電容是什麼?能真正回答正確的人應該不多

2022年09月28日14:03:20 科學 1921

如果問「有沒有聽過電容這個詞」,我相信大家的回答都是「聽過」,但如果問「電容是什麼」,我想能真正回答的人應該是不多的。而那些不能回答或只能回答個一二的人,這篇文章將可以讓你提交一份完美的答案!

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電容的含義


電容,簡單來說,它有兩方面的含義,一是指電容器,即實際的電路器件;另一方面它又指某種參數或效應,即電容參數或電容效應。

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從名稱上去理解,「電容」也可以解讀為「電荷的容納(存儲)」或「電場能量的容納(存儲)」。所以,為了便於理解電容,我們有必要知道電荷和電場的一些知識。


1、電荷與電場

電荷與電場相伴相隨。電荷,即帶有正電或負電的粒子,如自由電子銅離子等。點電荷(沒有大小和形狀的一個點,只考慮其帶電量)是比較典型的電荷模型,如下圖1-1-1所示為3個點電荷,這些電荷由於電量的存在會在周圍激發出相應的電場,電荷量越多,電場就越大。該電場會對「放置其中」的其他電荷產生力的作用,即同性電荷相互排斥,異性電荷相互吸引,這個力就是電場力


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圖1-1-1


所謂「放置其中」,是指其他電荷置於該電場的範圍內,這就好比地球的重力場會對地球表面的人產生重力作用,但如果人離地球足夠遠,即離開地球的重力場範圍,就會因失去地球引力的作用而漂浮在空中。如圖1-1-1中,若電荷q2靠近q1,直至接觸到q1的電場,就受到q1的排斥力。

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同樣的,若有一塊銅金屬板,如下圖1-1-2所示,其內部帶正電的銅離子靠在金屬表面的同一側。此時,這些銅離子就會在銅金屬表面激發出一個電場,這個電場是這些銅離子共同產生的合成電場。若有另一塊金屬靠近銅板,那麼這另一塊金屬內部的自由電子,就會在銅金屬板電場力的吸引力下聚集在靠近銅的一側表面。其實,這就是電荷的容納,或者說,這就是電場能量的存儲。


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圖1-1-2


想像一下,若圖1-1-2的銅金屬板表面的銅離子減少,那麼它表面所激發的電場就會變小。此時這個電場對另一塊金屬內部自由電子的作用力也就會相應減小。所以,另一塊金屬板表面的的自由電子也會相應減少!


另外,按照電場的性質,置於電場中的電荷都會受到力的作用,換言之,電場可以對電荷做功,即電場具有能量!電場力將單位正電荷自A點移動至B點時所做的功,就稱之為A、B兩點的電壓,這也是A、B兩點的電位差,如下圖1-1-3所示。這表明了電壓是反映兩點間電場大小的物理量,同時也是能量的反映。


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圖1-1-3


2、電容效應

根據電容的含義:「電荷的容納(存儲)」或「電場能量的容納(存儲)」,結合上文的電壓定義,很顯然,只要電位不相等,即有電壓的存在,就表明有電場的存在。那麼,置於電場中的電荷就會在電場的作用力下聚集並具有電場能量。這種產生電荷的聚集並具有電場能量的現象,就被稱為電容效應


電容效應存在於很多場合,例如不同相的導線之間、相線與零線之間、相線與地之間、二極體的電極之間等,因為它們之間有電壓,所以會產生電容效應。

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看到這裡,相信大家對電容也有了一定的了解,但這還不是完美的答案!要想更深層次地掌握電容知識,「電容器」也是不可或缺的一部分。


電容器


電容器,就是根據電容效應而製成的電路器件,把電容效應發揮到最大化,儘可能地使電荷聚集,從而形成足夠大的電場,存儲相應的電場能量。


電容器在工程技術中應用非常廣泛,它的種類、型號、規格繁多,但結構原理相同。簡單來說,兩個相互靠近的金屬板,中間夾一層不導電的絕緣介質(如絕緣紙、雲母、空氣等),這就構成了電容器,如下圖1-1-4所示。


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圖1-1-4


當給電容器的兩金屬板之間施加一個電壓,也就是施加一個外電場,在這個外電場的作用力下,金屬板的電荷發生聚集,例如接外電壓正極(電源正極)的金屬板,其正電荷因受到排斥力的作用向兩極板間的方向聚集,同樣的,另一塊金屬板的負電荷也向兩極板間的方向聚集。


有了電荷的聚集,電容器的兩金屬板間就建立了一個電場,即存儲了一定的電場能量,這就是電容器的儲能性質。一句話形容就是,電容器吸收的能量以電場能量的形式存儲在極板間的電場中。


電容器的應用非常廣泛,在不同電路中發揮著不同的作用,如耦合、濾波、整流、無功補償等。而要理解電容器的不同作用,就不得不了解電容器的相關特性,也就是其電路分析


電容元件與其參數


電容元件和電容器都有電容兩個字,那麼它們有沒有區別呢?電容元件是不是電容器?讓我們一起來看看吧。


1、電容元件

電容器在電路分析中的建模就是電容元件,電容元件是一種理想的元件,它僅反映了電容器能存儲電荷(存儲電場能量)這一物理現象,其電路符號為兩條短豎線,如下圖1-1-5所示。這兩條短豎線就如同兩塊金屬板,可以說是非常形象了。

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圖1-1-5


上文說到「理想的元件」,這裡的「理想」又是什麼意思呢?其實,它是指忽略實際電容器的其他因素。例如,實際電容器在電路中除了儲能的作用外,還會產生一定的電能損耗,這個電能的損耗就相當於電阻的作用,也就是說,實際電容器也有部分電阻的特性。但電容元件顯然沒有電阻的存在,無法反映出能量的損耗,所以,這就是電容元件與電容器的區別。


但實際上,我們往往也把實際電容器叫做電容元件,基於此,大家就要懂得具體問題具體分析了。例如,若不能忽略電容器的功率損耗,那麼它在電路分析中的建模,應是電容元件和電阻元件的並聯組合,如下圖1-1-6所示,但若忽略其功率損耗,此時電容器的建模就可以直接用電容元件表示。


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圖1-1-6


既然電容元件反映的是電容器的儲能性質,那麼,它就得把這個所存儲的能量通過某種方式給表示出來,這就是「電容C 」的由來。


2、電容元件的參數

電容元件所存儲的電荷q與電壓u有著某種代數關係,即電容元件極板上存儲的電荷q與其兩端的電壓成正比,這就是電容元件的元件特性,該比例係數用字母「C 」表示,如下圖1-1-7所示。

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圖1-1-7


圖1-1-7所示的是q =Cu中的「C 」就是電容元件的參數,稱為電容,是一個正實常數。也就是說,一個具體的電容元件,其電容C就是一個大於零的常數(其值不變的數),不隨外部條件的變化而變化。


顯然,電容C是電荷與電壓的比例係數,以電壓u為橫坐標、電荷q為縱坐標就可以畫出電容元件的特性曲線,如圖1-1-7所示,該曲線稱為庫伏曲線,斜率就為電容C


至於為什麼被稱為庫伏曲線,很簡單,因為電荷q的單位為庫侖,電壓u的單位為伏特,所以這條曲線就叫庫伏曲線啦。


當電荷q的單位為庫侖,電壓u的單位為伏特時,電容C的單位就為法拉,用字母「F」表示,簡稱法。1F其實已經是一個非常大的數了,很多情況下,其單位都是以「μF(微法)」、「pF皮法)」的形式出現,它們的關係如下圖1-1-8所示。

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圖1-1-8


電容元件的參數稱為電容,但一般情況下,為了方便,我們也把電容元件稱為電容。也就是說,「電容」這個詞和「C 」這個符號,一方面表示電容元件,一方面也表示電容元件的參數。


關於電容的更多內容,如電容元件在交流電路直流電路中的不同、與電容相關的容抗是什麼等,我們將在下一篇文章再加以闡述,請持續關注喲!

(來源:技成培訓網原創,作者:楊思慧,未經授權不得轉載,違者必究!)

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