电容

[diàn róng]
电学物理量之一
展开2个同名词条
收藏
0有用+1
0
电容描述的是器件储存电荷的能力。电容的定义是器件的电荷量与电势之比,常用C表示。电容的量纲是L-2M-1T4I2,国际单位制下单位是F(法拉)。
电容器是一种基本的线性电子元件。电容器在电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、滤波、补偿、充放电、储能、隔离直流电路中都有应用。 [1]
中文名
电容
外文名
Capacitance
国际单位
法拉
单位符号
F
应用领域
物理学、电子技术
作    用
滤波、耦合、谐振、补偿、充放电、储能、隔离直流

定义

播报
编辑
导体的电容由电荷和电势之比定义
电容的量纲是
,国际单位制下单位是
(法拉)。法拉是一个很大的单位。地球的电容约
,范德格拉夫发电机顶部通常是一个半径约
的球体,其电容约为
电容与电池容量的关系:
1伏安时=1瓦时=3600焦耳
W=0.5CUU

电容矩阵

当由多个电容器处于电场中时,或者电容器两个极板上净电荷不为0时,电容器的电势可能不只与电容器自身的电荷有关。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerk Maxwell)引入了电位系数,定义是
或者,可以定义电容矩阵
赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)和威廉·汤姆森爵士(Sir WilliamThomson)证明了电位系数满足

介质中

介质中的电容的计算一般比较复杂,极化电荷的分布很难求解。最常见的电容器是平行板电容器,计算较为简单,在介质中其电容是
其中
是电容器极板的面积,
是极板之间的距离,
是介电常数。

理论

播报
编辑

储能

计算电容器的储能可以考虑对一个电容器充电的过程,其中为了给电容器充电外界做的功转化成电容器中储存的能量

计算案例

理论上,通过求解拉普拉斯方程
,考虑静电学的边界条件,可以得到任意电容器的电容。考虑极板之间有介质填充,下面给出几种形状较为简单的电容器的电容公式
几种形状较为简单的电容器的电容公式
形状
电容
示意图
平行板
平行板
同心球
同心球
无厚度圆盘
无厚度圆盘
同心圆柱面
同心圆柱面
偏心圆柱面
偏心圆柱面
平行导线
平行导线
与无限大导体平面平行的导线
与无限大导体平面平行的导线
两个半径相等的球面

容抗

考虑正弦交流电通入电路,电源电压随时间的变化是一个正弦函数
,电容器上电流和电压关系是
类似电阻的定义,容抗是交流电压与电流之比,
其中
表示电压的相位相比电流落后
。容抗的单位是欧姆。在分析交流电路时,串联和并联电路中电阻、感抗、容抗的叠加法则是相同的,对电阻分析的方法对于感抗和容抗均适用,只不过感抗和容抗均是复数。电路中总的相位变化是总阻抗的相位。
电容、电阻、电感的串并联关系
其中
表示电压的相位相比电流超前
。感抗的单位是欧姆。在分析交流电路时,串联和并联电路中电阻、感抗、容抗的叠加法则是相同的,对电阻分析的方法对于感抗和容抗均适用,只不过感抗和容抗均是复数。电路中总的相位变化是总阻抗的相位。
交流电频率越低,容抗越高;通过电容频率非常低的那部分电流可以认为已被“滤除”。因此电容在交流电路中有过滤低频信号的作用。

充电与放电过程

RC振荡电路
给电容器两端接上或断开电源后,电容器需要一定的时间达到稳定状态。假设在某一时刻突然给一个电容器加上直流电压
,回路的电阻是
,那么
那么各物理量随时间的变化是
其中特征时间

测量电容

播报
编辑
数字万用表检测电容器,可按以下方法进行。
一、用电容档直接检测
某些数字万用表具有测量电容的功能,其量程分为2000p、20n、200n、2μ和20μ五档。测量时可将已放电的电容两引脚直接插入表板上的Cx插孔,选取适当的量程后就可读取显示数据。
2000p档,宜于测量小于2000pF的电容;20n档,宜于测量2000pF至20nF之间的电容;200n档,宜于测量20nF至200nF之间的电容;2μ档,宜于测量200nF至2μF之间的电容;20μ档,宜于测量2μF至20μF之间的电容。
经验证明,有些型号的数字万用表(例如DT890B+)在测量50pF以下的小容量电容器时误差较大,测量20pF以下电容几乎没有参考价值。此时可采用并联法测量小值电容。方法是:先找一只220pF左右的电容,用数字万用表测出其实际容量C1,然后把待测小电容与之并联测出其总容量C2,则两者之差(C1-C2)即是待测小电容的容量。用此法测量1~20pF的小容量电容很准确。
二、用电阻档检测
实践证明,利用数字万用表也可观察电容器的充电过程,这实际上是以离散的数字量反映充电电压的变化情况。设数字万用表的测量速率为n次/秒,则在观察电容器的充电过程中,每秒钟即可看到n个彼此独立且依次增大的读数。根据数字万用表的这一显示特点,可以检测电容器的好坏和估测电容量的大小。下面介绍的是使用数字万用表电阻档检测电容器的方法,对于未设置电容档的仪表很有实用价值。此方法适用于测量0.1μF~几千微法的大容量电容器。
三、用电压档检测
用数字万用表直流电压档检测电容器,实际上是一种间接测量法,此法可测量220pF~1μF的小容量电容器,并且能精确测出电容器漏电流的大小。

应用

播报
编辑

储能

可以利用电容器充放电的过程来储存电能。电容器常用于电子设备,使得电子设备在更换电池时可以保持供电,这可以用来防止信息丢失。
与电池相比,在没有外部电感或电阻的情况下,电容器可以在很短的时间内释放其储存的能量。超级电容可以比电池更快地接受和输送电荷,并且比可充电电池承受更多的充电和放电循环。但是在带电量相同的情况下,超级电容比传统电池大十倍 在汽车音响中,大型电容器可以储存能量供放大器按需使用。

交流电路

信号耦合
电容器会通过交流信号,阻止直流信号,经常被用于分离交流和直流信号。这种方法通常被称为交流耦合或“电容耦合”。有时会采用一个很大的电容值,在所需信号频率下的电抗很小。
解耦
去耦电容器可以保护电路的一部分免受另一部分影响,以抑制噪声或瞬态。元件引起的噪声会被电容器分流。去耦电容器常用于电源和接地之间。去耦电容器又被称为旁路电容器。
滤波
当感应电路打开时,通过电感的电流会瞬间增大,在开关或继电器上产生很大的电压。如果电感足够大,电路中可能会产生火花,损坏电路。并联的缓冲电容器为脉冲电流提供了一条新的通路,从而延长电路的使用寿命。这个应用常见于接触式断路器点火系统。
在较小规模的电路中火花可能不足以损坏电子元件,但是仍然会产生射频干扰。滤波电容器会吸收这些干扰。缓冲电容器通常与串联的低阻值电阻一起使用,以耗散能量,最大限度地减少射频干扰。

调谐电路

电容器和电感器一起应用于调谐电路中,以选择特定频段的信息。例如,无线电接收器依靠可变电容来调节电台的频率;扬声器使用无源模拟分频器。
调谐电路的谐振频率
是电感
和电容
的函数