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電容是什么？

什么是電容？電容（Capacitance）亦稱作“電容量”，是指在給定電位差下自由電荷的儲藏量，即為C，國際單位是法拉（F）。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，造成電荷的累積儲存，儲存電荷量則稱為電容。

電容是指容納電荷的能力。任何靜電場都是由許多個電容組成，有靜電場就有電容，電容是用靜電場描述的。一般認為：孤立導體與無窮遠處構成電容，導體接地等效于接到無窮遠處，并與大地連接成整體；

電容（或稱電容量）是表現電容器容納電荷本領的物理量。電容從物理學上講，它是一種靜態電荷存儲介質，可能電荷會永久存在，這是它的特征，它的用途較廣，它是電子、電力領域中不可缺少的電子元件。主要用于電源濾波、信號濾波、信號耦合、諧振、濾波、補償、充放電、儲能、隔直流等電路中。

電容器所帶電量Q與電容器兩極間的電壓U的比值，叫電容器的電容。在電路學里，給定電勢差，電容器儲存電荷的能力，稱為電容（capacitance），標記為C。采用國際單位制，電容的單位是法拉（farad），標記為F。電容的符號是C。

C=εS/d=εrS/4πkd（真空）=Q/U

注：電容是一種容納電荷的能力，電容器是一種元器件

電容原理解讀

一、基本原理（電荷異性相吸）：回顧中學，庫倫定理中的相關知識。

1、存在兩種電荷，正電荷和負電荷。

2、同性電荷相斥，異性電荷相吸。

3、使物體帶電一共有三種方式,即接觸起電、摩擦起電、感應起電。 4.電荷守恒定律：在一個與外界沒有電荷交換的系統內，正負電荷的代數和保持不變。

二、電容決定式解讀：

1、電容容量的決定式高中公式：C=εS/4πkd 這里ε是指材料和真空介電常數的比值。 S是電容器兩極板的正對面積。 d是電容器兩極板之間的距離。

2、大學公式：C=εS/d 這里ε就是指材料的介電常數，介電常數是指物質保持電荷，束縛電荷的能力，真空介電常數為ε0，而且有等式ε0=1/4πk。兩種公式是一樣的。

a、極板間的距離越小，兩極板的面積大，電容量也越大。

b、不同的介質對極板上的正負電荷間的作用的影響不同。

在金屬導體構成的電路中，正電荷是固定的，電子是自由移動的，加上電源后，電子在電場的作用下沿著導線運動，電子的流入使電極板表現出負性，電子的流出使電極板表現出正性。

電容器的分類

電容器按照介質材料、用途、極性、封裝可以進行如下分類：

常用電容器介紹

1、陶瓷電容

用陶瓷做介質，在陶瓷基體兩面噴涂銀層，然后燒成銀質薄膜做極板制成。它的特點是體積小、耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適于高頻電路。

2、鋁電解電容

它是由鋁圓筒做負極，里面裝有液體電解質，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。還需要經過直流電壓處理，使正極片上形成一層氧化膜介質。它的特點是容量大，但是漏電大、穩定性差，有正負極性，適宜用于電源濾波或者低頻電路中。

3、鉭電容

鉭電容由金屬鉭做正極，用稀硫酸等配液做負極，用鉭表面生成的氧化膜做介質，它的特點是體積小、容量大、性能穩定、壽命長、絕緣電阻大、溫度特性好。可廣泛用于電源濾波、旁路、去耦。用在要求較高的設備中。

電容器的主要特性

1、標稱電容量：為標志在電容器上的電容量。但電容器實際電容量與標稱電容量是有偏差的，精度等級與允許誤差有對應關系。一般電容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級，電解電容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級表示容量精度，根據用途選取。電解電容器的容值，取決于在交流電壓下工作時所呈現的阻抗，隨著工作頻率、溫度、電壓以及測量方法的變化，容值會隨之變化。電容量的單位為F（法）。

電容器既然是一種儲存電荷的“容器”，就有“容量”大小的問題。為了衡量電容器儲存電荷的能力，確定了電容量這個物理量。電容器必須在外加電壓的作用下才能儲存電荷。不同的電容器在電壓作用下儲存的電荷量也可能不相同。國際上統一規定，給電容器外加1伏特直流電壓時，它所能儲存的電荷量，為該電容器的電容量（即單位電壓下的電量），用字母C表示。電容量的基本單位為法拉（F）。在1伏特直流電壓作用下，如果電容器儲存的電荷為1庫侖，電容量就被定為1法拉，法拉用符號F表示，1F=1Q/V。

在實際應用中，電容器的電容量往往比1法拉小得多，常用較小的單位，如毫法（mF）、微法(μF)、納法（nF）、皮法(pF)等，它們的關系是：1微法等于百萬分之一法拉；1皮法等于百萬分之一微法，即： 1法拉(F)=1000毫法(mF)；1毫法(mF)=1000微法(μF)；1微法(μF)=1000納法（nF）；1納法（nF）=1000皮法(pF)；即：1F=1000000μF；1μF=1000000pF。

2、額定電壓：為在最低環境溫度和額定環境溫度下可連續加在電容器的最高直流電壓。如果工作電壓超過電容器的耐壓，電容器將被擊穿，造成損壞。在實際中，隨著溫度的升高，耐壓值將會變低。

3、絕緣電阻：直流電壓加在電容上，產生漏電電流，兩者之比稱為絕緣電阻。當電容較小時，其值主要取決于電容的表面狀態；容量大于0.1μF時，其值主要取決于介質。通常情況，絕緣電阻越大越好。

4、損耗：電容在電場作用下，在單位時間內因發熱所消耗的能量稱做損耗。損耗與頻率范圍、介質、電導、電容金屬部分的電阻等有關。

5、頻率特性：隨著頻率的上升，一般電容器的電容量呈現下降的規律。當電容工作在諧振頻率以下時，表現為容性；當超過其諧振頻率時，表現為感性，此時就不是一個電容而是一個電感了。所以一定要避免電容工作于諧振頻率以上。

當頻率很高時，電容不再被當做集中參數看待，寄生參數的影響不可忽略。寄生參數包括Rs，等效串聯電阻（ESR）和Ls 等效串聯電感（ESL）。電容器實際等效電路如圖1 所示，其中C 為靜電容，Rp 為泄漏電阻，也稱為絕緣電阻，值越大（通常在GΩ 級以上），漏電越小，性能也就越可靠。因為Rp 通常很大（GΩ 級以上），所以在實際應用中可以忽略，Cda和Rda分別為介質吸收電容和介質吸收電阻。介質吸收是一種有滯后性質的內部電荷分布， 它使快速放電后處于開路狀態的電容器恢復一部分電荷。ESR 和ESL 對電容的高頻特性影響最大，所以常用如圖1（b）所示的串聯RLC 簡化模型，可以計算出諧振頻率和等效阻抗：

圖1 電容串聯RLC 簡化模型

電容器串聯RLC模型的頻域阻抗圖如圖2 所示，電容器在諧振頻率以下表現為容性；在諧振頻率以上時表現為感性，此時的電容器的去耦作用逐漸減弱。同時還發現，電容器的等效阻抗隨著頻率的增大先減小后增大，等效阻抗最小值為發生在串聯諧振頻率處的ESR。

圖2 電容器串聯RLC 模型的頻域阻抗圖

由諧振頻率式可得出，容值大小和ESL 值的變化都會影響電容器的諧振頻率，如圖3 所示。由于電容在諧振點的阻抗最低，所以設計時盡量選用fR 和實際工作頻率相近的電容。在工作頻率變化范圍很大的環境中，可以同時考慮一些fR 較小的大電容與fR 較大的小電容混合使用。

圖3 容值和ESL 的變化對電容器頻率特性的影響

電容器的選型

1、選擇合適的型號

一般在電路中用于低頻耦合、旁路去耦等、電氣性能要求不嚴格時可以采用紙介電容器、電解電容器等。低頻放大器的耦合電容器，選用1-22μF的電解電容器。旁路電容器根據電路工作頻率來選，如在低頻電路中，發射極旁路電容選用電解電容器，容量在10~220μF之間，在中頻電路中可選用0.01~0.1μF的紙介、金屬化紙介、有機薄膜電容器等；在高頻電路中，則應選用云母電容器和瓷介電容器。在電源濾波和退耦電路中，可選用電解電容器。因為在這些場合中對電容器的要求不高，只要體積允許、容量足夠就可以。

2、合理選擇電容器的精度

在旁路、退耦、低頻耦合電路中，一般對電容器的精度沒有很嚴格要求，選用時可根據設計值，選用相近容量或容量略大些的電容器。但在另一些電路中，如振蕩回路、延時回路、音調控制電路中，電容器的容量就應盡可能和計算值一致。在各種濾波器和各種網絡中，對電容量的精度有更高要求，應選用高精度的電容器來滿足電路的要求。

3、確定電容器的額定工作電壓

電容器的額定工作電壓應高于實際工作電壓，并留有足夠余量，以防因電壓波動而導致損壞。一般而言，應使工作電壓低于電容器的額定工作電壓的10%~20%。在某些電路中，電壓波動幅度較大，可留有更大的余量。

電容器的額定工作電壓通常是指直流值。如果直流中含有脈動成分，該脈動直流的最大值應不超過額定值；如果工作于交流，此交流電壓的最大值應不超過額定值。并且隨著工作頻率的升高，工作電壓應降低。

有極性的電容器不能用于交流電路。電解電容器的耐溫性能很差，如果工作電壓超過允許值，介質損耗將增大，很容易導致溫升過高，最終導致損壞。一般說來，電容器工作時只允許出現較低溫升，否則屬于不正常現象。因此，在設備安裝時，應盡量遠離發熱元件（如大功率管、變壓器等）。如果工作環境溫度較高，則應降低工作電壓使用。

一般小容量的電容器介質損耗很小，耐溫性能和穩定性都比較好，但電路對它們的要求往往也比較高，因此選擇額定工作電壓時仍應留有一定的余量，也要注意環境工作溫度的影響。

4、盡量選用絕緣電阻大的電容器

絕緣電阻越小的電容器，其漏電流就越大，漏電流不僅損耗了電路中的電能，重要的是它會導致電路工作失常或降低電路的性能。漏電流產生的功率損耗，會使電容器發熱，而其溫度升高，又會產生更大的漏電流，如此循環，極易損壞電容器。因此在選用電容器時，應選擇絕緣電阻足夠高的電容器，特別是高溫和高壓條件下使用的電容器，更是如此。另外，作為電橋電路中的橋臂、運算元件等場合，絕緣電阻的高低將影響測量、運算等的精度，必須采用高絕緣電阻值的電容器。電容器的損耗在許多場合也直接影響到電路的性能，在濾波器，中頻回路、振蕩回路等電路中，要求損耗盡可能小，這樣可以提高回路的品質因數，改善電路的性能。

5、考慮溫度系數和頻率特性

電容器的溫度系數越大，其容量隨溫度的變化越大，這在很多電路是不允許的。例如振蕩電路中的振蕩回路元件、移相網絡元件、濾波器等，溫度系數大，會使電路產生漂移，造成電路工作的不穩定。這些場合應選用溫度系數小的電容器，以確保其能穩定工作。

另外在高頻應用時，由于電容器自身電感、引線電感和高頻損耗的影響，電容器的性能會變差。頻率特性差的電容器不僅不能發揮其應有的作用，而且還會帶來許多麻煩。例如，紙介電容器的分布電感會使高頻放大器產生超高頻寄生反饋，使電路不能工作。所以選用高頻電路的電容器時，一要注意電容器的頻率參數，二是使用中注意電容器的引線不能留得過長，以減小引線電感對電路的不良因影響。

6、注意使用環境

使用環境的好壞，直接影響電容器的性能和壽命。在工作溫度較高的環境中，電容器容易產生漏電并加速老化。因此在設計和安裝時，應盡可能使用溫度系數小的電容器，并遠離熱源和改善機內通風散熱，必要時，應強迫風冷。在寒冷條件下，由于氣溫很低，普通電解電容器會因電解液結冰而失效，使設備工作失常，因此必須使用耐寒的電解電容器。在多風沙條件下或在濕度較大的環境下工作時，則應選用密封型電容器，以提高設備的防塵抗潮性能。

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