1.1电容器简介

什么是电容器？为什么它很重要？

电容器是经常被忽视但至关重要的电子部件。它们能够存储和释放电能，在许多电路中发挥着关键作用。对于电子爱好者和技术学习者来说，了解电容器是必不可少的。电容器可以执行多种任务，如平滑电源、滤波信号和存储能量。让我们揭示电容器在当今科技世界中的重要性。

电容器是什么？

电容器也被称为电容器 。这是像电阻器一样的无源元件之一。电容器通常用于储存电荷。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起着重要的作用。

一般来说，电容器有两个相互不连接的平行金属板。电容器中的两个板被非导电介质（绝缘介质）分开，这种介质通常被称为电介质 。

电容器有不同类型和不同形状，从用于谐振电路的非常小的电容器到用于稳定高压直流输电线路的大型电容器。但所有电容器都在做相同的工作，即储存电荷。

电容器的形状有长方形、方形、圆形、圆柱形或球形。与电阻不同，理想的电容器不会耗散能量。由于不同类型的电容器可用不同的符号来表示，如下所示。

为什么电容器很重要？

电容器有许多特性，例如:

1. 它们可以存储能量，并且可以在需要的时候将能量释放到电路中。
2. 它们可以阻挡直流电，同时允许交流电通过，从而可以将电路的一个部分与另一个部分耦合起来。
3. 带有电容器的电路依赖于频率，因此可以用来放大某些频率。
4. 当电容器应用交流输入时，电流超前于电压，因此在电力应用中，它可以增加负载功率，使其更加经济。
5. 它允许高频通过，因此可以作为滤波器，用于过滤低频或收集高频。
6. 由于电容器的阻抗与频率成反比，这可以用来在特定频率下增加或减少电路的阻抗，并且可以作为滤波器使用。

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

电容器的构造

正如之前提到的，存在不同类型的电容器。这些不同类型的电容器具有不同的构造方式。平行板电容器是最简单的电容器类型。让我们来了解这种电容器的构造。

它由两个金属板组成，这两个金属板之间有一定的距离。这两个金属板之间的空间被一种电介质材料所填充。电容器的两个引脚分别从这两个金属板引出。

电容器的电容值取决于金属板之间的距离和金属板的面积。通过改变这些参数中的任何一个，都可以改变电容值。

通过使其中一个金属板固定，而另一个金属板可以移动，可以构造出可变电容器。

电容器的电介质

电介质在电容器的两个极板之间起到绝缘材料的作用。电介质可以是任何不导电的材料，例如陶瓷、涂蜡纸、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起着重要的作用。当在电容器的两个极板之间引入电介质时，电容值会增加。

不同的电介质材料具有不同的介电常数，但这些值都大于1。

以下是常见电介质材料及其介电常数的表格：

电介质有两种类型：

1.极性电介质：这些电介质具有永久的电偶极矩。 2.非极性电介质：这些电介质具有临时的电偶极矩。将它们置于电场中时，可以诱导它们产生电偶极矩。

复介电常数

电介质材料的相对介电常数（εr）与自由空间的介电常数（ε0）的乘积被称为电介质材料的“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1。不同电介质材料的介电常数或复介电常数的值各不相同。

一些常见电介质材料的复介电常数（ε）的标准值如下：空气为1.0005，纯真空为1.0000，云母为5到7，纸张为2.5到3.5，木材为3到8，玻璃为3到10，金属氧化物粉末为6到20等。

电容器可以根据其绝缘或电介质材料的特性和特性进行分类，具体如下：

1. 高稳定性、低损耗电容器 — 云母电容器、低介电常数陶瓷电容器和聚苯乙烯电容器是这类电容器的典型代表。
2. 中等稳定性、中等损耗电容器 — 纸介电容器、塑料薄膜电容器和高介电常数陶瓷电容器是这类电容器的典型代表。
3. 有极性电容器 — 这类电容器的典型代表是电解电容器和钽电容器。

工作原理

正如之前提到的，电容器由两个导体组成，它们之间被电介质分隔。当两个导体之间存在电势差时，就会产生电势。这使得电容器开始充电和放电。 让我们通过一个实际的例子来理解这个过程。当电容器连接到电池（一个直流电源）时，电流开始在电路中流动。

因此，一个极板上会积累负电荷，而另一个极板上会积累正电荷。这个过程会持续进行，直到电容器的电压达到电源电压。

当充电电压等于电源电压时，即使电池仍然连接，电容器也会停止进一步充电。当电池被移除时，两个极板上仍然会分别积累正电荷和负电荷。因此，电荷被存储在电容器中。

然而，当电源电压来自交流电源时，电容器会不断地充电和放电。充电和放电的速率取决于电源的频率。

示例

通过一个简单的例子可以理解电容器的工作原理。下面的电路图展示了两个开关A和B。当开关1闭合时，电流开始从电池流向电容器。当电容器的电压达到电源电压时，它就不再继续充电了。

现在将开关连接到位置B。这时你会看到LED灯开始发光，并且随着电容器的放电，灯光会逐渐变暗。

电容器的电容由以下公式给出：

C =$\frac{KεA_{\text{}}}{d_{\text{}}}$ 或者 C =$\frac{εA}{4πd}$ 或者 C = εo * εr * ($\frac{A}{d}$)

其中，

• C是电容器的电容
• A是极板之间的面积
• d是两个极板之间的距离
• ε0是自由空间的介电常数
• εr是相对介电常数
• K是电介质常数

电容器的电容

电容是电容器的一种属性，它定义了电容器可以存储的最大电荷量。电容在自然界中无处不在。

电容的大小可能取决于电容器的形状。通过使用导体的几何形状和电介质材料的性质，可以计算出电容。让我们来看看平行板电容器的电容。

电容被定义为电荷(Q)与两个极板之间的电势差(V)的比值，

C=VQ

因此，电流可以表示为

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

电容的单位是法拉(F)，这是以英国物理学家迈克尔·法拉第的名字命名的。

从上述定义中我们可以看出，电容与电荷(Q)成正比，与电压(V)成反比。

电容器的电容可以通过增加极板数量来增大，这有助于在保持电容器尺寸不变的情况下提高其电容值。这里，极板的面积被增大了。

电容的标准单位

通常，法拉(F)是一个非常大的单位，因此在实际应用中，电容通常用法拉的子单位来表示，如微法拉(μF)、纳法拉(nF)和皮法拉(pF)。 大多数电气和电子应用都使用以下标准单位（SI）前缀，以便于计算：

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

为了将微法拉（μF）转换为纳法拉（nF）、皮法拉（pF）或其他单位，以及进行反向转换，我们需要使用电容单位转换器。

电容器的电压额定值

这并不是电容器充电的电压，而是电容器能够安全运行的最大电压。这个电压被称为工作电压(WV)或直流工作电压(DC-WV)。下图显示了电容器的电压额定值。

如果电容器被施加的电压超过了这个电压，可能会因为电介质击穿而在极板之间产生电弧，从而损坏电容器。

在设计带有电容器的电路时，必须确保电容器的电压额定值高于电路中使用的电压。例如，如果电路的工作电压是12V，那么就需要选择一个电压额定值为12V或更高的电容器。

电容器的工作电压取决于多种因素，包括电容器极板之间使用的电介质材料、电介质的厚度以及所使用的电路类型。