К традиционному пониманию сущности конденсатора мы должны добавить несколько существенных штрихов. Основная характеристика - ёмкость- на удивление точна в названии. Однако, современная физика не даёт её иной физической интерпретации, кроме математической функции , где отражено влияние геометрии конденсатора и относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика. Значит, отсюда нам и надо начинать.

§1. Относительная диэлектрическая проницаемость.

    В статье "Шаг к структуре пространства" [1] рассмотрена связь закона Кулона

^{( 1)}

с формулой для энергии электрона из атомной физики

^{( 2).}

Показано, что формула (2) в общем виде определяет силу взаимодействия электронов

^{( 3).}

Опуская знак силы, приравниваем значения силы в формулах (1, 3) и получаем:

^{( 4).}

Вычисляем левую часть уравнения

^{( 5).}

и замечаем нечто удивительное в правой части равенства (4): . То есть, равенство (4) однозначно заставляет нас признать, что относительная диэлектрическая проницаемость в формуле Кулона равна единице.
     Не станем напрягать ситуацию и сразу поясним, что всё дело в энергии электрона, значение которой в справочниках указано для нормальных условий. Теперь мы знаем, что согласно уравнению (5) и радиус электрона тоже зависит от этих условий, и что уравнение (2) надо записывать в общем виде. Так, если энергия электрона является в общем виде функцией некоторых параметров- давления и температуры Е_е(Т,Р) , то радиус электрона корректно выражать отношением

^{( 6).}

Уравнение (2) в общем виде принимает вид

^{( 7).}

Мы подошли к конкретной проблеме- влиянию среды на энергию электронов. Это влияние определяется не только действием внешних источников энергии, но также и энергией атомов и молекул. Поэтому здесь присутствует еще параметр давление, как плотность энергии, как отношение энергии атома к его удельному объёму . Следовательно, при той же температуре различные среды характеризуются различным приращением энергии свободных электронов и небольшим уменьшением радиуса согласно (6)

^{( 8).}

И выясняется, что энергия растет аддитивно (добавлением), а радиус изменяется мультипликативно (умножением), отчего величина Y не совсем постоянна, она изменяется при изменении окружающих условий и смене среды (в нашем случае -диэлектрика). Следовательно, диэлектрическая проницаемость среды изменяется в функции энергии атомов, но это не может быть отражено введением сомножителя ε . Вот потому-то мы пользуемся эмпирическими значениями этого параметра.
    Но есть ещё и секрет, который я раньше не выкладывал. Так, вскользь упоминал на странице о атомах и частицах личного сайта [2]. В общем, дело в следующем: человеческий принцип измерения расстояний - определение числа укладывающихся мер на данном расстоянии. При этом расстояние мы измеряем расстояние r₁ между центрами частиц. Природа "работает" несколько иначе. В её распоряжении механизм формулы (2) со стороны излучателя энергии m₁ и ближайшая точка А поверхности частицы- приемника энергии m₂ (рис.1).

Рис. 1. К природному принципу определения расстояний.

     В данном примере природа определит расстояние величиной r₂, но согласно (2) выразить его она может только "в радиусах" частицы-излучателя в безразмерном виде

^{( 9).}

     Вот он источник наших погрешностей:
♦ природное ;
♦ безразмерное зависит от радиуса частицы m₁, который, в свою очередь, является функцией энергии согласно (6);
     С уменьшением числителя в формуле (9) вариации знаменателя вносят очень большую ошибку. А происходит это в средах, существенно различающихся по плотности. Все эти влияния и призвана скорректировать безразмерная величина ε в законе Кулона. Только там она в знаменателе и влияет снижением силы взаимодействия, а вот в конденсаторе она в числителе и влияет увеличением ёмкости. Как это происходит,- увидим ниже.

§2. Электрическая напряженность в диэлектрике.
     Это второй штрих, необходимый нам для рассмотрения физики конденсатора. Суть его вкратце в том, что все рассуждения о поведении электронов в электрическом поле начинаются с электрической силы

^{( 10).}

А в современной физике напряженность электрического поля вычисляется до наивности просто- как отношение разности потенциалов к толщине диэлектрика . Наивность в том, что давно известен характер поля энергии (2), который не изменится, если обе части равенства разделить на заряд

^{( 11).}

     Приложив напряжение U к поверхностям диэлектрика, мы не изменяем закон, а лишь добавляем потенциал на отрицательном электроде

^{( 12).}

и уменьшаем- на положительном

^{( 13).}

Полагаю, нет необходимости пояснять - почему напряжение поделилось на 2 половинки. Это потому, что энергия диэлектрика не изменилась (нет затрат энергии) при подключении напряжения, а это возможно только при равенстве приращений энергии на противополярных "воронках" энергии. Так вот, "воронки" энергии имеют радиус, всего лишь в 10-20 радиусов электрона. И если толщина диэлектрика больше, чем м, во внутренней области диэлектрика напряженности нет (рис.2).

Рис. 2. Диаграмма распределения потенциалов в диэлектрике.

     Те, кто читал о сущности электрического тока [3], знают: продвижение потенциала вглубь тела возможно только при наличии ускоренного движения электронов, когда накапливаемая кинетическая энергия электронов передается атомам и поднимает их потенциал. То есть, кривая по рис.2 спрямляется исключительно за счет движения свободных электронов. В диэлектрике это происходит только при пробое, поэтому в нормальном режиме эффективная толщина диэлектрика составляет доли пикометра. Потому-то диэлектриком конденсаторов служат тончайшие конденсаторная бумага, плёнки окислов или жидкость.

§3. Пружинные весы и электрон.
     Этот заголовок совсем кажется неуместным. Но он нужен, нужен для понимания параметра "жёсткость", аналога термина "коэффициент упругости" в механике. Действительно, в механике этим параметром характеризуется сопротивление пружины деформациям . Пружинные весы и создают нужный образ пропорциональности между силой F и деформацией х. Но какая связь с конденсатором?

А всё просто: емкость конденсатора с квадратными электродами площадью S и дистанцией d между ними (рис.3) абсолютно определяется емкостями свободных электронов в диэлектрике. На площади S размещено m² электронов. Значит, если ёмкость электрона равна С_е , емкость слоя равна . Ну а последовательное соединение слоев просто уменьшает емкость в n раз

^{(Ф). ( 14).}

Рис. 3. Конденсатор из n слоев по m² электронов.

     А вот емкость конденсатора-электрона

^{(Ф). ( 15).}

напрямую выводит нас к образу пружины. В самом деле, мы знаем, что свидетелем роста энергии является приращение давления. Произведение давления на площадь - это сила. То есть, со стороны отрицательной обкладки конденсатора свободные электроны испытывают действие отталкивающей силы.
     Рассмотрим простейший конденсатор, в котором емкость образуется цепочкой одиночных электронов (рис. 4а).

Рис. 4. Иллюстрация смещения зарядов в конденсаторе.

     На рисунке 4б показано смещение dx зарядов к плюсовой обкладке конденсатора, а рисунок 4в показывает способ создания кратковременного тока в цепи конденсатора. Снятие напряжения возвращает заряды в исходное состояние, что и создает эффект сжатия-отпускания пространства подобно пружине.

§4. Заряд и энергия конденсатора
     Теперь ясно, что электроны вблизи минусовой обкладки конденсатора получают дополнительную энергию, а вблизи плюсовой - уменьшенную. Плотность энергии (давление) у минусовой обкладки будет выше, вот почему все электроны смещаются к плюсовой обкладке. Вот именно это состояние называют ошибочно "разделением зарядов", когда у обкладок конденсатора скапливаются "положительные и отрицательные заряды в бесконечно тонком слое".
    Поскольку от отрицательного электрода электроны отодвинуты, образуется "пустота", которая по законам жанра заполняется электронами источника напряжения. Эта фаза характеризуется "током заряда", -непродолжительным процессом заполнения пустот. Мы интуитивно угадываем, что с повышением напряжения заряд конденсатора должен усиливаться. Это верно, ведь потенциальные "воронки" на рис.1 становятся и глубже, и шире. Получается, что высвобождаемый объем пропорционален напряжению. Только не забудем, что глубина "воронок" равна половине приложенного напряжения. Тогда число n добавленных электронов также пропорционально напряжению

^{( 16).}

Энергию конденсатора определим просто

^{( 17).}

в начало наверх на главную
ССЫЛКИ:
1. Руднев А.Д. Шаг к структуре пространства.
2. Руднев А.Д. Атомы и частицы.
3. Руднев А.Д. Физика электрического тока.