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电容和电荷

一、电容

电容器的电容定义为电容器在其体内存储最大电荷 (Q) 的能力。在这里,电荷以静电能的形式存储。电容以基本国际单位制单位(即法拉)测量。这些单位可以是微法拉、纳法拉、皮法拉或法拉。电容的表达式由下式给出,

C = Q/V = εA/d = ε0 εr A/d

在上面的等式中

  • C是电容,
  • Q是电荷,
  • V 是极板之间的电位差,
  • A 是板之间的面积,
  • d 是板之间的距离。
  • ε介电常数
  • ε0 介电常数自由空间
  • εr 自由空间的相对介电常数

二、自电容

自电容是感应块相对地之间的电容,这个地在这里指的是电路的地,虽然这个地离感应块可能很近,也可能很远,但它总是存在的。当感应块上施加一个激励信号时,由于自电容的存在,将在感应块和地之间产生一个随激励信号变化的电场。

自电容特性与电容器有关,特别是与绝缘导体有关。顾名思义,电容是绝缘导体中将其电位差提高到一伏特的特性。

通常,正常导体将具有互电容。互电容是一个感应块与另一个感应块之间的电容,在一个感应块上施加一个激励信号时,由于互电容的存在,在另一个感应块上可以感应并接收到这个激励信号,接收到的信号的大小与相移与激励信号的频率和互电容的大小有关。

半径为“R”的导电球体的自电容由下式给出,

C=4 πɛoR

下面给出了一些标准器件的自电容值:

  • 对于半径为 20 cm 的范德格拉夫发电机的顶板,自电容为 22.24 pF
  • 地球自电容为 710 uF

三、杂散电容 (寄生电容

寄生电容parasitic capacitance),也称为杂散电容,杂散电容是不需要的电容。是电路中电子元件之间或电路模组之间,由于相互靠近所形成的电容,寄生电容是寄生元件,多半是不可避免的,同时经常是设计时不希望得到的电容特性。寄生电容常常也会造成杂散振荡。通常在高频下,这会给电路引入噪声。这种不希望有的电容很小,除非导体靠近在一起长距离或大面积。

在现实中,所有的电路元件,例如电感元件、二极管晶体管都具有内部电容,这些电容将使元件的性能与理想情况有所不同。此外,在任意两段导体之间均有非零的电容,这种电容在高频情况中体现得尤为突出,因此在印刷电路板设计中必须予以考虑。

功率MOSFET(Power MOSFET)的寄生电容可能会比较大,若直接利用微控制器的输出来控制,可能会令微控制器受损。闸极驱动器就是用来解决寄生电容的问题,其输出电流能力亦较大。

杂散电容不能完全消除,但可以减少。电路设计人员在设计电路时应注意杂散电容。应保持组件和线路之间的分离,以减少不需要的电容。

它也以 S.I 单位(即法拉)来衡量。

杂散电容的一个例子就是线圈匝之间的电容,或两个相邻导体之间形成的电容。

四、简单系统的电容计算

电容的计算只不过是在电容器表面具有恒定电势的情况下求解拉普拉斯定理 ∇ ²φ = 0。下面给出了一些简单系统的电容值和方程。

一些简单系统的电容值和方程计算式
一些简单系统的电容值和方程计算式

五、给电容器充电

电容器在其金属板上存储最大电荷 (Q) 的能力称为其电容值 (C)。存储电荷的极性可以是负的也可以是正的。

例如电容器的一个板上的正电荷(+ve)和另一个板上的负电荷(-ve)。电荷、电容和电压的表达式如下所示。

 

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Posted in 基本电子教程