Опыты с конденсаторами. Окончание.
Оригинал взят у mntc в Опыты с конденсаторами. Окончание.
Наконец, последняя часть статьи про конденсаторы. (Начало тут).
Способность конденсатора изменять свое состояние со временем позволила создать такое замечательного устройство как колебательный контур, генерирующее переменное напряжение или импульсы другой формы заданной частоты. Такие контуры стоят в радиопередатчиках, да и много где. Так вот, ученые построили колебательный контур из наноразмерных конденсатора и катушки. И передают - только не радиоволну а свет, потому что такая высокая частота у этого контура. А поскольку контур настраивается точно, на резонансную частоту, то и получился не фонарик, а лазер.
В момент включения тока конденсатор не заряжен. Но вот ток включен и гонит заряды на одну обкладку и откачивает их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней протекает ток, и будет течь пока конденсатор не зарядится. Ток течет столько времени, сколько нужно для заряда конденсатора. Это время зависит от емкости конденсатора и сопротивления цепи. Если между конденсатором и батареей не включено большое сопротивление, то время заряда конденсатора очень мало и ток в проводах протекает кратковременно. При заряде конденсатора энергия, сообщаемая батареей, переходит в энергию электрического поля, возникающего между пластинами конденсатора.
После окончания процесса заряда конденсатора проходящий через него ток не совсем равен нулю, а принимает некоторое конечное значение, называемое током утечки Iут. Разделив напряжение на конденсаторе на этот ток, можно узнать сопротивление изоляции конденсатора. В идеале оно должно быть бесконечным, а на практике просто большое и может составлять гига- и даже тераомы.
Ток утечки это не всегда зло. Собственно электронная лампа и транзистор - своего рода конденсаторы с регулиуремым током утечки. Иногда ток утечки конденсатора находит самые неожиданные применения. Например, наличие радиации обычно увеличивает этот ток (ионизирующее излучение ионизирует диэлектрик и образовавшиеся заряженные частицы текут к обкладкам, создавая ток), и на этом принципе основан знаменитый счетчик Гейгера. А еще иногда специально намазывают одну из обкладок конденсатора радиоактивным веществом (не делайте так дома) и поскольку под действием радиации разные газы ионизируются в межобкладочном пространстве по разному, получается датчик химического состава газов.
Это еще что: на токе утечки конденсатора энтузиасты даже планируют летать в космос! Речь идет о загадочном эффекте Бифельда-Брауна: высоковольтный воздушный конденсатор с обкладками разной площади создает подъемную силу. Не ахти какую, но увиденные мною на выставке парящие матрицы асииметричных конденсаторов смотрятся очень эффектно. Пока, насколько мне известно, ко всем моделям таких электролетов высоковольтное питание подается с земли по тоненьким проводам - ионный ветер расходует довольно большой ток, и конструкторам пока не удалось разместить источники питания на борту аппарата. Хотя, полагаю, что если использовать тонкие и легкие литий-ионные аккумуляторы от современной цифровой техники в сочетании с электронным преобразователем напряжения, то он продержится в воздухе сколько-то секунд, и кто-нибудь из вас, дорогие читатели войдет в историю авиации как создатель первого автономного летательного аппарата такого типа. В историю космонавтики же вряд ли, потому что откуда возьмется ионный ветер в вакууме… но тут надеюсь, последнее слово останется не за мной, а за экспериментаторами. В конце концов, ионы можно в космос и с собой привезти.
Динамическое поведение конденсатора во времени позволяет его использовать и для сглаживания напряжений: в источниках питания, преобразующих переменный ток в постоянный, практически всегда используются конденсаторы, помогающие сглаживать пульсации напряжения и, таким образом, получать стабильный постоянный потенциал. Одним из первых включил конденсатор в цепь переменного (по русской терминологии того времени - перемежающегося) тока опять же Яблочков. Это имело важнейшее значение для становления и развития электро-, а в последствии и радиотехники.
В цепи переменного тока заряды перекачиваются то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора повышенный по сравнению с другой обкладкой заряд, ток начинает их перекачивать в обратном направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на то что она разорвана конденсатором будет существовать ток - ток заряда и разряда конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется ему для «заполнения» и тем сильнее будет ток в цепи. Величина тока зависит также от частоты. Если один и тот же конденсатор заряжать-разряжать чаще, то и электронов через сечение проводников цепи за секунду будет проходить больше.
На этом явлении основано излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует ёмкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.
Конденсатор как индуктивность
Часто применяют конденсатор и для ограничения постоянного тока: при последовательном соединении конденсатора и источника сигнала, например, микрофона, конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный. Данное свойство конденсатора основывается на том, что он представляет собой сопротивление, обратно пропорционально зависимое от частоты. Чем выше частота проходящего сигнала, тем меньше сопротивление конденсатора и наоборот; для постоянного тока частота изменения сигнала равна 0, потому сопротивление приближается к бесконечности. Эта функция используется почти во всех усилителях. И наоброт - чтобы защитить цепь от высокочастотного сигнала, обычно ВЧ сигнал через конденсатор отправляют на «нуль», а дальше идет низкочастотная составляющая сигнала. Изменяя величину емкости конденсатора, можно изменить предельную частоту фильтра. Но на частотах свыше 10 МГц эффективность фильтрации пульсаций ими резко падает. Связано это с паразитной индуктивнсотью конденсаторов. Она имеет мало значения в низкочастотных устрйоствах, но на высоких частотах уже не дает себя игнорировать. Дело в том, что каждый конденсатор имеет резонансную частоту, на которой его сопротивление переменному току минимально.
f=1/2π√(LC)
При частотах выше резонансной конденсатор уже ведет себя не столько как конденсатор, сколько как индуктивность. Поэтому, эффективно использовать его можно только на частотах ниже резонансной. Как видим, чем меньше индуктивность, тем выше допустимая частота. При параллельном включении конденсаторов паразитная индуктивность уменьшается, поэтому в высокочастотных схемах можно видеть группы параллельных конденсаторов (иногда, впрочем, это делается по другой причине - купить упаковку одинаковых конденсаторов и набирать другие соединением стандартных порой дешевле чем купить разных конденсаторов понемногу)
Поэтому инженеры начали обвешивать высокочастотные микросхемы и узлы гирляндами множеством соединенных параллельно керамических чип-конденсаторов (а). Об использовании выводных конденсаторов здесь и речи быть не может из-за дополнительной индуктивности выводов. Большинство производителей конденсаторов для решения этой проблемы выпускают специальные серии конденсаторов со сниженной эквивалентной последовательной индуктивностью. Для этих целей выводы конденсаторов располагают по длинной стороне, что снижает конструктивную индуктивность примерно вдвое (б). Еще больше удается снизить индуктивность в конструкции трехвыводного конденсатора (в), имеющего устройство цилиндра со стержнем внутри. Индуктивности трудно паразитировать в такой конструкции и потому один трехвыводной конденсатор заменяет гирлянду из десятка обычных. По законам жанра, следующим ходом производителей может стать пропускание множества тонких проводников через массив отверстий в монолитном третьем выводе (г) что позволит далее снизить индуктивность системы за счет распараллеливания одного большого трехвыводного конденсатора на много маленьких, но расположенных в едином корпусе.
И правда - уже кто-то изобрел конденсатор из параллельно соединенных волоконных конденсаторных элементов, соединенных в одну объемную конструкцию изоляционным связующим веществом. Каждый конденсаторный элемент состоит из волоконного сердечника (внутреннего электрода), диэлектрического покрытия и внешнего электрода. Теоретический анализ такого многоволоконного конденсатора показал, что при согласовании диаметра волоконного сердечника и толщины диэлектрического покрытия он имеет оптимальную и более высокую емкость, чем известный многослойный конденсатор.
Конденсатор как светодиод
Пропускать переменный ток через конденсатор интересно еще и потому, что у некоторых диэлектриков от этого начинается электролюминесценция, т.е. свечение, принцип котрого точно такой же как в светодиодах. Электроны, рекомбинируя с дырками отдают свою энергию в виде фотонов - только в светодиодах до рекомбинации они разделяются в силу p-n перехода, а у нас - путем возбуждения высокоэнергетическими электронами (ускоряемых сильным электрическим полем). Электролюминесцентные панели широко используются в дисплеях и декоративной подсветке. Именно коаксиальным конденсатором с емкостью около 3 нФ на метр является электролюминесцентный провод (иногда называемый холодным или гибким неоном), который в отличие от гирлянд светится весь, по всей своей длине и на все 360о вокруг себя, и настолько тонок и гибок, что позволяет использовать его даже в декорации одежды. Энергетическая эффективность электролюминесцентного провода очень высока: например, электролюминесцентный провод длиной 2-3 м может работать от пальчиковой батарейки несколько часов.
Конденсатор как транзистор
Допустим, конденсатор может заменить датчики, моторы, резисторы, светодиоды и прочую мелочь. Но транзистор-то как?
Во-первых, центральной деталью любого полевого транзистора является.. что бы вы думали? Конечно же опять конденсатор.. Не является исключением и недавно созданный нанотехнологами «одноэлектронный транзистор» на нанотрубке. Его затвор и есть конденсатор, хранящий один-единственный электрон.
Но главная деталь транзистора не конденсатор, а все же полупроводниковй p-n переход, скажете вы. Именно им обусловлены замечательные свойства транзистора - усиление, управление, генерация сигналов. Но, с p-n переходом, усиливать сигналы, как говорится «и дурак сможет». А наш конденсатор может работать усилителем (а значит, генератором, основой логических схем и т.п.) безо всяких полупроводников!
Правда, не любой, а с диэлектриком, способным менять ε под действием приложенного к конденсатору напряжения, т.е. сегнетоэлектриком (например, титанатом бария). Небольшое изменение напряжения, приложенного к такому конденсатору резко меняет его емкость (такой конденсатор называется по-научному вариконд). А мы ведь недавно выяснили, что чем больше емкость конденсатора, тем меньше его сопротивление переменному току. А раз напряжение управляет сопротивлением (а стало быть, током), то чем это хуже транзистора? Эта конструкция называется диэлектрический усилитель, и действительно, в нем небольшое изменение напряжения входного сигнала сопровождается значительным изменениям емкости конденсатора и приводит к большим изменениям величины текущего через него тока. В результате на нагрузке получается переменное напряжение, величина которого пропорциональна подводимому сигналу. Есть и другие конструкции диэлектрических усилителей, и вообще много замечательных схем с варикондами. Я искал вариконд чтобы построить такой усилитель, но на Митинском рынке продавцам это слово было в диковинку.
Правда в обычных применениях конденсатора, нелинейность вредна - она создает искажения, которые люди с музыкальным слухом чувствуют. Поэтому чем меньше похож диэлектрик конденсатора на сегнетоэлектрик тем лучше. Поэтому там, где искажения особенно не нужны, используют диэлектрики с преимущественно электронной поляризацией, такие как воздух или фторопласт.
Конденсатор как диод
Кстати, обычный полупроводниковый диод при включении в обратной полярности ведет себя в точности как конденсатор - ведь его p-n переход имеет толщину порядка 0,1-10 мкм и является прекрасным случаем тонкого «диэлектрика». Благодаря этому, несмотря на малую площадь перехода (квадратные миллиметры) его емкость может быть измерена мультиметром (для этого включайте диод в обратной полярности!) и составила 20 пф у диода, рассчитанного на ток 1А и 100 пф у диода на 10А (очевидно имеющего большую площадь p-n перехода). То есть диод ведет себя как вариконд. В современной технике вариконды практически полностью вытеснены варикапами - специальными диодами с особенно сильной зависимостью емкости от напряжения. На фото - принявшие участие в опыте диоды и варикап (самый маленький).
Кстати, не только диод может быть конденсатором, но и конденсатор диодом. Электролитический конденсатор во времена, когда диоды были дорогими и дефицитными, зачастую использовали в качестве выпрямителя.
Конденсатор как ячейка памяти
Конденсатор может хранить не только энергию, но и информацию. В системе оперативной памяти DRAM для хранения одного бита используется схема из одного конденсатора и одного транзистора. В показанном ниже ее макете конденсатор дает фиксированное напряжение на затвор полевого транзистора, который в зависимости от этого напряжения открыт «1», или закрыт «0». Кнопки S1 и S2 служат для записи этих значений, а светодиод отображает состояние ячейки.
Это очень дешево и компактно. Минусы DRAM во-первых, в том что заряд-разряд конденсатора занимает время. Во-вторых - хранится заряд в конденсаторе не вечно. Всегда на практике существует ток утечки, представленный электронами, умудряющимися тем или иным путем пробраться от отрицательно заряженной обкладки к положительной. Поэтому, чтобы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов приходится «регенерировать» через определённый интервал времени. Данные считывают, а потом записывают в те же ячейки, подзаряжая конденсаторы. Эта процедура то и дело занимает память, снижая в итоге ее быстродействие.
Тут спешат на помощь сегнетоэлектрики, поляризация которых отнюдь не пропадает при выключении питания. Поляризация в одном направлении может означать хранение в памяти единицы, а поляризация в другом направлении - нуля. Это называется FeRAM или FRAM, а в качестве конденсаторов используются наноостровки сегнетокерамики.
В последнее время для этих целей активно изучается органический сегнетоэлектрик - поливинилиденфторид. Его сегнетоэлектрические свойства не то чтобы рекордны, но поскольку это полимер, его легко наносить тонкими слоями. Молекулы его могут быть уложены по разному, но в сильном поле атомы углерода к которым присоединены фторы (несущие отрицательный заряд), переворачиваются поближе к положительной обкладке, а атомы углерода, к которым присоединены водороды - к положительной, выравниваясь как показано на рисунке. Так изначально хаотичный и неполярный полимер становится полярным, и диэлектрическая проницаемость полимерного слоя от этого растет.
Однако мы видели что при каждом перезаряде конденсатора рассеивается половина его энергии. Поэтому, возможно со временем это ограничит возможности миниатюризации конденсаторной памяти из-за проблем с теплоотводом.
Информация в конденсаторе может быть не только дискретной но и аналоговой. Благодаря свой способности запоминать уровень напряжения источника питания, конденсаторы используются в АЦП и устройствах выборки-хранения.
Конденсатор как магнит
Конденсаторы не обошли вниманием и такой казалось бы далекий от электростатики и традиционно «магнитный» прибор хранения данных как жесткий диск. Недавно испанские ученые разработали совершенно новый метод записи магнитных данных на специальный носитель.. без использования магнитных полей. Новая система записи представляет собой конденсатор, с обкладками из платины и оксида алюминия расположенными снизу и сверху магнитного материала (пленки из кобальта, толщиной менее 1 нм). Благодаря тонким эффектам релятивисткой механики, под действием электрического поля конденсатор электроны, находящиеся в слое кобальта, меняют вектор намагниченности магнитного материала. Обычно квантовые устройства боятся тепловых шумов и хорошо работают только в криогенных условиях, новый метод устойчиво работает и при комнатной температуре. Развитие этой технологии позволило бы компьютерам будущего не тратить время на загрузку операционной системы и потреблять меньшее количество энергии
Конденсатор как термометр
Если у варикондов емкость зависит от напряжения на обкладках, то у термоконденсаторов - от температуры. Коэффициент изменения ёмкости в зависимости от температуры (ТКЕ) очень интересен. Он зависит от структуры молекул и от фазовых переходов.
Существенное влияние температура оказывает и на сегнетоэлектрики. Как отмечалось ранее, при достижении некоторой температуры (температура Кюри) тепловые колебания разориентируют диполи и диэлектрическая проницаемость снижается.
Конденсатор как инновация
Конденсаторы есть и внутри микросхем. Чтобы их там создать, диэлектрик конденсатора формируют методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления. Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния и германия, оксиды алюминия, тантала, титана и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция. При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Материал обкладок конденсатора должен также иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, хорошую адгезию, обладать низкой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.
Иногда возникает необходимость конструирования пленочных конденсаторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления. Тогда используют так называемые подгоняемые конденсаторы, у которые есть запсные секции, которые можно отсечь лазерным лучом.
Не стоят на месте и технологии производства макроскопических конденсаторов. Напомним, что в оксидном конденсаторе диэлектриком служит оксидный слой, образующийся при электролизе на поверхности металла, который является одной обкладкой, при этом другой обкладкой служит электролит, необходимый для существования оксидного слоя. Толщина оксидного слоя при небольших напряжениях меньше микрометра, благодаря чему у оксидных конденсаторов рекордные удельные и абсолютные емкости. Чего только не придумали для увеличения площади обкладок электролитического конденсатора! Травлением фольги образуют на ней сотни тысяч микроуглублений на миллиметр.
Отечественные разработчики не отстают, а в ряде случаев и лидируют в технологии производства конденсаторов. Основным российским производителем и поставщиком алюминиевых, ниобиевых и танталовых конденсаторов на российский рынок и в страны СНГ является АО «Элеконд», реализующее в своих изделиях поры, туннели, оксиды с размерами от единиц до сотен нм. Конденсаторную фольги делают из специального алюминиевого проката с кубической структурой. После направленного травления получают в объеме фольги туннели в диаметре от нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сотен нанометров. В последующем оксидируем стенки туннелей оксидами со специальной структурой. Толщина оксидов определяется напряжением оксидирования и составляет от 10-12 нм и выше. Специальными методами пропитывают эти оксидированные туннели электролитами.
В ионисторах используют эффект двойного электрического поля в месте контакта углеродного слоя с ионами электролита. При этом величина пор углеродного слоя электрода сравнима с диаметром иона электролита и составляет в среднем 2-4 нм.
Специалисты саратовских институтов и предприятий малого бизнеса, показали новую методику синтеза и стабилизации наночастиц металлов, их оксидов и сульфидов в матрицах термопластичных полимеров и экспериментально показали возможность их использования в качестве перестраиваемых конденсаторов (при том дешевых и гибких) и устройств памяти. .
Российской инновационной компанией «Восток» создана наноструктурированная фольга для алюминиевых электролитических конденсаторов. Фольга нового типа изготавливается с помощью ионно-плазменной технологии нанесения алюминия на рулонные материалы в условиях вакуума. За счет максимальной площади рабочей поверхности достигается увеличение ее емкости (до 70%), уменьшаются толщина и вес, увеличивается механическая прочность и эластичность. Предложения наноструктурированной фольги и изготовленных на ее основе суперконденсаторов на мировом рынке в настоящее время отсутствуют. Испытания российских образцов специалистами японской компании, показали, что их характеристики вдвое лучше японских образцов (при том что Япония лидирует на мировом рынке, выпуская 75 % всех конденсаторов).
Активно проводятся опыты и по максимизации площади поверхности нанотрубками. А китайцы недавно приспособили в качестве шаблона для получения углеродных электродов с наноструктурированной поверхностью… панцирь краба. Обычно такие поверхности получают с помощью пористых твердых шаблонов: цеолитов или оксида кремния. Однако, эти шаблоны приходилось вытравливать из поверхности фтороводородной кислотой, что неудобно. Оказалось, что панцирь краба обладает подходящей наноструктурой - хорошо распределенной системой мироскопических пор. Обжиг крабового панциря на воздухе приводит к образованию пористого шаблона, состоящего главным образом из карбоната кальция. Добавка к системе мягкого полимерного шаблона и резолового прекурсора позволяет получить мезопористый углерод. Нагрев в атмосфере инертного газа позволяет удалить мягкий шаблон, шаблон из карбоната кальция удаляют действием соляной кислоты. Полученный в результате темплатного синтеза материал состоит из мезопористого углеродного нановолокна (диаметр волокон - 70 нм, диаметр поры - 11 нм), волокна разделены пустотами в 70 нм, расстояние между системами нановолокон составляет около 1 мкм. Уникальная структура углеродного материала способствует более глубокому проникновению в него электролита и транспорту электролита, материал отличается хорошей проводимостью, большой площадью поверхности (1270 м2/г); материал характеризуется большим количеством дефектов, которые могут способствовать равномерному распределению наночастиц металла в порах углеродного материала - такое распределение способствует синергетическому воздействию наночастиц и углеродного материала.
Недавно американцы создали суперконденсатор, который позволит всего за секунду заряжать ноутбук или телефон. Новинка состоит из множества углеродных сфер, вложенных одна в другую по принципу матрешки. В качестве основного материала выбраны наноалмазы, благодаря которым конденсатор способен за секунду вобрать в себя большое количество энергии, а потом отдать ее обычному литий-ионному аккумулятору. На единицу своего объёма новичок обладает мощностью, сравнимой с электролитическими конденсаторами, запасом энергии на порядок большим, а электрической ёмкостью - большей на четыре порядка. В новом элементе электроды изготовлены путём осаждения на подложку из диоксида кремния мириад «нанолуковиц» диаметром 6-7 нм, состоящих из множества углеродных сфер, вложенных одна в другую. «Луковицы» образуют слой толщиной в несколько мкм, что обеспечивает большую площадь обкладок и малое расстояние между ними.
Ученые Массачусетского технологического института создали миниатюрный трехмерный конденсатор по принципу оригами: в заготовку из мягкого полимера, помещаются микропроводники, по ним идет ток, и в магнитном поле заготовка в результате действия силы Лоренца сама складывается в трехмерный объект. В Физико-технологическом институте РАН трехмерные конденсаторы создали с помощью плазменного 3D-формирования. Проводятся опыты по непосредственной печати конденсаторов на струйных принтерах - микрокапельками проводников и диэлектриков. Предложен полностью полимерный конденсатор, электроды которого состоят из проводящего полимера, а диэлектрик - из обычного.
В 2004 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов открыли такое замечательное вещество, как графен - листочки из углерода толщиной в один атом. Для их получения плоские куски высокоориентированного пиролитического графита помещают между лентами скотча и расщепляют раз за разом, создавая все более тонкие слои. Графен проводит ток и является привлекательной обкладкой для наноконденсаторов будущего.
Диэлектрик под стать графену тоже создан - это так называемый «белый графен» - нитрид бора, очень похожий по структуре и свойствам (только неэлектрическим) на углеродный графен. Ученые из Университете Райса (США) и Сибирского федерального университета (Россия) научились контролировать число атомных слоев в пленке этого чудесного материала. Пожалуй, трудно придумать более компактный и изящный конденсатор, чем сэндвич из квадриллионов чередующихся атомарных слоев черного и белого графенов! Есть в природе и более мелкие атомы, чем бор и углерод, но они попросту не способны образовать одноатомные листочки!
Конденсатор как микроскоп
Казалось бы, если чем меньше толщина диэлектрика, тем выше емкость то почему бы не сделать его толщиной не в нанометры, а еще меньше - в десятые и сотые доли нанометров? Этому мешает туннельный эффект. Суть его можно сформулировать так: если пластины конденсатора очень близко (доли нанометров), то хоть электрону нельзя с одной на другую перейти, но иногда все-таки можно. Это «иногда» по мере сближения пластин экспоненциально превращается в «непременно». Но хитрые ученые и это, казалось бы безусловно вредное явление обратили в пользу. И в какую! Туннельный ток утечки в конденсаторе, образованной поверхностью и иглой сканирующего туннельного микроскопа позволяет получать изображения с таким увеличением, что можно хорошо разглядеть отдельные атомы. Ведь сила туннельного тока соответствует высоте поверхности под кончиком сверхострой иглы, которой пьезоэлементы (конденсаторы, диэлектрик которых деформируется в зависимости от накопленного конденсатором заряда) сканируют поверхность образца. Как видите, в этом любимом инструменте нанотехнологов «конденсатор на конденсаторе и конденсатором погоняет». Погоняет-то пьезоэлементы электронная схема, а какая электронная схема обходится без конденсаторов? Кстати, с помощью этого микроскопа ученые и смогли напрямую измерить емкости отдельных атомов и молекул.
Конденсатор как способ мышления
Вообще, как вы уже, наверное, поняли, конденсатор можно усмотреть буквально во всем. Электропроводка относительно земли тоже является конденсатором, и в сетях с напряжением более 1000 вольт, емкость между фазами и землей может создать большой емкостный ток, опасный для человека. И там еще частота невелика. А высокочастотным устройствам, таким как катушка Тесла вообще провода и изоляция не писаны - куда хочет ток, туда и идет, поскольку реактивные сопротивления конденсаторов «рука-изоляция-провод» на тех частотах ничтожно малы.
В какой-то мере все в мире действительно является конденсаторами, даже если отвлечься от того что атомы и молекулы это конденсаторы. ЛЭП, капли дождя, кофта и нос… конденсатор это не прибор, а способ рассмотрения вещей. И способ небесполезный! В наноразмерных системах малые расстояния делают электрические поля очень сильными, и «все относительно всего» является конденсатором. Тогда формулы емкости, энергии и т.п. принимают матричный вид, то есть таблиц в которых указана емкость каждого нанообъекта относительно каждого. И это иногда позволяет сделать выводы о силах, энергиях и других свойствах наносистемы. Характерна картинка из книги Т.Хейнцеля «Мезоскопическая электроника в твердотельных наноструктурах»:
Например, мы с вами уже знаем, что вся эта матрица конденсаторов будет стараться уменьшить свою емкость и напряжение на обкладках. Сформулировав это математически и используя компьютер, можно делать выводы «что к чему притянется» на наноуровне, т.е. осмысленно строить электромеханические наномашины.
В общем, про конденсатор можно написать тома и все равно будет мало. И если сей невзрачный копеечный радиоэлемент таит в себе столько чудес, то что можно сказать об остальных тысячах разновидностей радиодеталей и триллионах их сочетаний?!
Напоследок, кликните на следующую картинку для увеличения:
Наконец, последняя часть статьи про конденсаторы. (Начало тут).
Способность конденсатора изменять свое состояние со временем позволила создать такое замечательного устройство как колебательный контур, генерирующее переменное напряжение или импульсы другой формы заданной частоты. Такие контуры стоят в радиопередатчиках, да и много где. Так вот, ученые построили колебательный контур из наноразмерных конденсатора и катушки. И передают - только не радиоволну а свет, потому что такая высокая частота у этого контура. А поскольку контур настраивается точно, на резонансную частоту, то и получился не фонарик, а лазер.
В момент включения тока конденсатор не заряжен. Но вот ток включен и гонит заряды на одну обкладку и откачивает их с другой. Раз в цепи началось движение зарядов, значит в ней протекает ток, и будет течь пока конденсатор не зарядится. Ток течет столько времени, сколько нужно для заряда конденсатора. Это время зависит от емкости конденсатора и сопротивления цепи. Если между конденсатором и батареей не включено большое сопротивление, то время заряда конденсатора очень мало и ток в проводах протекает кратковременно. При заряде конденсатора энергия, сообщаемая батареей, переходит в энергию электрического поля, возникающего между пластинами конденсатора.
После окончания процесса заряда конденсатора проходящий через него ток не совсем равен нулю, а принимает некоторое конечное значение, называемое током утечки Iут. Разделив напряжение на конденсаторе на этот ток, можно узнать сопротивление изоляции конденсатора. В идеале оно должно быть бесконечным, а на практике просто большое и может составлять гига- и даже тераомы.
Ток утечки это не всегда зло. Собственно электронная лампа и транзистор - своего рода конденсаторы с регулиуремым током утечки. Иногда ток утечки конденсатора находит самые неожиданные применения. Например, наличие радиации обычно увеличивает этот ток (ионизирующее излучение ионизирует диэлектрик и образовавшиеся заряженные частицы текут к обкладкам, создавая ток), и на этом принципе основан знаменитый счетчик Гейгера. А еще иногда специально намазывают одну из обкладок конденсатора радиоактивным веществом (не делайте так дома) и поскольку под действием радиации разные газы ионизируются в межобкладочном пространстве по разному, получается датчик химического состава газов.
Это еще что: на токе утечки конденсатора энтузиасты даже планируют летать в космос! Речь идет о загадочном эффекте Бифельда-Брауна: высоковольтный воздушный конденсатор с обкладками разной площади создает подъемную силу. Не ахти какую, но увиденные мною на выставке парящие матрицы асииметричных конденсаторов смотрятся очень эффектно. Пока, насколько мне известно, ко всем моделям таких электролетов высоковольтное питание подается с земли по тоненьким проводам - ионный ветер расходует довольно большой ток, и конструкторам пока не удалось разместить источники питания на борту аппарата. Хотя, полагаю, что если использовать тонкие и легкие литий-ионные аккумуляторы от современной цифровой техники в сочетании с электронным преобразователем напряжения, то он продержится в воздухе сколько-то секунд, и кто-нибудь из вас, дорогие читатели войдет в историю авиации как создатель первого автономного летательного аппарата такого типа. В историю космонавтики же вряд ли, потому что откуда возьмется ионный ветер в вакууме… но тут надеюсь, последнее слово останется не за мной, а за экспериментаторами. В конце концов, ионы можно в космос и с собой привезти.
Динамическое поведение конденсатора во времени позволяет его использовать и для сглаживания напряжений: в источниках питания, преобразующих переменный ток в постоянный, практически всегда используются конденсаторы, помогающие сглаживать пульсации напряжения и, таким образом, получать стабильный постоянный потенциал. Одним из первых включил конденсатор в цепь переменного (по русской терминологии того времени - перемежающегося) тока опять же Яблочков. Это имело важнейшее значение для становления и развития электро-, а в последствии и радиотехники.
В цепи переменного тока заряды перекачиваются то в одну, то в другую сторону. Едва создав на одной обкладке конденсатора повышенный по сравнению с другой обкладкой заряд, ток начинает их перекачивать в обратном направлении. Заряды будут циркулировать в цепи непрерывно, значит в ней, несмотря на то что она разорвана конденсатором будет существовать ток - ток заряда и разряда конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем больше зарядов потребуется ему для «заполнения» и тем сильнее будет ток в цепи. Величина тока зависит также от частоты. Если один и тот же конденсатор заряжать-разряжать чаще, то и электронов через сечение проводников цепи за секунду будет проходить больше.
На этом явлении основано излучение радиоволн. Для этого мы возбуждаем в передающей антенне высокочастотный переменный ток. Но почему же ток течет в антенне, ведь она не представляет собой замкнутую цепь? Он течет потому, что между проводами антенны и противовеса или землей существует ёмкость. Ток в антенне представляет собой ток заряда и разряда этой емкости, этого конденсатора.
Конденсатор как индуктивность
Часто применяют конденсатор и для ограничения постоянного тока: при последовательном соединении конденсатора и источника сигнала, например, микрофона, конденсатор блокирует постоянный ток, но пропускает переменный. Данное свойство конденсатора основывается на том, что он представляет собой сопротивление, обратно пропорционально зависимое от частоты. Чем выше частота проходящего сигнала, тем меньше сопротивление конденсатора и наоборот; для постоянного тока частота изменения сигнала равна 0, потому сопротивление приближается к бесконечности. Эта функция используется почти во всех усилителях. И наоброт - чтобы защитить цепь от высокочастотного сигнала, обычно ВЧ сигнал через конденсатор отправляют на «нуль», а дальше идет низкочастотная составляющая сигнала. Изменяя величину емкости конденсатора, можно изменить предельную частоту фильтра. Но на частотах свыше 10 МГц эффективность фильтрации пульсаций ими резко падает. Связано это с паразитной индуктивнсотью конденсаторов. Она имеет мало значения в низкочастотных устрйоствах, но на высоких частотах уже не дает себя игнорировать. Дело в том, что каждый конденсатор имеет резонансную частоту, на которой его сопротивление переменному току минимально.
f=1/2π√(LC)
При частотах выше резонансной конденсатор уже ведет себя не столько как конденсатор, сколько как индуктивность. Поэтому, эффективно использовать его можно только на частотах ниже резонансной. Как видим, чем меньше индуктивность, тем выше допустимая частота. При параллельном включении конденсаторов паразитная индуктивность уменьшается, поэтому в высокочастотных схемах можно видеть группы параллельных конденсаторов (иногда, впрочем, это делается по другой причине - купить упаковку одинаковых конденсаторов и набирать другие соединением стандартных порой дешевле чем купить разных конденсаторов понемногу)
Поэтому инженеры начали обвешивать высокочастотные микросхемы и узлы гирляндами множеством соединенных параллельно керамических чип-конденсаторов (а). Об использовании выводных конденсаторов здесь и речи быть не может из-за дополнительной индуктивности выводов. Большинство производителей конденсаторов для решения этой проблемы выпускают специальные серии конденсаторов со сниженной эквивалентной последовательной индуктивностью. Для этих целей выводы конденсаторов располагают по длинной стороне, что снижает конструктивную индуктивность примерно вдвое (б). Еще больше удается снизить индуктивность в конструкции трехвыводного конденсатора (в), имеющего устройство цилиндра со стержнем внутри. Индуктивности трудно паразитировать в такой конструкции и потому один трехвыводной конденсатор заменяет гирлянду из десятка обычных. По законам жанра, следующим ходом производителей может стать пропускание множества тонких проводников через массив отверстий в монолитном третьем выводе (г) что позволит далее снизить индуктивность системы за счет распараллеливания одного большого трехвыводного конденсатора на много маленьких, но расположенных в едином корпусе.
И правда - уже кто-то изобрел конденсатор из параллельно соединенных волоконных конденсаторных элементов, соединенных в одну объемную конструкцию изоляционным связующим веществом. Каждый конденсаторный элемент состоит из волоконного сердечника (внутреннего электрода), диэлектрического покрытия и внешнего электрода. Теоретический анализ такого многоволоконного конденсатора показал, что при согласовании диаметра волоконного сердечника и толщины диэлектрического покрытия он имеет оптимальную и более высокую емкость, чем известный многослойный конденсатор.
Конденсатор как светодиод
Пропускать переменный ток через конденсатор интересно еще и потому, что у некоторых диэлектриков от этого начинается электролюминесценция, т.е. свечение, принцип котрого точно такой же как в светодиодах. Электроны, рекомбинируя с дырками отдают свою энергию в виде фотонов - только в светодиодах до рекомбинации они разделяются в силу p-n перехода, а у нас - путем возбуждения высокоэнергетическими электронами (ускоряемых сильным электрическим полем). Электролюминесцентные панели широко используются в дисплеях и декоративной подсветке. Именно коаксиальным конденсатором с емкостью около 3 нФ на метр является электролюминесцентный провод (иногда называемый холодным или гибким неоном), который в отличие от гирлянд светится весь, по всей своей длине и на все 360о вокруг себя, и настолько тонок и гибок, что позволяет использовать его даже в декорации одежды. Энергетическая эффективность электролюминесцентного провода очень высока: например, электролюминесцентный провод длиной 2-3 м может работать от пальчиковой батарейки несколько часов.
Конденсатор как транзистор
Допустим, конденсатор может заменить датчики, моторы, резисторы, светодиоды и прочую мелочь. Но транзистор-то как?
Во-первых, центральной деталью любого полевого транзистора является.. что бы вы думали? Конечно же опять конденсатор.. Не является исключением и недавно созданный нанотехнологами «одноэлектронный транзистор» на нанотрубке. Его затвор и есть конденсатор, хранящий один-единственный электрон.
Но главная деталь транзистора не конденсатор, а все же полупроводниковй p-n переход, скажете вы. Именно им обусловлены замечательные свойства транзистора - усиление, управление, генерация сигналов. Но, с p-n переходом, усиливать сигналы, как говорится «и дурак сможет». А наш конденсатор может работать усилителем (а значит, генератором, основой логических схем и т.п.) безо всяких полупроводников!
Правда, не любой, а с диэлектриком, способным менять ε под действием приложенного к конденсатору напряжения, т.е. сегнетоэлектриком (например, титанатом бария). Небольшое изменение напряжения, приложенного к такому конденсатору резко меняет его емкость (такой конденсатор называется по-научному вариконд). А мы ведь недавно выяснили, что чем больше емкость конденсатора, тем меньше его сопротивление переменному току. А раз напряжение управляет сопротивлением (а стало быть, током), то чем это хуже транзистора? Эта конструкция называется диэлектрический усилитель, и действительно, в нем небольшое изменение напряжения входного сигнала сопровождается значительным изменениям емкости конденсатора и приводит к большим изменениям величины текущего через него тока. В результате на нагрузке получается переменное напряжение, величина которого пропорциональна подводимому сигналу. Есть и другие конструкции диэлектрических усилителей, и вообще много замечательных схем с варикондами. Я искал вариконд чтобы построить такой усилитель, но на Митинском рынке продавцам это слово было в диковинку.
Правда в обычных применениях конденсатора, нелинейность вредна - она создает искажения, которые люди с музыкальным слухом чувствуют. Поэтому чем меньше похож диэлектрик конденсатора на сегнетоэлектрик тем лучше. Поэтому там, где искажения особенно не нужны, используют диэлектрики с преимущественно электронной поляризацией, такие как воздух или фторопласт.
Конденсатор как диод
Кстати, обычный полупроводниковый диод при включении в обратной полярности ведет себя в точности как конденсатор - ведь его p-n переход имеет толщину порядка 0,1-10 мкм и является прекрасным случаем тонкого «диэлектрика». Благодаря этому, несмотря на малую площадь перехода (квадратные миллиметры) его емкость может быть измерена мультиметром (для этого включайте диод в обратной полярности!) и составила 20 пф у диода, рассчитанного на ток 1А и 100 пф у диода на 10А (очевидно имеющего большую площадь p-n перехода). То есть диод ведет себя как вариконд. В современной технике вариконды практически полностью вытеснены варикапами - специальными диодами с особенно сильной зависимостью емкости от напряжения. На фото - принявшие участие в опыте диоды и варикап (самый маленький).
Кстати, не только диод может быть конденсатором, но и конденсатор диодом. Электролитический конденсатор во времена, когда диоды были дорогими и дефицитными, зачастую использовали в качестве выпрямителя.
Конденсатор как ячейка памяти
Конденсатор может хранить не только энергию, но и информацию. В системе оперативной памяти DRAM для хранения одного бита используется схема из одного конденсатора и одного транзистора. В показанном ниже ее макете конденсатор дает фиксированное напряжение на затвор полевого транзистора, который в зависимости от этого напряжения открыт «1», или закрыт «0». Кнопки S1 и S2 служат для записи этих значений, а светодиод отображает состояние ячейки.
Это очень дешево и компактно. Минусы DRAM во-первых, в том что заряд-разряд конденсатора занимает время. Во-вторых - хранится заряд в конденсаторе не вечно. Всегда на практике существует ток утечки, представленный электронами, умудряющимися тем или иным путем пробраться от отрицательно заряженной обкладки к положительной. Поэтому, чтобы не потерять содержимое памяти, заряд конденсаторов приходится «регенерировать» через определённый интервал времени. Данные считывают, а потом записывают в те же ячейки, подзаряжая конденсаторы. Эта процедура то и дело занимает память, снижая в итоге ее быстродействие.
Тут спешат на помощь сегнетоэлектрики, поляризация которых отнюдь не пропадает при выключении питания. Поляризация в одном направлении может означать хранение в памяти единицы, а поляризация в другом направлении - нуля. Это называется FeRAM или FRAM, а в качестве конденсаторов используются наноостровки сегнетокерамики.
В последнее время для этих целей активно изучается органический сегнетоэлектрик - поливинилиденфторид. Его сегнетоэлектрические свойства не то чтобы рекордны, но поскольку это полимер, его легко наносить тонкими слоями. Молекулы его могут быть уложены по разному, но в сильном поле атомы углерода к которым присоединены фторы (несущие отрицательный заряд), переворачиваются поближе к положительной обкладке, а атомы углерода, к которым присоединены водороды - к положительной, выравниваясь как показано на рисунке. Так изначально хаотичный и неполярный полимер становится полярным, и диэлектрическая проницаемость полимерного слоя от этого растет.
Однако мы видели что при каждом перезаряде конденсатора рассеивается половина его энергии. Поэтому, возможно со временем это ограничит возможности миниатюризации конденсаторной памяти из-за проблем с теплоотводом.
Информация в конденсаторе может быть не только дискретной но и аналоговой. Благодаря свой способности запоминать уровень напряжения источника питания, конденсаторы используются в АЦП и устройствах выборки-хранения.
Конденсатор как магнит
Конденсаторы не обошли вниманием и такой казалось бы далекий от электростатики и традиционно «магнитный» прибор хранения данных как жесткий диск. Недавно испанские ученые разработали совершенно новый метод записи магнитных данных на специальный носитель.. без использования магнитных полей. Новая система записи представляет собой конденсатор, с обкладками из платины и оксида алюминия расположенными снизу и сверху магнитного материала (пленки из кобальта, толщиной менее 1 нм). Благодаря тонким эффектам релятивисткой механики, под действием электрического поля конденсатор электроны, находящиеся в слое кобальта, меняют вектор намагниченности магнитного материала. Обычно квантовые устройства боятся тепловых шумов и хорошо работают только в криогенных условиях, новый метод устойчиво работает и при комнатной температуре. Развитие этой технологии позволило бы компьютерам будущего не тратить время на загрузку операционной системы и потреблять меньшее количество энергии
Конденсатор как термометр
Если у варикондов емкость зависит от напряжения на обкладках, то у термоконденсаторов - от температуры. Коэффициент изменения ёмкости в зависимости от температуры (ТКЕ) очень интересен. Он зависит от структуры молекул и от фазовых переходов.
Существенное влияние температура оказывает и на сегнетоэлектрики. Как отмечалось ранее, при достижении некоторой температуры (температура Кюри) тепловые колебания разориентируют диполи и диэлектрическая проницаемость снижается.
Конденсатор как инновация
Конденсаторы есть и внутри микросхем. Чтобы их там создать, диэлектрик конденсатора формируют методами термического напыления, ионно-плазменного и реактивного распыления. Для изготовления диэлектрических тонких пленок применяют монооксиды кремния и германия, оксиды алюминия, тантала, титана и редкоземельных металлов. Высокие удельные емкости имеют титанаты бария и кальция. При изготовлении диэлектрических слоев толстопленочных конденсаторов используют пасты, которые содержат титанат бария или диоксид титана, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость. Материал обкладок конденсатора должен также иметь низкое электрическое сопротивление обкладок, хорошую адгезию, обладать низкой миграционной подвижностью атомов, высокой коррозионной стойкостью.
Иногда возникает необходимость конструирования пленочных конденсаторов с повышенной точностью воспроизведения емкости, превосходящей технологические возможности способа их изготовления. Тогда используют так называемые подгоняемые конденсаторы, у которые есть запсные секции, которые можно отсечь лазерным лучом.
Не стоят на месте и технологии производства макроскопических конденсаторов. Напомним, что в оксидном конденсаторе диэлектриком служит оксидный слой, образующийся при электролизе на поверхности металла, который является одной обкладкой, при этом другой обкладкой служит электролит, необходимый для существования оксидного слоя. Толщина оксидного слоя при небольших напряжениях меньше микрометра, благодаря чему у оксидных конденсаторов рекордные удельные и абсолютные емкости. Чего только не придумали для увеличения площади обкладок электролитического конденсатора! Травлением фольги образуют на ней сотни тысяч микроуглублений на миллиметр.
Отечественные разработчики не отстают, а в ряде случаев и лидируют в технологии производства конденсаторов. Основным российским производителем и поставщиком алюминиевых, ниобиевых и танталовых конденсаторов на российский рынок и в страны СНГ является АО «Элеконд», реализующее в своих изделиях поры, туннели, оксиды с размерами от единиц до сотен нм. Конденсаторную фольги делают из специального алюминиевого проката с кубической структурой. После направленного травления получают в объеме фольги туннели в диаметре от нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сотен нанометров. В последующем оксидируем стенки туннелей оксидами со специальной структурой. Толщина оксидов определяется напряжением оксидирования и составляет от 10-12 нм и выше. Специальными методами пропитывают эти оксидированные туннели электролитами.
В ионисторах используют эффект двойного электрического поля в месте контакта углеродного слоя с ионами электролита. При этом величина пор углеродного слоя электрода сравнима с диаметром иона электролита и составляет в среднем 2-4 нм.
Специалисты саратовских институтов и предприятий малого бизнеса, показали новую методику синтеза и стабилизации наночастиц металлов, их оксидов и сульфидов в матрицах термопластичных полимеров и экспериментально показали возможность их использования в качестве перестраиваемых конденсаторов (при том дешевых и гибких) и устройств памяти. .
Российской инновационной компанией «Восток» создана наноструктурированная фольга для алюминиевых электролитических конденсаторов. Фольга нового типа изготавливается с помощью ионно-плазменной технологии нанесения алюминия на рулонные материалы в условиях вакуума. За счет максимальной площади рабочей поверхности достигается увеличение ее емкости (до 70%), уменьшаются толщина и вес, увеличивается механическая прочность и эластичность. Предложения наноструктурированной фольги и изготовленных на ее основе суперконденсаторов на мировом рынке в настоящее время отсутствуют. Испытания российских образцов специалистами японской компании, показали, что их характеристики вдвое лучше японских образцов (при том что Япония лидирует на мировом рынке, выпуская 75 % всех конденсаторов).
Активно проводятся опыты и по максимизации площади поверхности нанотрубками. А китайцы недавно приспособили в качестве шаблона для получения углеродных электродов с наноструктурированной поверхностью… панцирь краба. Обычно такие поверхности получают с помощью пористых твердых шаблонов: цеолитов или оксида кремния. Однако, эти шаблоны приходилось вытравливать из поверхности фтороводородной кислотой, что неудобно. Оказалось, что панцирь краба обладает подходящей наноструктурой - хорошо распределенной системой мироскопических пор. Обжиг крабового панциря на воздухе приводит к образованию пористого шаблона, состоящего главным образом из карбоната кальция. Добавка к системе мягкого полимерного шаблона и резолового прекурсора позволяет получить мезопористый углерод. Нагрев в атмосфере инертного газа позволяет удалить мягкий шаблон, шаблон из карбоната кальция удаляют действием соляной кислоты. Полученный в результате темплатного синтеза материал состоит из мезопористого углеродного нановолокна (диаметр волокон - 70 нм, диаметр поры - 11 нм), волокна разделены пустотами в 70 нм, расстояние между системами нановолокон составляет около 1 мкм. Уникальная структура углеродного материала способствует более глубокому проникновению в него электролита и транспорту электролита, материал отличается хорошей проводимостью, большой площадью поверхности (1270 м2/г); материал характеризуется большим количеством дефектов, которые могут способствовать равномерному распределению наночастиц металла в порах углеродного материала - такое распределение способствует синергетическому воздействию наночастиц и углеродного материала.
Недавно американцы создали суперконденсатор, который позволит всего за секунду заряжать ноутбук или телефон. Новинка состоит из множества углеродных сфер, вложенных одна в другую по принципу матрешки. В качестве основного материала выбраны наноалмазы, благодаря которым конденсатор способен за секунду вобрать в себя большое количество энергии, а потом отдать ее обычному литий-ионному аккумулятору. На единицу своего объёма новичок обладает мощностью, сравнимой с электролитическими конденсаторами, запасом энергии на порядок большим, а электрической ёмкостью - большей на четыре порядка. В новом элементе электроды изготовлены путём осаждения на подложку из диоксида кремния мириад «нанолуковиц» диаметром 6-7 нм, состоящих из множества углеродных сфер, вложенных одна в другую. «Луковицы» образуют слой толщиной в несколько мкм, что обеспечивает большую площадь обкладок и малое расстояние между ними.
Ученые Массачусетского технологического института создали миниатюрный трехмерный конденсатор по принципу оригами: в заготовку из мягкого полимера, помещаются микропроводники, по ним идет ток, и в магнитном поле заготовка в результате действия силы Лоренца сама складывается в трехмерный объект. В Физико-технологическом институте РАН трехмерные конденсаторы создали с помощью плазменного 3D-формирования. Проводятся опыты по непосредственной печати конденсаторов на струйных принтерах - микрокапельками проводников и диэлектриков. Предложен полностью полимерный конденсатор, электроды которого состоят из проводящего полимера, а диэлектрик - из обычного.
В 2004 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов открыли такое замечательное вещество, как графен - листочки из углерода толщиной в один атом. Для их получения плоские куски высокоориентированного пиролитического графита помещают между лентами скотча и расщепляют раз за разом, создавая все более тонкие слои. Графен проводит ток и является привлекательной обкладкой для наноконденсаторов будущего.
Диэлектрик под стать графену тоже создан - это так называемый «белый графен» - нитрид бора, очень похожий по структуре и свойствам (только неэлектрическим) на углеродный графен. Ученые из Университете Райса (США) и Сибирского федерального университета (Россия) научились контролировать число атомных слоев в пленке этого чудесного материала. Пожалуй, трудно придумать более компактный и изящный конденсатор, чем сэндвич из квадриллионов чередующихся атомарных слоев черного и белого графенов! Есть в природе и более мелкие атомы, чем бор и углерод, но они попросту не способны образовать одноатомные листочки!
Конденсатор как микроскоп
Казалось бы, если чем меньше толщина диэлектрика, тем выше емкость то почему бы не сделать его толщиной не в нанометры, а еще меньше - в десятые и сотые доли нанометров? Этому мешает туннельный эффект. Суть его можно сформулировать так: если пластины конденсатора очень близко (доли нанометров), то хоть электрону нельзя с одной на другую перейти, но иногда все-таки можно. Это «иногда» по мере сближения пластин экспоненциально превращается в «непременно». Но хитрые ученые и это, казалось бы безусловно вредное явление обратили в пользу. И в какую! Туннельный ток утечки в конденсаторе, образованной поверхностью и иглой сканирующего туннельного микроскопа позволяет получать изображения с таким увеличением, что можно хорошо разглядеть отдельные атомы. Ведь сила туннельного тока соответствует высоте поверхности под кончиком сверхострой иглы, которой пьезоэлементы (конденсаторы, диэлектрик которых деформируется в зависимости от накопленного конденсатором заряда) сканируют поверхность образца. Как видите, в этом любимом инструменте нанотехнологов «конденсатор на конденсаторе и конденсатором погоняет». Погоняет-то пьезоэлементы электронная схема, а какая электронная схема обходится без конденсаторов? Кстати, с помощью этого микроскопа ученые и смогли напрямую измерить емкости отдельных атомов и молекул.
Конденсатор как способ мышления
Вообще, как вы уже, наверное, поняли, конденсатор можно усмотреть буквально во всем. Электропроводка относительно земли тоже является конденсатором, и в сетях с напряжением более 1000 вольт, емкость между фазами и землей может создать большой емкостный ток, опасный для человека. И там еще частота невелика. А высокочастотным устройствам, таким как катушка Тесла вообще провода и изоляция не писаны - куда хочет ток, туда и идет, поскольку реактивные сопротивления конденсаторов «рука-изоляция-провод» на тех частотах ничтожно малы.
В какой-то мере все в мире действительно является конденсаторами, даже если отвлечься от того что атомы и молекулы это конденсаторы. ЛЭП, капли дождя, кофта и нос… конденсатор это не прибор, а способ рассмотрения вещей. И способ небесполезный! В наноразмерных системах малые расстояния делают электрические поля очень сильными, и «все относительно всего» является конденсатором. Тогда формулы емкости, энергии и т.п. принимают матричный вид, то есть таблиц в которых указана емкость каждого нанообъекта относительно каждого. И это иногда позволяет сделать выводы о силах, энергиях и других свойствах наносистемы. Характерна картинка из книги Т.Хейнцеля «Мезоскопическая электроника в твердотельных наноструктурах»:
Например, мы с вами уже знаем, что вся эта матрица конденсаторов будет стараться уменьшить свою емкость и напряжение на обкладках. Сформулировав это математически и используя компьютер, можно делать выводы «что к чему притянется» на наноуровне, т.е. осмысленно строить электромеханические наномашины.
В общем, про конденсатор можно написать тома и все равно будет мало. И если сей невзрачный копеечный радиоэлемент таит в себе столько чудес, то что можно сказать об остальных тысячах разновидностей радиодеталей и триллионах их сочетаний?!
Напоследок, кликните на следующую картинку для увеличения: