигантскую силу от ускорения, возникающего при выстреле. Самолетная радиоаппаратура должна была выдерживать большие перепады давлений и температур (от —60 до +70 и выше градусов).
Для военно-морского флота требовалась аппаратура, стойкая к влаге. Все эти требования учитывались разработчиками элементов. Создаются конденсаторы в герметичных металлических корпусах, способных длительно противостоять различным неблагоприятным внешним воздействиям.
Другие специальные конденсаторы
Специфические требования предъявил к конденсаторам автомобильный, железнодорожный, морской, воздушный транспорт.
Повышенные вибрации, удары, перепады температур, влажность — далеко не полный перечень тех условий, в которых работают конденсаторы на транспортных средствах. В некоторых случаях эти требования приводили в затруднение даже разработчиков космической техники.
Другим специфическим требованиям должны отвечать конденсаторы для работы во взрыво- и пожароопасных условиях, например в шахтах и других специальных производствах и т. д. Для этих условий разрабатываются конструкции специальных конденсаторов.
Продолжение статьи: Эволюция конденсаторов и развитие конденсаторостроения во второй половине XX века