电容器和电容

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介绍

电容器是能够储存电荷的小型电子元件，它们广泛应用于各种电子设备和电路中，例如收音机、电视机、微波炉和计算机。在电子项目中使用电容器时，需要了解其工作原理以及它与电阻器和电感器等其他元件的区别。

什么是电容器？

电容器是一种双端电子元件，用于存储电场中的能量。这种能量以其端子间的电势能形式储存，以伏特为单位测量。它由两个电极板组成，电极板之间有一定的距离，并且该距离填充有绝缘材料。

电容器的行为取决于它是处于充电还是放电状态。在充电过程中，电流通过电路流入电容器的一个端子，同时在其另一个端子的两侧（电解质）积累电荷。

端子间出现电压降，表明能量正在转换成电能。在放电过程中，电荷离开一个端子，同时在其另一个端子的两侧积累。当所有可用电荷都离开一个端子并在其另一个端子的两侧积累相等但相反的电荷（电解质）时，电流停止流动。

电容器是如何工作的？

电容器是电子学中用来储存电荷的器件。就像电池一样，电容器也有正极（+）和负极（-）。但与电池不同的是，电容器允许你储存电荷，而无需任何化学作用或能量源。

在实验中，我们将直流电压的正极连接到第一块极板，负极连接到第二块极板。当电流流入电容器时，相对于第一块极板，第二块极板将带负电。电流试图从电容器的正极板流向负极板。但是由于介电材料的存在，电流无法流动。

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一段时间后，电容器的极板之间会储存一定量的电荷。移除电池后，电荷会在电容器的两极板之间积累一段时间。

如何确定电容值？

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电容器储存电荷的能力由其电容来量化。电容器的第一块和第二块极板分别带有+q和-q的电荷。我们知道V与电场成正比。

$\mathrm{Q\:\varpropto\:V}$

$\mathrm{Q \:= \:CV}$

$\mathrm{C \:= \:Q/V}$

储存在电容器中的能量

任何包含电容器的电路都会储存能量。

此能量由下式给出：E = 1/2 CV²

其中

• C 是电容，
• V 是电压，并且
• $\phi$V 是电势差（即电压）。

电容器通过静电场储存能量：与可以从一点流向另一点的电荷不同，静电场不会从空间的一点流向另一点。

电容的标准单位

我们用法拉来测量电容器。但法拉是一个较大的单位，因此我们用毫、纳、微等更小的单位来测量。

• 1 μF（微法拉）=$\mathrm{10^{−6}\:F}$
• 1 mF（毫法拉）= $\mathrm{10^{−3}\: F}$
• 1 pF（皮法拉）= $\mathrm{10^{−12}\:F}$
• 1 nF（纳法拉）= $\mathrm{10^{−9}\: F}$

电容器的应用

• 在电子学中，电容器主要用于阻挡直流电，同时允许交流电通过。换句话说，电容器充当电路中的电荷缓冲器。因此，电容器有一些应用。

• 由于电容器能够在电场中储存能量，因此它们通常用于滤除不需要的频率成分或阻止瞬态电压（例如电压尖峰）损坏电路中的敏感元件。

• 此外，由于某些类型的电容器具有稳定的放电特性，因此它们可以用作数字电路（如时钟）中的定时元件。

• 它们还可以用作谐振电路（例如RC定时网络）的一部分，或者并联板电容器通常作为射频去耦电路的一部分构建在印刷电路板上。

常见问题

Q1. 如何选择合适的电容器？

A1：虽然没有硬性规定需要多少个电容器，但存在一些基本准则。首先，尝试估计你的功率中直流电 (DC) 的百分比与交流电 (AC) 或电压尖峰的百分比。

Q2. 什么是可变电容器？

A2：可变电容器是一种可以改变其电容的电容器，通常通过旋转控制轴或旋钮来实现。可变电容器用于调谐射频 (RF) 电路，例如振荡器和滤波器。这些电容器通常与固定电容器串联使用，作为带通滤波器来分离不同频率的信号；使用可变电容器使操作员更容易精确地调整带通，而无需猜测。

Q3. 什么是超级电容器？

A3：今天，我们将研究另一种类型的电容器，称为超级电容器。这些类型的电容器与传统的电解电容器不同，因为它们的工作原理完全不同。

Q4. 电容器存储的是什么能量？

A4：电容器也能够在静电场中储存能量。因此，它不是像旋转物体那样储存动能，也不是像升高的物体那样储存势能，而是储存静电势能。在任何给定时刻，单个带电电容器都储存了一定量的势能，可以用该电荷的电压乘以其电容来表示。

Q5. 为什么电容器中使用介电材料作为绝缘材料而不是水？

A5：因为水的介电强度低，介电常数高。因此，水将充当导体，电荷会泄漏。