电容器的机理与电气功能

   顾名思意,可以作这样的形象理解:所谓电容器(capacitor)就是能够储存电荷的“容器”.只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷(charge),而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上.至此,我们就可以描述电容器的基本结构:两块导体板(通常为金属板)中间隔以电介质(dielectric).即构成电容器的基本模型.

   了解了电容器的基本构造后,可能会产生这样的问题:电容从何而来?电容的物理意义为何?电容器的主要参数有哪些?电容器在电子线路中起哪些作用?下面我们将对上述问题一一作出解答.

   众所周知,空间中的一个带电体具有两个电参数:电荷电量Q和电位势U.而这两者的比值(Q/U)表现出一种有趣的规律:这个比值仅与带电体本身的尺寸、形状及其所处的空间环境有关,而与带电体所带电荷的多少无关.也就是说,带电体所带电荷与其电位势的比值表征了带电体及其周围环境所构成的系统的一种固有属性,我们把此比值称为电容量,以C(=Q/U)来表示.电容量也可以理解为带电体(电位势一定的情况下)容纳电荷的能力.

   我们通过两个例子来了解电容量C的计算方法:

   (1)真空中孤立带电球(R=r0)的电容量如何计算?设孤立电荷的电量Q=q,其相对于无穷远处的电位势U=q/(4πε0r0),则其电容量C= Q/U=4πε0r0.从计算结果可以看出,电容量只与带电体的本体尺寸,形状和所处的空间环境有关,而与所带电量无关.

   (2)平行板电容器的电容量计算方法.所谓平行板电容器是指两块相对平行的金属板中间隔以相对介电常数为εr、厚度为d的电介质所构成的电子元件.设平行板电容器储存的电荷Q=q,则正负极板的电荷分别为+q、-q,两极板间的电位差为u.平行板电容器可以看作是两个孤立带电体电容器串联构成.设正极板相对于无穷远处的电位U+=u+,则负极板的电位U-=u+-u.正负极板具有的电容量分别为+q/u+,-q/(u+-u).两者串联的合成容量1/C= 1/(+q/u+)+1/-q/(u+-u)=u/q,

即C=q/u.由物理学的推导可以得出,u=4πdq/(εrε0S),所以C=εrε0S/4πdq.同样,电容量仅与其结构尺寸有关,而不依赖其带电量的多少.

   电容量(Capacitance)、工作电压(operatingVoltage)、损耗因子(LossFactor)、绝缘电阻(Insulat ingResistance)等是标定电容器特性的基本电气参数.电容器的电容量、损耗因子通常以120Hz下数字电桥测定的数值为准;绝缘电阻则是电容器隔离直流作用的数值化表征,希望电容器的绝缘电阻越高越好.表征电容器特性的参数还有:击穿电压(BreakdownVoltage)、容许流通的{zd0}纹波电流(Max.RippleCurrent)、使用温度范围(OperationTemperatureRange)、容量温度系数(TemperatureCoefficient)、频率特性(FrequencyCharacteristics)等.

   电容器在电子线路中的作用一般概括为:通交流、阻直流.电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用,是电子线路必不可少的组成部分.在LSIC、VLSIC已经大行其道的今天,电容器作为一种分立式无源元件仍然大量使用于各种功能的电路中,其在电路中所起的重要作用可见一斑.作贮能元件也是电容器的一个重要应用领域,同电池等储能元件相比,电容器可以瞬时充放电,并且充放电电流基本上不受限制,可以为熔焊机、闪光灯等设备提供大功率的瞬时脉冲电流.电容器还常常被用以改善电路的品质因子,如节能灯用电容器.