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电容,简单来说,它有两方面的含义,一是指电容器,即实际的电路器件;另一方面它又指某种参数或效应,即电容参数或电容效应。
从名称上去理解,“电容”也可以解读为“电荷的容纳(存储)”或“电场能量的容纳(存储)”。所以,为了便于理解电容,我们有必要知道电荷和电场的一些知识。
1、电荷与电场
电荷与电场相伴相随。电荷,即带有正电或负电的粒子,如自由电子、铜离子等。点电荷(没有大小和形状的一个点,只考虑其带电量)是比较典型的电荷模型,如下图1-1-1所示为3个点电荷,这些电荷由于电量的存在会在周围激发出相应的电场,电荷量越多,电场就越大。该电场会对“放置其中”的其他电荷产生力的作用,即同性电荷相互排斥,异性电荷相互吸引,这个力就是电场力。
图1-1-1
所谓“放置其中”,是指其他电荷置于该电场的范围内,这就好比地球的重力场会对地球表面的人产生重力作用,但如果人离地球足够远,即离开地球的重力场范围,就会因失去地球引力的作用而漂浮在空中。如图1-1-1中,若电荷q2靠近q1,直至接触到q1的电场,就受到q1的排斥力。
同样的,若有一块铜金属板,如下图1-1-2所示,其内部带正电的铜离子靠在金属表面的同一侧。此时,这些铜离子就会在铜金属表面激发出一个电场,这个电场是这些铜离子共同产生的合成电场。若有另一块金属靠近铜板,那么这另一块金属内部的自由电子,就会在铜金属板电场力的吸引力下聚集在靠近铜的一侧表面。其实,这就是电荷的容纳,或者说,这就是电场能量的存储。
图1-1-2
想象一下,若图1-1-2的铜金属板表面的铜离子减少,那么它表面所激发的电场就会变小。此时这个电场对另一块金属内部自由电子的作用力也就会相应减小。所以,另一块金属板表面的的自由电子也会相应减少!
另外,按照电场的性质,置于电场中的电荷都会受到力的作用,换言之,电场可以对电荷做功,即电场具有能量!电场力将单位正电荷自A点移动至B点时所做的功,就称之为A、B两点的电压,这也是A、B两点的电位差,如下图1-1-3所示。这表明了电压是反映两点间电场大小的物理量,同时也是能量的反映。
图1-1-3
2、电容效应
根据电容的含义:“电荷的容纳(存储)”或“电场能量的容纳(存储)”,结合上文的电压定义,很显然,只要电位不相等,即有电压的存在,就表明有电场的存在。那么,置于电场中的电荷就会在电场的作用力下聚集并具有电场能量。这种产生电荷的聚集并具有电场能量的现象,就被称为电容效应。
电容效应存在于很多场合,例如不同相的导线之间、相线与零线之间、相线与地之间、二极管的电极之间等,因为它们之间有电压,所以会产生电容效应。
看到这里,相信大家对电容也有了一定的了解,但这还不是完美的答案!要想更深层次地掌握电容知识,“电容器”也是不可或缺的一部分。
二、电容器
电容器,就是根据电容效应而制成的电路器件,把电容效应发挥到Zui大化,尽可能地使电荷聚集,从而形成足够大的电场,存储相应的电场能量。
电容器在工程技术中应用非常广泛,它的种类、型号、规格繁多,但结构原理相同。简单来说,两个相互靠近的金属板,中间夹一层不导电的绝缘介质(如绝缘纸、云母、空气等),这就构成了电容器,如下图1-1-4所示。
图1-1-4
当给电容器的两金属板之间施加一个电压,也就是施加一个外电场,在这个外电场的作用力下,金属板的电荷发生聚集,例如接外电压正极(电源正极)的金属板,其正电荷因受到排斥力的作用向两极板间的方向聚集,同样的,另一块金属板的负电荷也向两极板间的方向聚集。
有了电荷的聚集,电容器的两金属板间就建立了一个电场,即存储了一定的电场能量,这就是电容器的储能性质。一句话形容就是,电容器吸收的能量以电场能量的形式存储在极板间的电场中。
电容器的应用非常广泛,在不同电路中发挥着不同的作用,如耦合、滤波、整流、无功补偿等。而要理解电容器的不同作用,就不得不了解电容器的相关特性,也就是其电路分析。
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