电容器工作原理

电容器工作原理

1. 引言 2. 电容器基础知识 3. 电容量单位——法 4. 电容器的应用

引言

    傻瓜相机的闪光灯电容器

从某种意义上说，电容器有点像电池。尽管两者的工作方式截然不同，但它们都能存储电能。如果您已经阅读过电池工作原理，那么您应该知道，电池有两个电极。在电池内部，化学反应使一个电极产生电子，另一个电极吸收电子。

电容器则要简单得多，并且它不能产生电子——它只是存储电子。在本文中，您将了解什么是电容器以及电容器在电子领域的应用。

电容器基础知识

像电池一样，电容器也具有两个电极。在电容器内部，这两个电极分别连接到被电介质隔开的两块金属板上。电介质可以是空气、纸张、塑料或其他任何不导电并能防止这两个金属极相互接触的物质。利用两片铝箔和一张纸，您就可以轻松地制作一个电容器。尽管您制作的电容器在存储容量方面不是很理想，然而它确实能够工作。

电子电路中的电容器如图所示：

下面让我们看看在将电容器和电池连接在一起时会发生什么：

• 电容器上与电池负极相连的金属板将吸收电池产生的电子。
• 电容器上与电池正极相连的金属板将向电池释放电子。

充电完成后，电容器与电池具有相同的电压（如果电池电压是1.5伏特，则电容器电压也是1.5伏特）。小电容器容量较低，但大电容器可以容纳大量电荷。 比如，一个苏打罐大小的电容器可以容纳足够的电荷，能够将一个手电筒灯泡点亮几分钟。当您看到天空中的闪电时，您看到的是一个巨大的电容器，其中一极是天空的乌云，另一极是大地，而闪电正是乌云和大地这两个“极”之间的电荷释放现象。显然，如此庞大的电容器可以保存大量的电荷！

下面，让我们假设您按如下方式将电容器连接到电路中：

您有一节电池、一个灯泡和一个电容器。 如果电容器非常大，那么您会看到，在连上电池后，电流从电池流向电容器以便给其充电，此时灯泡将被点亮。灯泡会逐渐变暗，最后，一旦电容器达到其电容量，灯泡将立即熄灭。随后，您可以取下电池，并用一段导线来取代它。电流将从电容器的一极流向另一极。此时，灯泡将重放光明，然而好景不长，很快灯泡又逐渐黯淡下来。最后，电容器放电完毕（电容器两极上的电子数相等），灯泡又熄灭了。

跟水塔有点类似电容器的作用可以用一个与水管连接的水塔来形象地描述。水塔可用来“存储”水压——当供水系统的水泵供应的水量超过城镇所需水量时，多余的水将被存储到水塔中。然后，当水的需求量较高时，多余的水将从水塔中流出以维持水压。电容器以同样的方式存储电子，并且以后可以再将电子释放出来

电容量单位——法

电容量的单位是法。容量为1法的电容器可以在1伏特的电压下存储1库仑的电量。1库仑为6.25e18（6.25*10^18，即 625 亿亿）个电子。1安培表示每秒钟流过1库仑电子的电子流动速率，因此，容量为1法的电容器可以在1伏特的电压下存储数量为1安培-秒的电子。

1法的电容器通常相当大。根据电容器的电压承受能力的不同，它可能会有金枪鱼罐头瓶或1公升的苏打水瓶那么大。因此，您见到的电容器通常以微法（百万分之一法）为单位来度量。

要理解1法到底有多大，不妨这样推算一下：

• 一节典型的碱性AA电池存储了大约2.8安培-小时的电量。
• 这意味着，一节AA电池可以在1.5伏特电压下产生1小时的2.8安培电流（约4.2瓦特-小时，即一节AA电池可以使一个4瓦特的灯泡持续照明1个小时多一点儿）。
• 为了计算方便，我们干脆将AA电池的电压算作1伏特。要在电容器中存储一节AA电池的能量，需要使用容量为3,600*2.8=10,080法的电容器，因为1安培-小时相当于3600安培-秒。

如果1法电容量需要用金枪鱼罐头瓶大小的电容器来存储，那么，一节AA电池的体积跟存储10,080法的电容器的体积相比，简直就是小巫见大巫了！显然，除非电容器耐压能力很高，否则用电容器来存储大量能量是不切实际的。

电容器的应用

电容器与电池之间的不同之处在于：电容器可以瞬时释放它的全部电量，而电池则需要花费数分钟才能完全释放其电量。这正是照相机上的电子闪光灯使用电容器的原因：电池在几秒钟内为闪光灯的电容器充满电，然后电容器几乎在瞬间将自身所存全部电量释放到闪光管中。这会使已充电并且容量很大的电容器极其危险，因此，闪光灯和电视机上都有警示信息，提醒人们不要随意打开它们。它们都含有可能对人体造成致命伤害的大容量电容器。

电容器在电子电路中有几种用途：

• 有时，电容器用于存储电量以便高速释放。闪光灯用到的就是这一功能。大型激光器也使用此技术来获得非常明亮的瞬时闪光效果。
• 电容器还可以消除脉动。如果传导直流电压的线路含有脉动或尖峰，大容量电容器可以通过吸收波峰和填充波谷来使电压变得平稳。
• 电容器可以阻隔直流。如果将一个较小的电容器连接到电池上，则在电容器充电完成后（电容器容量较小时，瞬间即可完成充电过程），电池的两极之间将不再有电流通过。然而，任何交流电流(AC)信号都可以畅通无阻地流过电容器。其原因是随着交流电流的波动，电容器不断地充放电，就好像交流电流在流动一样。

电容器的一个比较重要的用途是与电感器一起使用，构成振荡器。有关详细信息，请参见振荡器工作原理。