电容器 101:用于许多电子电路的一个关键储能元件的内部运作

电容器是一个双端电气元件,用于在电场储存能量。 电容器包括 2 个或多个导体或金属板,并由称之为电介质的绝缘层隔开。 导体的形式可以是薄膜、薄片或金属珠或导电电解液等。

此介电绝缘层阻止 DC 电流通过(因为绝缘层阻挡了电流),而让电压以电荷的形式穿过板。 作为一种能源存储设备,理想的电容器不会损耗能量。 电容器在其板之间以静电场形式储存能量(图 1)。

图 1:电容器的基本构造。 (来源:电子教材)

一个理想的电容器具有固定的电容 C,被定义为每个导体上的电荷 Q 与电压 V 之间的比率。 因为导电金属板紧靠在一起,导体上的异性电荷因它们的电场而彼此相吸。 这可让电容器充当一个储能装置,并比分开的导体储存更多的电荷。

在电容器上使用某个电压并测量板上的电荷,使用电荷 (Q) 与电压 (V) 的比例可算出电容器的电容值。 方程可列为 C = Q/V。 计算板上电荷更常用的公式是 Q = C x V。

主要的电容器格

电容的基本测量单位是 法拉 (缩写 F). 因为法拉是一个较大的计量单位,因此,在测量电容的时候存在许多较小的法拉倍数,尤其是许多较小的电容器。 其他标准电容单位包括 微法拉 (uF),相当于 10-6 法拉,毫微法拉 (nF),相当于 10-9 法拉,及 微微法拉 (pF),相当于 10-12 F.

电容器的 工作电压 (WV DC) 是电容器在不损伤电介质的情况下可应用的最大电压。 电容器有一个最大直流电压。

一个电容器可以安全储存的最大能量受 击穿电压的限制。 由于电容和击穿电压与电介质厚度之间存在压缩比,对于所有由特定电介质制造的电容器,其最大能量密度几乎相当,甚至可高达电介质占据了大部分容量的程度。

与空气相比,影响介电材料或绝缘体增加电容器电容的因素称之为介电常数k.相对于介电常数较低的介电材料,介电常数较高的介电材料具有更好的绝缘性。 介电常数是个无量纲量,因为它与自由空间有关。

介质泄漏 是电容器的另外一个关键规格。 电容器介质泄漏产生的原因是意外泄露的电流流经电介质。 电流过度泄露会损害电容器。

电容器应用

电容器在允许交流电通过的同时,还用于电子电路中以阻止直流电。 在模拟滤波器网络中,它们使电源输出更加顺畅。 在共振电路中,电容器用于将收音机微调到特定频率。 电容器也可以用于稳定输电系统中的电压和功率流。

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