基本电子学 - 电容器

电容器是一种无源元件，能够以其极板之间的电位差形式存储能量。它可以抵抗电压的突然变化。电荷以两个极板之间的电位差形式存储，根据电荷存储的方向，这两个极板分别形成正极和负极。

这两个极板之间存在一个非导电区域，称为**介质**。这种介质可以是真空、空气、云母、纸张、陶瓷、铝等。电容器的名称由所使用的介质决定。

符号和单位

电容的标准单位是法拉。通常，可用电容器的值将以微法拉、皮法拉和纳法拉的量级出现。电容器的符号如下所示。

电容器的电容与其极板之间的距离成正比，与其极板的面积成反比。此外，材料的介电常数越高，电容就越大。介质的**介电常数**描述了在该介质中每单位电荷产生的电通量的大小。下图显示了一些实际的电容器。

当两个具有相同面积A和相同宽度的极板平行放置，并以距离d分开，并且如果对极板施加一些能量，则该平行板电容器的电容可以表示为 -

$$C\:\:=\:\:\frac{\varepsilon_{0}\:\:\varepsilon_{r}\:\:A}{d}$$

其中

**C** = 电容器的电容

$\varepsilon_{0}$ = 真空介电常数

$\varepsilon_{r}$ = 介质的介电常数

**d** = 极板之间的距离

**A** = 两个导电极板的面积

在施加一定电压的情况下，电荷沉积在电容器的两个平行极板上。这种电荷沉积缓慢发生，当电容器两端的电压等于施加的电压时，充电停止，因为进入的电压等于离开的电压。

充电速率取决于电容值。电容值越大，极板电压变化速率越慢。

电容器的工作原理

电容器可以理解为一种两端无源元件，它存储电能。这种电能存储在静电场中。

最初，电容器两个极板上的负电荷和正电荷处于平衡状态。电容器没有充电或放电的趋势。负电荷是由电子的积累形成的，而正电荷是由电子的耗尽形成的。由于这种情况在没有外部电荷的情况下发生，因此这种状态是**静电**条件。下图显示了带有静电荷的电容器。

根据交流电源的正负周期变化，电子积累和耗尽可以理解为“电流流动”。这称为**位移电流**。由于这是交流电，因此该电流的方向不断变化。

电容器的充电

当施加外部电压时，电荷转换为静电荷。这发生在电容器充电期间。电源的正电位吸引电容器正极板上的电子，使其变得更正。而电源的负电位迫使电子进入电容器的负极板，使其变得更负。下图说明了这一点。

在充电过程中，电子通过直流电源流动，但不通过**介质**，介质是**绝缘体**。当电容器开始充电时，这种位移很大，但在充电过程中会减小。当电容器两端的电压等于电源电压时，电容器停止充电。

让我们看看当电容器开始充电时介质会发生什么。

介质行为

当电荷沉积在电容器的极板上时，会形成一个静电场。该静电场的强度取决于极板上的电荷量和介质材料的介电常数。**介电常数**是衡量介质允许静电线通过其的程度。

介质实际上是一种绝缘体。它在原子的最外层轨道上有电子。让我们观察它们是如何受到影响的。当极板上没有电荷时，介质中的电子在圆形轨道上运动。如下图所示。

当电荷沉积发生时，电子倾向于向带正电的极板移动，但它们仍然像图中所示那样继续旋转。

如果电荷进一步增加，轨道会进一步扩大。但如果它仍然增加，介质会**击穿**，使电容器短路。现在，电容器已充满电，准备放电。如果我们提供一条路径让他们从负极板到正极板流动就足够了。电子在没有任何外部电源的情况下流动，因为一侧有大量的电子，而另一侧几乎没有电子。这种不平衡通过电容器的**放电**来调整。

此外，当找到放电路径时，介质材料中的原子倾向于恢复其正常的**圆形轨道**，从而迫使电子放电。这种放电使电容器能够在短时间内提供高电流，就像在相机闪光灯中一样。

颜色编码

要了解电容器的值，通常会像下面这样标记 -

n35 = 0.35nF 或 3n5 = 3.5nF 或 35n = 35nF 等等。

有时标记会像 100K，这意味着，k = 1000pF。然后值为 100 × 1000pF = 100nF。

尽管如今这些数字标记被广泛使用，但很久以前就开发了一种国际颜色编码方案来理解电容器的值。颜色编码指示如下所示。

色带颜色	数字 A 和 B	倍数	容差 (t) > 10pf	容差 (t) < 10pf	温度系数
黑色	0	× 1	±20%	±2.0pF
棕色	1	× 10	±1%	±0.1pF	-33 × 10^-6
红色	2	× 100	±2%	±0.25pF	-75 × 10^-6
橙色	3	× 1,000	±3%		-150 × 10^-6
黄色	4	× 10,000	±4%		-220 × 10^-6
绿色	5	× 100,000	±5%	±0.5pF	-330 × 10^-6
蓝色	6	× 1,000000			-470 × 10^-6
紫色	7				-750 × 10^-6
灰色	8	× 0.01	+80%, -20%
白色	9	× 0.1	±10%	±1.0pF
金色		× 0.1	±5%
银色		× 0.01	±10%

这些指示用于识别电容器的值。

在这些五色带电容器中，前两个色带表示数字，第三个表示倍数，第四个表示容差，第五个表示电压。让我们看一个例子来了解颜色编码过程。

**示例 1** - 确定一个颜色代码为黄色、紫色、橙色、白色和红色的电容器的值。

**解答** - 黄色的值为 4，紫色的值为 7，橙色的值为 3，表示倍数。白色是 ±10，是容差值。红色表示电压。但要了解电压额定值，我们还需要另一个表格，需要知道该电容器所属的特定色带。

因此，电容器的值为 47nF，10% 250v（V 色带的电压）

下表显示了根据电容器所属的色带如何确定电压。

色带颜色	电压额定值 (V)
	J 型	K 型	L 型	M 型	N 型
黑色	4	100		10	10
棕色	6	200	100	1.6
红色	10	300	250	4	35
橙色	15	400		40
黄色	20	500	400	6.3	6
绿色	25	600		16	15
蓝色	35	700	630		20
紫色	50	800
灰色		900		25	25
白色	3	1000		2.5	3
金色		2000
银色

借助此表，可以根据给定的颜色了解每个色带电容器的电压额定值。电压额定值的类型也指示电容器的类型。例如，J 型是浸渍钽电容器，K 型是云母电容器，L 型是聚苯乙烯电容器，M 型是电解带 4 电容器，N 型是电解带 3 电容器。如今，颜色编码已被简单的电容器值印刷所取代，如前所述。

容抗

这是一个重要的术语。容抗是指电容器对交流电流（简称交流电）的阻碍作用。电容器阻碍电流的变化，因此表现出一定的阻碍作用，这可以称为电抗，因为除了它提供的电阻外，还应考虑输入电流的频率。

符号：X_C

在纯电容电路中，电流I_C 超前于外加电压90°。

电容器的温度系数

电容器在特定温度范围内电容的最大变化可以通过电容器的温度系数来确定。它表明，当温度超过某个点时，电容器电容可能发生的变化被理解为电容器的温度系数。

所有电容器通常都在25°C的参考温度下制造。因此，电容器的温度系数考虑的是高于和低于此值的温度值。

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