基本電子學 - 電容器

電容器是一種無源元件，能夠以其極板之間的電位差形式儲存能量。它可以抵抗電壓的突然變化。電荷以兩個極板之間的電位差形式儲存，根據電荷儲存的方向，這兩個極板分別形成正極和負極。

這兩個極板之間存在一個非導電區域，稱為**介質**。這種介質可以是真空、空氣、雲母、紙張、陶瓷、鋁等。電容器的名稱由所使用的介質決定。

符號和單位

電容的標準單位是法拉。通常，可用電容器的值將以微法拉、皮法拉和納法拉的量級出現。電容器的符號如下所示。

電容器的電容與其極板之間的距離成正比，與其極板的面積成反比。此外，材料的介電常數越高，電容就越大。介質的**介電常數**描述了在該介質中每單位電荷產生的電通量的大小。下圖顯示了一些實際的電容器。

當兩個具有相同面積A和相同寬度的極板平行放置，並以距離d分開，並且如果對極板施加一些能量，則該平行板電容器的電容可以表示為 -

$$C\:\:=\:\:\frac{\varepsilon_{0}\:\:\varepsilon_{r}\:\:A}{d}$$

其中

**C** = 電容器的電容

$\varepsilon_{0}$ = 真空介電常數

$\varepsilon_{r}$ = 介質的介電常數

**d** = 極板之間的距離

**A** = 兩個導電極板的面積

在施加一定電壓的情況下，電荷沉積在電容器的兩個平行極板上。這種電荷沉積緩慢發生，當電容器兩端的電壓等於施加的電壓時，充電停止，因為進入的電壓等於離開的電壓。

充電速率取決於電容值。電容值越大，極板電壓變化速率越慢。

電容器的工作原理

電容器可以理解為一種兩端無源元件，它儲存電能。這種電能儲存在靜電場中。

最初，電容器兩個極板上的負電荷和正電荷處於平衡狀態。電容器沒有充電或放電的趨勢。負電荷是由電子的積累形成的，而正電荷是由電子的耗盡形成的。由於這種情況在沒有外部電荷的情況下發生，因此這種狀態是**靜電**條件。下圖顯示了帶有靜電荷的電容器。

根據交流電源的正負週期變化，電子積累和耗盡可以理解為“電流流動”。這稱為**位移電流**。由於這是交流電，因此該電流的方向不斷變化。

電容器的充電

當施加外部電壓時，電荷轉換為靜電荷。這發生在電容器充電期間。電源的正電位吸引電容器正極板上的電子，使其變得更正。而電源的負電位迫使電子進入電容器的負極板，使其變得更負。下圖說明了這一點。

在充電過程中，電子透過直流電源流動，但不透過**介質**，介質是**絕緣體**。當電容器開始充電時，這種位移很大，但在充電過程中會減小。當電容器兩端的電壓等於電源電壓時，電容器停止充電。

讓我們看看當電容器開始充電時介質會發生什麼。

介質行為

當電荷沉積在電容器的極板上時，會形成一個靜電場。該靜電場的強度取決於極板上的電荷量和介質材料的介電常數。**介電常數**是衡量介質允許靜電線透過其的程度。

介質實際上是一種絕緣體。它在原子的最外層軌道上有電子。讓我們觀察它們是如何受到影響的。當極板上沒有電荷時，介質中的電子在圓形軌道上運動。如下圖所示。

當電荷沉積發生時，電子傾向於向帶正電的極板移動，但它們仍然像圖中所示那樣繼續旋轉。

如果電荷進一步增加，軌道會進一步擴大。但如果它仍然增加，介質會**擊穿**，使電容器短路。現在，電容器已充滿電，準備放電。如果我們提供一條路徑讓他們從負極板到正極板流動就足夠了。電子在沒有任何外部電源的情況下流動，因為一側有大量的電子，而另一側幾乎沒有電子。這種不平衡透過電容器的**放電**來調整。

此外，當找到放電路徑時，介質材料中的原子傾向於恢復其正常的**圓形軌道**，從而迫使電子放電。這種放電使電容器能夠在短時間內提供高電流，就像在相機閃光燈中一樣。

顏色編碼

要了解電容器的值，通常會像下面這樣標記 -

n35 = 0.35nF 或 3n5 = 3.5nF 或 35n = 35nF 等等。

有時標記會像 100K，這意味著，k = 1000pF。然後值為 100 × 1000pF = 100nF。

儘管如今這些數字標記被廣泛使用，但很久以前就開發了一種國際顏色編碼方案來理解電容器的值。顏色編碼指示如下所示。

色帶顏色	數字 A 和 B	倍數	容差 (t) > 10pf	容差 (t) < 10pf	溫度係數
黑色	0	× 1	±20%	±2.0pF
棕色	1	× 10	±1%	±0.1pF	-33 × 10^-6
紅色	2	× 100	±2%	±0.25pF	-75 × 10^-6
橙色	3	× 1,000	±3%		-150 × 10^-6
黃色	4	× 10,000	±4%		-220 × 10^-6
綠色	5	× 100,000	±5%	±0.5pF	-330 × 10^-6
藍色	6	× 1,000000			-470 × 10^-6
紫色	7				-750 × 10^-6
灰色	8	× 0.01	+80%, -20%
白色	9	× 0.1	±10%	±1.0pF
金色		× 0.1	±5%
銀色		× 0.01	±10%

這些指示用於識別電容器的值。

在這些五色帶電容器中，前兩個色帶表示數字，第三個表示倍數，第四個表示容差，第五個表示電壓。讓我們看一個例子來了解顏色編碼過程。

**示例 1** - 確定一個顏色程式碼為黃色、紫色、橙色、白色和紅色的電容器的值。

**解答** - 黃色的值為 4，紫色的值為 7，橙色的值為 3，表示倍數。白色是 ±10，是容差值。紅色表示電壓。但要了解電壓額定值，我們還需要另一個表格，需要知道該電容器所屬的特定色帶。

因此，電容器的值為 47nF，10% 250v（V 色帶的電壓）

下表顯示了根據電容器所屬的色帶如何確定電壓。

色帶顏色	電壓額定值 (V)
	J 型	K 型	L 型	M 型	N 型
黑色	4	100		10	10
棕色	6	200	100	1.6
紅色	10	300	250	4	35
橙色	15	400		40
黃色	20	500	400	6.3	6
綠色	25	600		16	15
藍色	35	700	630		20
紫色	50	800
灰色		900		25	25
白色	3	1000		2.5	3
金色		2000
銀色

藉助此表，可以根據給定的顏色瞭解每個色帶電容器的電壓額定值。電壓額定值的型別也指示電容器的型別。例如，J 型是浸漬鉭電容器，K 型是雲母電容器，L 型是聚苯乙烯電容器，M 型是電解帶 4 電容器，N 型是電解帶 3 電容器。如今，顏色編碼已被簡單的電容器值印刷所取代，如前所述。

容抗

這是一個重要的術語。容抗是指電容器對交流電流（簡稱交流電）的阻礙作用。電容器阻礙電流的變化，因此表現出一定的阻礙作用，這可以稱為電抗，因為除了它提供的電阻外，還應考慮輸入電流的頻率。

符號：X_C

在純電容電路中，電流I_C 超前於外加電壓90°。

電容器的溫度係數

電容器在特定溫度範圍內電容的最大變化可以透過電容器的溫度係數來確定。它表明，當溫度超過某個點時，電容器電容可能發生的變化被理解為電容器的溫度係數。

所有電容器通常都在25°C的參考溫度下製造。因此，電容器的溫度係數考慮的是高於和低於此值的溫度值。

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