什么是电容:基本概念

电容是电子学背后的基本概念之一,它被广泛使用,从电子电路中使用的电容数量就可以看出


电容教程包括:
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电阻、电容和电感是与电气和电子电路有关的三个基本参数。

与其他两个不同的是,电容与电荷的存储有关,其属性被用在被称为电容器的电子元件中,反过来,它们又被用在许多电路中,几乎每一个电子电路设计中。

电容的作用可以用在从电机到电子电路设计的各种电路中,如电源、音频电路、射频电路、逻辑电路和数字电路等等。

鉴于此,电容是一个特别重要的参数,在许多领域使用。

电容是什么

当观察电容时,首先要看它到底是什么。电容是有效地储存电荷的能力。电容器最简单的形式是由两块平行的板组成。我们发现,当电池或任何其他电压源连接到如图所示的两个极板上时,电流会流动很短的时间,一个极板接收到过多的电子,而另一个极板接收到的电子太少。

这样一来,有多余电子的那一块变成负电荷,而另一块变成正电荷。

电容器上储存在两块板之间的电荷
储存在电容器的两块板上的电荷

如果电池被取出,电容器将保留其电量。然而,如果在板上放置一个电阻,电流将流动,直到电容器被放电。

因此,可以定义电容是什么:

电容的定义:

电容是一个元件或电路以电荷的形式收集和储存能量的能力。它是指由于给定的电位差而储存在导体上的电荷量。

平板越大,就能储存更多的电荷,而且它们之间的距离越近,就能储存更多的电荷。电荷的储存也取决于两块板之间的材料。

单位或者电容

有必要能够定义电容的“大小”。电容的电容是对其储存电荷能力的衡量,电容的基本单位是法拉第,以迈克尔·法拉第的名字命名。

有必要定义电容的基本单位法拉。

法拉电容:定义:

当一伏特的电位差将用一库仑的电(即一安培一秒)给电容器充电时,电容器的电容为1法拉。

电容为1法拉的电容器对于大多数电子应用来说太大了,通常使用电容值小得多的元件。使用三个前缀(倍增器),µ(micro), n (nano)和p (pico):

电容单位前缀和乘数
前缀 乘数 术语
µ 106(第一百万位) 1000000µF = 1 F
n 109(thousand-millionth) 1000 nf = 1µF
p 10-12年(million-millionth) 1000 pf = 1 nf

电场和介质

当一个电容器的极板上有一个电势时,就有一个相关的电场存在。在平行的平板上,电场线通常彼此平行,并与平板成直角。

电容器片显示它们之间的电场线。电场线彼此平行,与平板成直角,但在边缘略微鼓出。
显示电场线的电容板

电容器需要在两个极板之间有某种形式的绝缘体,否则电荷就不能留在极板上,它会通过两极板之间的介质消散。

虽然空气是一种很好的绝缘体,但通常电容器板需要用某种形式的刚性绝缘体隔开。

电容器的图解视图,显示在它们之间有绝缘体的平行板
电容器结构的简化视图,显示板和绝缘介质

两块板之间的材料称为电介质。这不仅起到绝缘体的作用,而且还决定了许多其他性质。一种称为介电常数的测量方法影响给定电容板尺寸和间距可达到的电容水平。

高水平的相对介电常数/介电常数可以使电容增加许多倍。

相对介电常数和介电常数等话题本身就是一个话题,虽然容易理解,但可能需要分开来看。

阅读更多关于. . . .相对介电常数和介电常数。

电容充放电

在观察电荷的同时,也可以观察电容之间的电压。毕竟,用一个简单的仪表测量它的电压更容易。当电容器放电时,电容器上没有电压。类似地,如果它充满电,没有电流从电压源流出,因此它与电压源的电压相同。

在一个没有杂散电阻或电感的理想电路中,当一个电压加到电容器上时,它会立即充满电,并且穿过电容器的电压将与电位源的电压相同。

在现实中,电路中总会有一些电阻,因此电容器将通过电阻连接到电压源。这意味着电容器充电需要有限的时间,电压的上升不会立即发生。

我们发现,充电一段时间后,电压上升的速度要比充电一段时间后快得多。最终它会到达一个点,当它几乎完全充满,几乎没有电流流动。

理论上,当曲线渐近时,电容器永远不会充满电。然而,在现实中,它达到一个点,它可以被认为是完全充电或放电,没有电流流动。

电容器充放电时的电压。
电容器充放电时的电压

同样,电容器总是通过电阻放电。当电容器上的电荷减少时,平板上的电压就会降低。这意味着电流会减小,反过来电荷的降低率也会降低。

这意味着穿过电容器的电压以指数方式下降,逐渐接近零。

电压上升或下降的速率取决于电路中的电阻。电阻越大,转移的电荷量就越小,电容器充电或放电所需的时间就越长。

交替波形在电容器上的应用

到目前为止,当一个电池已经连接到电容充电和断开和一个电阻应用到它充电的情况已经被考虑。如果将一个本质上是不断变化的交替波形应用到电容器上,那么它将处于一个连续的充放电状态。

要做到这一点,电路中必须有电流流动。通过这种方式,电容器将允许交流电流动,但它将阻挡直流电。因此,电容器用于耦合处于不同稳态电位的两个电路之间的交流信号。

一个完美的电容的电流和电压波形-注意电流引导电压波形90°。
完美电容器的电流和电压波形
注:电流超前电压波形90°。

发现当正弦波第一次施加时,电压的变化率是最大的,这意味着电荷以最快的速度增加,因此流入电容器的电流将是最大的。换句话说,电流达到了最大值。

当电容器上的电压增加时,电压的变化率降低,其结果是电荷增加,因此电流下降。最终到达电压正弦檐的峰值,在那里电压没有变化,因此在这一点的电流为零。

在电压峰值之后,电压开始下降,相应的电荷水平下降,这意味着电流从这一点流出电容器。

波形的其余部分遵循类似的方式。因此,可以看出电压和电流是不相的。电流滞后电压1 / 4个周期,即90°。

完美电容的电流和电压关系可以表示为:

V t ω t

t ω t + 90

真正的电容器

电容器是在电气和电子电路中提供所需电容的电子元件。

电容器有各种各样的形式,每一种都有自己的特性。物理电容器既可以是表面贴装的,也可以是传统的含铅电容器,具有不同的外形因素和电性能。

电容器的类型说明:

有许多不同类型的电容器可用。虽然电容是一种通用的测量方法,但不同的电容器在最大电流容量、频率响应、尺寸、电压、稳定性、公差等方面有不同的特性。为了适应这些参数,在某些应用中,某些类型的电容器比其他类型的更好,

阅读更多关于电容器的类型。

铅和贴片类型的电容器的选择。

选择合适的电容不仅仅是选择合适的电容级别,还有许多其他方面,包括介电、尺寸、等效串联电阻级别和更多的项目。

鉴于所有这些要求,可供电气和电子电路设计等使用的电子元件有非常广泛的选择。


电容是与电气和电子科学相关的主要参数之一。电容方程和计算每天都在电子电路设计和许多其他领域中使用,电容不仅仅是一种与电容有关的度量,在许多其他电子元件中,包括电阻、电感、电线、印刷电路板和许多其他物品中都可能存在电容级别。

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