Для начала нужно отказаться от понятия емкости как хранилища энергии. Мол, чем больше емкость, тем больше в ней поместится энергии. Как хранилища заряда – да, но не энергии. Бесконечно малая точка содержащая заряд обладает нулевой емкостью, но бесконечной энергией. И наоборот проводник с бесконечной емкостью может принимать какой угодно заряд без затрат энергии, но и источником энергии после этого не станет. То есть емкость наоборот ‘размывает’, уменьшает энергию заряда. Выражается эта энергия через потенциал (тоже вечный вопрос, будоражащий умы, что есть потенциал, разность потенциалов, напряжение). Потенциал это та работа, которую нужно затратить, что перенести заряд из бесконечного далеко (то есть из точки без полей) в проводник c зарядом того же знака. Разные проводники с одинаковым зарядом обладают разным потенциалом. 1 кулон заряда загнанный в малый объем создает вокруг огромной величины поле, убывающее с расстоянием. Перенося другой 1 кулон издалека в тот же объем, мы сначала преодолеваем малое поле, потом больше, вблизи малого объема вообще огромное, прикладывая все большую силу, сумма произведений этой силы на расстояние на различных участках и есть работа, как мы знаем из механики. А в электростатике у нее есть синоним – потенциал. Если тот же 1 кулон был заперт не в малом объеме, а в приличных размеров шаре, то заряд распределится по большей поверхности, плотность его станет меньше и поле вблизи проводника меньше . Поэтому двигая другой заряд к этому проводнику из бесконечного далека мы сначала преодолеваем той же величины малое поле на таком же расстоянии как и раньше, но достигнем проводника раньше и не придется преодолевать гигантской величины поле на финальном этапе как в предыдущем случае. То есть совершим меньшую работу, затратим меньшую энергию и соответственно меньше энергии принесем в проводник. Заряд будет теперь тоже 2 кулона, как и при малом объеме, но будет обладать меньшей энергией, меньшим потенциалом. Величина характеризующая ‘размер шара’, его способность размывать энергию заряда, и есть емкость, величина обратная потенциалу. Это не то же самое, что ‘емкость конденсатора’, но родственные понятия.
Что будет, если мы приложим ‘батарейку’, источник эдс, одним концом к шару? Ничего не будет. Батарейка - это моторчик, способный передвинуть заряд из одного своего контакта на другой с заданной силой, добавить заряду потенциал, передвинуть его из точки с меньшим потенциалом в точку с большим. Но сама она источником зарядов не является, только может совершать работу по их перемещению. Вот чтобы в вышеописанном примере передвинуть заряд из бесконечного далека в шар батарейка бы сгодилась, если ее эдс выше потенциала шара и выше потенциала шара который получится после передвижения в него заряда. Так как же все-таки соединить вместе двухполюсный источник эдс и прочие привычные двухполюсные элементы с однополюсными емкостями? А возьмем второй шар и подключим второй контакт батарейки к нему. Незаряженный шар на самом деле содержит в себе носители заряда, и положительные и отрицательные, в огромном количестве, просто их количество одинаково, поэтому он и считается незаряженным. Теперь у источника эдс есть что двигать, он хватает один маленький заряд q и перемещает его из одного шара в другой, потенциал одного шара увеличивается от нейтрали в плюс на q/c1, другого в минус на -q/c2. Процесс повторяется. После переноса суммарного заряда Q разность потенциалов шаров становится u1-u2=Q/c1+Q/c2, сравнивается с эдс источника и он больше не в силах преодолеть разность потенциалов, поле между шарами. Заряд перестает перемещаться. В переложении на привычные для нас конденсаторы выглядит так, что мы подключили источник эдс к двум последовательным c1 и c2 и по ним протек какой-то ток I, передвинувший заряд Q=I*t и зарядил емкости до _разности_ потенциалов на каждой из них Q1/c1 и Q/c2. Хотя на самом деле никаких токов между шарами не было, мы даже не принимали в расчет их взаимовлияние друг на друга через поле, как будто они бесконечно удалены (поэтому было бы ошибкой проводить аналог шаров с обкладками конденсатора, это совершено другой эффект). Никакой _разницы_ потенциалов в пределах емкостей не было, были абсолютные потенциалы каждого шара относительно некоей абстрактной нейтрали. Но все равно результаты получили такие же, как с привычными для нас емкостями. Если считать ноль в розетке воткнутым в землю (большой шар), то можно фазу подключить к металлическому шарику диаметром 18 см (висящему где-нибудь далеко в космосе, чтобы игнорировать связь с землей через поле) и по этому одному проводу потечет ток, такой же как если бы мы воткнули в розетку обычный двухполюсный конденсатор 10пф. Пресловутая передача энергии по одному проводу
Что если рядом с шаром находится другой проводник? Нет, мы не переходим к конденсаторам, просто нейтральный проводник, мы не пытаемся перекачивать заряды с шара на него или обратно как в конденсаторе. Поле, создаваемое шаром, приводит к электростатической индукции в этом проводнике, в целом он остается нейтральным, но заряды в нем перераспределяются в пространстве таким образом, чтобы уменьшить поле, создаваемое шаром. Если рассматривать систему издалека, то в ней ничего не поменялось, суммарный заряд в системе из шара и другого проводника тот же, а пространственное перераспределение на таком расстоянии практически не сказывается и поле будет таким же. А вот вблизи системы все интереснее становится. Допустим шар заряжен отрицательно, тогда во втором проводнике у стороны ближней к шару скопятся положительные заряды, а у дальней отрицательные. Если рассматривать вклад каждого из этих перераспределившихся зарядов в поле около шара, получится что вклад положительных зарядов больше, поскольку они ближе, а значит, поле в сумме уменьшится, а значит, уменьшится энергия системы при том же суммарном заряде, а значит, увеличится емкость. Это мы пришли к понятию взаимной емкости, некоему подобию взаимной индуктивности в трансформаторе. Теперь у шара есть собственная емкость c1 и привнесенная c21 от соседствующего проводника. А у проводника, кстати, появляется собственный потенциал, несмотря на отсутствие собственного заряда, привнесенный через ту же ‘емкость связи’ c12=c21. Что любопытно, несмотря на перераспределение зарядов в проводнике и шаре, их поверхности остаются эквипотенциальными, то есть, несмотря на такое соседство и перекос поля, заряд по-прежнему донести хоть до передней хоть до задней точки шара стоит одинаковой энергии. Они именно так и перераспределяются, чтобы сохранить эквипотенциальность в исказившемся поле, исказить поле так, чтобы работа по преодолению поля до любой точки поверхности осталась той же. А вот что мне непонятно. Потенциал проводника высчитывают как собственный заряд поделить на собственную емкость плюс заряд соседнего проводника помноженный на емкость связи. Но! Мы же приблизили проводник с нулевым зарядом, а потенциал уменьшился. Нужно подумать. Подредактирую позже.
Вернемся к нашим двум шарам и источнику эдс. Вот теперь начнем учитывать емкость связи и тем самым перейдем к конденсатору. Емкость шара (в системе СГСЕ, чтобы всякие четыре-пи-эпсилон повсюду не пихать) равна просто его радиусу R (в системе СИ емкость шара радиуса 9мм примерно 1пф). Эффективная взаимная емкость системы двух шаров (без учета емкости связи), как было показано выше, эквивалентна их последовательному соединению, то есть R/2. Емкость связи двух шаров удаленных на расстояние N гораздо большее R равна R^2/2N (заметим, убывает линейно с расстоянием, а не квадратично как поле). Значит полная взаимная емкость R/2(1+R/N), то есть дает добавочку R/N*100 процентов к собственной емкости. Допустим пара шариков радиусом 1.6см на расстоянии 1.6м будут иметь взаимную емкость 1.01пф, из которых 0.01пф это емкость связи. Лишь на 0.01пф это ‘конденсатор’ а на 1пф все-таки собственная емкость шаров, абсолютная, не по отношению к чему-то. Точнее на 2пф емкость каждого, а на 1пф взаимная 'последовательная', но без учета поля друг друга.
В разных источниках по разному использую понятие 'взаимная емкость', в одних то что я обозначил как 'емкость связи', в других полную емкость, и собственную и связи. У меня 'взаимная емкость' - это именно полная.
В-общем устал я писать, возможно позже продолжу.


