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电容和电容元器件

一、什么是电容,它和电容器是什么关系?

电容一般用来储存电荷。在电容器中,电荷以“电场”的形式存储。电容器在许多电气和电子电路中发挥着重要作用。电容器是我们在电子设备上常见到的那些被俗称为“电容”的电子元器件,也就是说电容器是人工制造出来用于存储电能的元件。而电容实际上是物理上的概念,是自然界存在的一种物理现象。

它反映的是介质容纳电荷的能力。这点和电阻以及电阻器的关系很像,电阻是物理上的概念,反映的是导体对电流的阻碍作用,电阻器则是人工制造的电子元件。电容器一般被人们简称为电容,电容器的一个重要参数就是电容值,电容值反映电容器存储电能的能力。

什么是电容,它和电容器是什么关系
什么是电容,它和电容器是什么关系?

二、什么是电容器?

通常,电容器具有两个相互不连接的平行金属板。电容器中的两个极板由非导电介质(绝缘介质)隔开,这种介质通常称为电介质。

世界上有各种各样的不同类型和不同形状的电容器,从用于谐振电路的非常小的电容器到用于稳定 HVDC 线路的大型电容器。但是所有电容器都在做同样的工作,即存储电荷。

电容器的形状有矩形、正方形、圆形、圆柱形或球形。与电阻器不同,理想电容器不会消耗能量。由于可以使用不同类型的电容器,因此可以使用不同的符号来表示它们,如下图所示:

电容器的构成
电容器的构成

三、为什么电容器很重要?

电容器具有许多特性,例如:

  1. 它们可以存储能量,并且可以在需要时将能量消散到电路中。
  2. 它们可以阻止直流电并允许交流电流过它,这可以将电路的一部分与另一部分耦合。
  3. 带有电容器的电路取决于频率,因此可用于放大某些频率。
  4. 由于电容器在交流输入应用时,电流领先于电压,因此在电力应用中它增加了有效负载功率并使其更经济。
  5. 它允许高频,因此它可以用作过滤器来过滤低频或收集高频。
  6. 由于电容器的电抗与频率成反比关系,因此可用于增加或减少一定频率下的电路阻抗,并可用作滤波器。

同样,电容器在交流或直流电路中使用时表现出许多特性,因此它们在电气和电子电路中发挥着重要作用。

四、电容器的构造

如前所述,有不同类型的电容器。这些不同类型的电容器具有不同类型的构造。平行板电容器是最简单的电容器。我们可以先了解平行板电容器的构造。

它由相隔一定距离的两块金属板组成。这两个板之间的空间填充有介电材料。电容器的两条引线取自这两个极板。

电容器的电容取决于极板之间的距离和极板的面积。电容值可以通过改变这些参数中的任何一个来改变。

可变电容器可以通过使这些板中的一个固定而另一个移动来构造。

4.1.电容器的电介质

电介质充当板之间的绝缘材料。电介质可以是任何非导电材料,例如陶瓷、蜡纸、云母、塑料或某种形式的液体凝胶。

电介质在决定电容值方面也很重要。随着电介质被引入电容器的极板之间,其值增加。

不同的介电材料会有不同的介电常数,但该值>1。

介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中,电场的强度会在电介质内有可观的下降。理想导体的相对介电常数为无穷大。

根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常,相对介电常数大于3.6的物质为极性物质;相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质;相对介电常数小于2.8为非极性物质。

介电材料和介电常数

介电材料:放在平板电容器中增加电容的材料。

电介质:在电场作用下能建立极化的物质。

电介质可以有两种类型:

极性电介质:这些电介质将具有永久的电介质运动
非极性电介质:这些将具有暂时的介电矩。通过将它们置于电场中,它们可以被偶极矩感应。

下表给出了空气、纸张、玻璃、和水等介电材料的介电常数值:

每种介电材料的介电常数值
每种介电材料的介电常数值

4.2 复介电常数

介电材料的相对介电常数 (εr) 和自由空间的介电常数 (εo) 的乘积称为介电材料的“复介电常数”或“实际介电常数”。

复介电常数的表达式如下:

ε = ε0 * εr

复介电常数的值总是等于相对介电常数,因为自由空间的介电常数等于“一”。介电常数或复介电常数的值因一种介电材料而异。

常见介电材料的复介电常数 (ε) 的一些标准值是空气 = 1.0005、纯真空 = 1.0000、云母 = 5 – 7、纸 = 2.5 – 3.5、木材 = 3 – 8、玻璃 = 3 – 10 和金属氧化物粉末= 6 – 20 等。

电容器可以根据其绝缘或介电材料的特性和特性进行分类,它们如下所示:

  • 高稳定性和低损耗电容器——云母、低 K 陶瓷和聚苯乙烯电容器就是这种类型的示例。
  • 中等稳定性和中等损耗电容器——纸、塑料薄膜和高 K 陶瓷电容器就是这种类型的示例。
  • 极化电容器——这种类型的电容器的例子是电解和钽。

五、电容器是如何工作的?

如前所述,电容器由电介质隔开的两个导体组成,当两个导体之间存在任何电位差时,就会产生电位。这会导致电容器充电和放电。

让我们以实际的方式理解这一点。当电容器连接到电池(直流电源)时,电流开始流过电路。

因此,负电荷积聚在一个板上,正电荷积聚在另一板上。这个过程一直持续到电容器电压达到电源电压。

当充电电压等于电源电压时,即使连接了电池,电容器也会停止充电。取出电池后,两个极板将累积正电荷和负电荷。因此电荷存储在电容器中。

但是当电源电压来自交流电源时,它会连续充电和放电。充电和放电的速率取决于电源的频率。

5.1.举例

可以在这里使用简单的示例来理解电容器是如何工作的。下面的电路显示了两个开关 A 和 B。当开关 1 闭合时,电流开始从电池流向电容器。当电容器电压达到电源电压时,它会停止进一步充电。

电容和电容器是如何工作的
电容和电容器是如何工作的

现在将开关连接到位置 B。现在您可以观察到 LED 开始发光,并且随着电容器放电而逐渐消失。

电容器的容量由下式给出:

C=KεA/d

C= εA/4πd

C = εo * εr (A/d)

  • C – 电容器的电容
  • A – 板之间的区域
  • D – 两个板之间的距离
  • εo – 自由空间的介电常数
  • εr——相对介电常数
  • K- 介电常数

5.2 电容器的容量

电容(Capacitance)亦称作“电容量”,是指在给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,国际单位是法拉(F)。一般来说,电荷在电场中会受力而移动,当导体之间有了介质,则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上,造成电荷的累积储存,储存的电荷量则称为电容。
电容是指容纳电荷的能力。任何静电场都是由许多个电容组成,有静电场就有电容,电容是用静电场描述的。一般认为:孤立导体与无穷远处构成电容,导体接地等效于接到无穷远处,并与大地连接成整体。
电容(或称电容量)是表现电容器容纳电荷本领的物理量。电容从物理学上讲,它是一种静态电荷存储介质,可能电荷会永久存在,这是它的特征,它的用途较广,它是电子、电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。
电容器的电容量也可称为电容值,可简称为电容。电容量是电容器的属性,它定义了存储在其中的最大电荷量。它存在于自然界中的任何地方。

电容可能会因电容器的形状而异。电容可以通过使用导体的几何形状和介电材料特性来计算。让我们看看平行板电容器的电容。

电容定义为任一板上的电荷量 (Q) 与它们之间的电位差 (V) 的比值,

C =Q/V,

因此电流可以以以下公式表示:

I(t)=C[d(v)/d(t)]

电容单位为以英国物理学家Michael Faraday命名的法拉(F)。

法拉是一个很大的单位,实际日常的电子产品中很少用到1法拉这么大的电容,常用的电容一般都是微法级别的,而1法=1000000微法。

从上面的定义我们可以观察到电容与电荷(Q)成正比,与电压(V)成反比。

可以通过增加极板的数量来增加电容器的容量,这有助于保持电容器的相同尺寸。在这里,板的面积增加了。

5.3 电容的标准单位

通常法拉值很高,因此电容表示为电容器实时的子单位,例如微法拉(uF),纳法拉(nF)和皮法拉(PF)。

大多数电气和电子应用都包含在以下标准单位 (SI) 前缀中,以便于计算,

  • 1 mF(毫法拉)= 10−3 F = 1000 μF = 1000000 nF
  • 1 μF(微法拉)=10−6 F = 1000 nF = 1000000 pF
  • 1 nF(纳法拉)= 10−9 F = 1000 pF
  • 1 pF(皮法)= 10−12 F

要将 µF 转换为 nF 或 pF 或各种其他单位,反之亦然,我们需要使用电容单位转换器。

六、电容器的额定电压 (reted voltage,voltage rating )

这不是电容器充电的电压,而是电容器可以安全运行的最大电压。该电压称为工作电压(WV)或直流工作电压(DC-WV)。

下图显示了电容器的额定电压。

电容器的额定电压
电容器的额定电压

如果电容器施加的电压大于此电压,则可能会因介电击穿而在极板之间产生电弧而损坏电容器。

在设计带有电容器的电路时,应注意电容器的额定电压大于电路中使用的电压。例如,如果电路工作电压为 12V,则需要选择额定电压为 12V 或以上的电容器。

电容器的工作电压取决于电容器板之间使用的电介质材料、电介质厚度以及所使用的电路类型等因素。

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