大多數(shù)時(shí)候，你會看到一些巨大的電容器 漂浮在你的頭上。電容器(有時(shí)稱為電容) 是廣泛用于 電視, 收音機(jī)等 電子的 設(shè)備。將收音機(jī)調(diào)諧成 站，用閃光燈拍照 數(shù)字 照相機(jī)，或輕拂 頻道上 高清晰度電視 你正在做好 使用電容器。這 在天空中漂移的電容器更廣為人知的是云，并且， 盡管與我們使用的電容器相比，它們絕對是巨大的 在電子產(chǎn)品中，它們以完全相同的方式存儲能量。讓我們以 仔細(xì)了解電容器及其工作原理!

　　照片：電子電路中的典型電容器。 這個(gè)被稱為電解電容器，額定值為 4.7 μF(4.7 微法拉)， 工作電壓為 350 伏 (350 V)。

　　什么是電容器?

　　取兩電 導(dǎo)體 (讓 電力 流 通過它們)并用 絕緣體 (一種材料 那 不讓電流很好地流動)并且您制作了一個(gè)電容器： 可以存儲電氣的東西 能源. 增加電能 到電容器稱為 充電;釋放能量 電容器被稱為 排出.

　　照片：晶體管無線電電路中的小電容器。

　　電容器有點(diǎn)像 電池, 但它有不同的工作 做。電池使用化學(xué)物質(zhì)來儲存電能并釋放 它非常緩慢地通過電路;有時(shí)(在 石英 看)可能需要幾年時(shí)間。電容器通常會釋放 其 能量更快 - 通常在幾秒鐘或更短的時(shí)間內(nèi)。如果您正在服用 例如，閃光燈照片，您需要相機(jī)來產(chǎn)生 在幾分之一秒內(nèi)爆發(fā)出巨大的光芒。附有電容器 到閃光槍充電幾秒鐘，使用來自你的能量 相機(jī)的電池。(給電容器充電需要時(shí)間，這就是 為什么你通常需要等待一會兒。 一旦電容器充滿電，它就可以釋放所有能量 瞬間通過 氙氣閃光燈燈泡.干掉!

　　電容器有各種形狀和尺寸，但它們通常具有 相同的基本組件。有兩個(gè)導(dǎo)體(稱為 板, 主要是出于歷史原因)，中間有絕緣體 他們(稱為 電介質(zhì)).電容器內(nèi)的兩塊板 連接到兩個(gè)電氣 外部連接稱為 終端，就像 細(xì)金屬腿，你可以鉤到電路上。

　　照片：在內(nèi)部，電解電容器有點(diǎn)像瑞士卷?！鞍濉笔莾蓧K非常薄的金屬板;電介質(zhì)在它們之間是一層油性塑料薄膜。整個(gè)東西被包裹在一個(gè)緊湊的圓柱體中，并涂在保護(hù)性金屬外殼中。警告：打開電容器可能很危險(xiǎn)。首先，它們可以保持非常高的電壓。其次，電介質(zhì)有時(shí)由有毒或腐蝕性化學(xué)物質(zhì)制成，會灼傷您的皮膚。

　　圖稿：電解電容器是如何通過卷起片材制成的 鋁 箔(灰色)和介電材料(在這種情況下，浸泡在酸或其他有機(jī)化學(xué)品中的紙或薄粗棉布)。鋁箔片連接到頂部的端子(藍(lán)色)，因此電容器可以連接到電路中。藝術(shù)品由美國專利商標(biāo)局提供 美國專利2，089，683：電容器 弗蘭克·克拉克，通用電氣，1937 年 8 月 10 日。

　　您只需將電容器接線成 電路。當(dāng)您打開電源時(shí)，電荷 逐漸在盤子上積聚。一塊板獲得正電荷 另一塊板獲得相等且相反的(負(fù))電荷。如果 斷開電源，電容器保持其電荷 (盡管隨著時(shí)間的推移，它可能會慢慢泄漏)。但是，如果您連接 電容器到第二個(gè)電路，其中包含類似 電 發(fā)動機(jī) 或閃光燈燈泡，電荷將從電容器流過 電機(jī)或燈，直到板上沒有剩余。

　　盡管電容器實(shí)際上只有一項(xiàng)工作要做(存儲 充電)，它們可以在電氣中用于各種不同的用途 電路。它們可以用作定時(shí)設(shè)備(因?yàn)樗枰? 一定的、可預(yù)測的充電時(shí)間量)，作為過濾器 (僅允許某些信號流動的電路)，用于平滑 電路中的電壓，用于調(diào)諧(在收音機(jī)和電視中)和 各種其他目的。大 超級電容器 也可以 代替電池。

　　什么是電容?

　　電容器可以存儲的電能量取決于 其 電容.電容器的電容有點(diǎn)像 水桶的大?。核霸酱?，能儲存的水就越多; 電容越大，電容器可以消耗的電量就越多 商店。有三種方法可以增加 電容器。一是增加板的尺寸。另一個(gè)是 將板移近。第三種方法是使 電介質(zhì)盡可能好的絕緣體。電容器用途 由各種材料制成的電介質(zhì)。在晶體管收音機(jī)中， 調(diào)諧由大型執(zhí)行 可變電容器 那 它的盤子之間只有空氣。在大多數(shù)電子電路中， 電容器是帶有電介質(zhì)的密封組件，由 陶瓷 如云母和 玻璃，浸泡在油中的紙， 或 塑料 如 聚酯薄膜。

　　照片：該可變電容器連接到晶體管收音機(jī)的主調(diào)諧撥盤上。當(dāng)您用手指轉(zhuǎn)動表盤時(shí)，您會轉(zhuǎn)動 軸 穿過電容器。這會旋轉(zhuǎn)一組薄金屬板，使它們或多或少地與它們之間的另一組板重疊。板之間的重疊程度會改變電容，這就是將收音機(jī)調(diào)諧到特定電臺的原因。

　　我們?nèi)绾螠y量電容?

　　電容器的尺寸以稱為 法拉 (F)，以英國電氣先驅(qū)邁克爾·法拉第(1791-1867)的名字命名。一 法拉是一個(gè)巨大的電容 因此，在實(shí)踐中，我們遇到的大多數(shù)電容器只是 法拉的分?jǐn)?shù)——通常是微法拉(百萬分之一法拉，寫為 μF)， 納法拉(千分之一法拉寫入nF)，以及 皮法拉(百萬分之一法拉，寫作pF)。 超級電容器 存儲更大的費(fèi)用， 有時(shí)以數(shù)千法拉為單位。

　　電容器為什么要儲存能量?

　　如果你發(fā)現(xiàn)電容器神秘而奇怪，而且它們對你來說沒有意義， 試著思考一下 重力 相反。假設(shè)您站在某些臺階的底部 你決定開始攀登。你必須抬起你的身體，對抗地球的引力， 這是一種有吸引力的(拉動)力。正如物理學(xué)家所說，你必須“做功”才能攀登 梯子(對抗重力)并使用能量。您使用的能量不會丟失， 但被你的身體儲存為引力勢能，你可以用它來做其他事情 (例如，從滑梯上滑回地面)。

　　當(dāng)你爬臺階、梯子、山脈或其他任何東西時(shí)，你所做的事情是與地球的 重力場。電容器中也發(fā)生了非常相似的事情。如果你有一個(gè)積極的 電荷和負(fù)電荷，它們像相反一樣相互吸引 兩塊磁鐵的兩極——或者像你的身體和地球。如果你把它們拉開，你必須“做功”對抗這種靜電 力。同樣，就像爬臺階一樣，您使用的能量不會丟失，而是被電荷存儲起來。 分開。這次叫 電勢能.而這個(gè)，如果你沒有猜到的話 到目前為止，是電容器存儲的能量。它的兩個(gè)板具有相反的電荷和 它們之間的分離會產(chǎn)生電場。 這就是電容器儲存能量的原因。

　　藝術(shù)品：將正電荷和負(fù)電荷分開可以儲存能量。這是基本的 電容器背后的原理。

　　為什么電容器有兩個(gè)極板?

　　照片：美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的愛德華·貝內(nèi)特·羅莎(Edward Bennett Rosa)和諾亞·歐內(nèi)斯特·多爾西(Noah Earnest Dorsey)在1907年用來測量光速的非常不尋常的可調(diào)節(jié)平行板電容器。之間的精確距離 板可以用千分尺螺釘調(diào)整(和測量)。照片由 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院數(shù)字館藏，蓋瑟斯堡，馬里蘭州 20899。

　　正如我們已經(jīng)看到的，電容器有兩個(gè)導(dǎo)電板 由絕緣體隔開。板塊越大，越近 是，并且它們之間的絕緣體越好，電荷就越多 電容器可以存儲。但為什么所有這些事情都是真的呢?為什么不 電容器只有一個(gè)大板?讓我們嘗試找到一個(gè)簡單的 令人滿意的解釋。

　　假設(shè)你有一個(gè)大金屬球安裝在絕緣材料上， 木架。您可以存儲一定量的電荷 球體;它越大(半徑越大)，電荷越多 您可以存儲，并且存儲的費(fèi)用越多，則 球體的電位(電壓)。不過，最終，你會達(dá)到一個(gè) 點(diǎn)，如果你添加這么多額外的電子( 盡可能小的充電單位)，電容器將停止工作。 它周圍的空氣會分解，從絕緣體變成 導(dǎo)體：電荷將通過空氣到達(dá)地球(地面)或 附近的另一個(gè)導(dǎo)體作為火花 - 電流 - 在迷你 閃電。您可以存儲的最大費(fèi)用金額 球體就是我們所說的電容。電壓(V)，充電 (Q)和電容由一個(gè)非常簡單的等式相關(guān)：

　　C = Q/V

　　因此，在給定電壓下可以存儲的電荷越多，而不會引起 空氣要分解并產(chǎn)生火花，電容越高。如果可以的話 不知何故在球體上存儲更多電荷而沒有到達(dá)點(diǎn) 在你創(chuàng)造火花的地方，你會有效地增加它的 電容。你會怎么做?

　　忘記球體。假設(shè)您有一個(gè)扁平金屬板，上面有 存儲在其上的最大可能電荷，您會發(fā)現(xiàn)板在 一定的電壓。如果您將第二個(gè)相同的板靠近 它，你會發(fā)現(xiàn)你可以在第一盤上存儲更多的電荷 相同的電壓。那是因?yàn)榈谝粔K板創(chuàng)造了一個(gè)電動 它周圍的場“誘導(dǎo)”相等且相反的電荷 在第二個(gè)板上。因此，第二塊板降低了電壓 第一盤。我們現(xiàn)在可以在第一盤上存儲更多電荷 不會引起火花。我們可以繼續(xù)這樣做，直到我們達(dá)到 原始電壓。存儲更多電量 (Q) 完全相同 電壓 (V)，方程 C = Q/V 告訴我們，我們已經(jīng)增加了 通過添加第二塊板來存儲電荷存儲設(shè)備的電容，這基本上就是電容器有兩個(gè)板而不是一個(gè)板的原因。 在實(shí)踐中，額外的板使 巨大 差異 - 哪個(gè) 這就是為什么所有實(shí)用的電容器都有兩塊板的原因。

　　如何增加電容?

　　很明顯，如果你把盤子做得更大，你將能夠儲存 更多的電量(就像你把壁櫥做得更大一樣，你可以塞得更多 里面的東西)。所以增加板的面積也 增加電容。不太明顯的是，如果我們縮短距離 在板之間，這也增加了電容。那是 因?yàn)榘逯g的距離越短，效果越大 盤子彼此相連。第二板塊，更近， 進(jìn)一步降低了第一塊板的潛力，并且 增加電容。

　　插圖：電介質(zhì)通過減少電介質(zhì)來增加電容器的電容 其極板之間的場，從而降低每個(gè)極板的電位(電壓)。這意味著您可以存儲更多 以相同的電壓在板上充電。該電容器中的電場從正極板運(yùn)行 在左邊到右邊的負(fù)極板。因?yàn)橄喾吹碾姾晌?，介電介質(zhì)的極性分子(灰色)以相反的方式排列 - 這就是減少場的原因。

　　為了增加電容，我們能做的最后一件事是 以改變電介質(zhì)(板之間的材料)。空氣效果很好，但是 其他材料甚至更好。玻璃至少是玻璃的 5 倍 比空氣有效，這就是為什么最早的電容器(萊頓) 罐子，使用普通玻璃作為電介質(zhì))工作得很好，但是 它很重，不切實(shí)際，很難擠進(jìn)狹小的空間。打蠟 紙張比空氣好4倍左右，很薄，便宜，容易 制成大塊，易于滾動，這使其成為極好的， 實(shí)用電介質(zhì)。最好的介電材料由極性制成 分子(一側(cè)帶更多正電荷的分子和 另一方面，負(fù)電荷更多)。當(dāng)他們坐在 兩塊電容器板之間的電場， 他們排隊(duì) 電荷指向與場相反的電荷，這有效地減少了它。 這降低了板上的潛力，并且像以前一樣增加了 它們的電容。從理論上講，水是由非常微小的水組成的 極性分子，將產(chǎn)生極好的電介質(zhì)，大約80倍 比空氣好。不過，實(shí)際上，它不是那么好(它泄漏和 干燥并從液體變?yōu)楸蛘羝?溫度適中)，因此它不用于實(shí)際電容器。不太好(它泄漏和 干燥并從液體變?yōu)楸蛘羝?溫度適中)，因此它不用于實(shí)際電容器。不太好(它泄漏和 干燥并從液體變?yōu)楸蛘羝?溫度適中)，因此它不用于實(shí)際電容器。

　　圖表：不同的材料根據(jù)它們對電容器板之間空間的絕緣程度并減少它們之間的電場來制造更好或更差的電介質(zhì)。一種稱為相對介電常數(shù)的測量告訴我們電介質(zhì)會有多好。真空是最差的電介質(zhì)，相對介電常數(shù)為1。其他電介質(zhì)是相對于真空(通過比較它們)測量的?？諝獯笾孪嗤?。紙張大約好 3 倍。具有極性分子的酒精和水是特別好的電介質(zhì)。

　　云電容器如何引起雷電

　　當(dāng)云層在天空中飄蕩時(shí)，云層內(nèi)部的冰粒會摩擦 對抗空氣并獲得靜電荷 - 同樣 當(dāng)你在毛衣上摩擦氣球時(shí)，氣球會充滿電的方式。 當(dāng)較小的冰時(shí)，云的頂部變得帶正電 顆粒向上旋轉(zhuǎn)(1);云的底部變得負(fù)數(shù) 當(dāng)較重的冰粒聚集在較低位置時(shí)帶電(2)。這 在云中分離正電荷和負(fù)電荷使一種 移動電容器!

　　當(dāng)云漂浮時(shí)，它所包含的電荷會影響 它下面的地面上的東西。巨大的負(fù)電荷在 云的底部排斥負(fù)電荷遠(yuǎn)離它，所以地面 有效地變?yōu)閹д?3)。電荷分離 在云的底部和下面的地面之間意味著 大氣的這個(gè)區(qū)域?qū)嶋H上也是一個(gè)電容器。

　　隨著時(shí)間的推移，巨大的電荷會在云層內(nèi)部積聚。 如果電荷真的很大，云包含大量 的電勢能(它具有非常高的電壓)。什么時(shí)候 電壓達(dá)到一定水平(有時(shí)幾百 百萬伏)，空氣從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)?導(dǎo)體，電流會像金屬一樣流過它 電線，產(chǎn)生一個(gè)巨大的火花，更廣為人知的是螺栓 閃電 (4). 云的行為就像相機(jī)中的閃光槍：巨大的電氣 存儲在其“電容器”中的能量瞬間放電， 轉(zhuǎn)化為閃光。

　　誰發(fā)明了電容器?

　　以下是電容器歷史上關(guān)鍵時(shí)刻的簡要?dú)v史：

　　1672: 奧托·馮·格里克 (1602-1686)開發(fā)了一種“機(jī)器”，當(dāng)你摩擦它時(shí)會積聚靜電荷。 一個(gè)在鐵棒上旋轉(zhuǎn)的硫球，它實(shí)際上是一個(gè)原始的電容器。

　　1745年：獨(dú)立工作， 埃瓦爾德·格奧爾格·馮·克萊斯特 和 彼得·范·穆申布魯克 (荷蘭萊頓市) 了解如何使用連接金屬片的玻璃罐儲存電荷。 法國牧師和物理學(xué)家Abbé Nollet(1700-1770)將其昵稱為萊頓罐，它仍然是最重要的罐子之一 在開發(fā)電池之前調(diào)查電力的工具。Nollet的著名實(shí)驗(yàn)之一涉及180名士兵，他們手拉手觸摸一個(gè)帶電的萊頓罐，所以最后一個(gè)連接電路的人會受到令人驚訝的電擊!

　　藝術(shù)品：通過短路帶電的萊頓罐產(chǎn)生火花。 1878 年科學(xué)書籍插圖中的藝術(shù)品由 維基共享資源.

　　1740年：美國科學(xué)家和政治家 本杰明·富蘭克林 (1706–1790) 連接萊頓罐電容器的實(shí)驗(yàn) 在系列中，而波蘭市長和物理學(xué)家 丹尼爾·格拉拉斯 (1708-1767)和德語 約翰·海因里希·溫克勒 (1703-1770)研究并行使用它們。這三者都有聲稱 第一個(gè)基于萊頓罐串在一起的原始電容器電池。

　　1800年：意大利物理學(xué)家(和電池發(fā)明家) 亞歷山德羅·沃爾特 (1745-1827)為電荷存儲設(shè)備創(chuàng)造了(令人困惑的)單詞“冷凝器”。直到今天，電容器有時(shí)仍然被稱為冷凝器，盡管該術(shù)語已經(jīng) 現(xiàn)在基本上失寵了。

　　1896年：德國發(fā)明家 卡羅爾·波拉克 (英語化的“查爾斯·波拉克”)(1859-1928)發(fā)明了使用液體電解質(zhì)的電解電容器。他的工作建立在法國儀器制造商早期電化學(xué)研究的基礎(chǔ)上 Eugeène Ducretet (1844–1915).

　　1909年：美國發(fā)明家 威廉·杜比利耶 (1888-1969)開發(fā)了使用云母作為陶瓷電介質(zhì)的緊湊型電容器。 根據(jù) 科普 “(1921年12月，第29頁)，這 輝煌的發(fā)明為他贏得了“超過1，500，000美元”。