电容器

电容器被定义为一种无源电子元件，它在其极板之间存储电势能。

电容器的结构如下：

它由两块极板组成，极板之间有电介质或绝缘层。这些极板也称为电导体。

在这里，我们将讨论以下主题

• 电容器的组成部分
• 应用
• 电容
• 电容器的工作原理
• 平行板电容器
• 电容器中存储的能量
• 电容器的电流、电压和阻抗
• 电容器分析
• 电容器类型

电容器的组成部分

电容器有两个部分，称为导电板和电介质。

让我们详细讨论电容器的这些部分

电导体或极板

电导体是允许电流通过的材料。这些导体的常见材料是金属。

电流被定义为由电子、空穴或带电离子运动产生的电荷流动。电子带负电，而空穴带正电。

电介质

极板之间的电介质材料充当电绝缘体。电容器的电介质材料可以通过电场进行极化。当置于电场中时，电介质材料会阻止电荷流动。但是，它们平衡位置的轻微偏移会导致电介质极化。

如下图所示

在电介质极化过程中，正电荷和负电荷向相反方向移动。例如，如果正电荷沿正Y轴移动，负电荷将沿负Y轴移动。

常见的电容器类型包括两个电导体，它们之间有电介质。这些导体以金属板的形式存在，可以是薄膜、电解质、箔等。电介质材料通常由二氧化硅、云母、塑料薄膜、氧化层、玻璃等制成。

电容器是如何命名的？

电容器最初被称为冷凝器。如今，冷凝器一词仍用于大型应用中，例如汽车系统。1782年，亚历山德罗·伏特将其定义为用于存储大量电荷的设备。冷凝器的含义开始变得模糊。它于1926年被更名为电容器。

应用

电容器可用于不同的任务，例如滤波、旁路等。它还用于各种应用中，例如

• 遥感
• 电荷存储
• 信号耦合或信号去耦
• 电子噪声滤波
• 调谐电路
• 滤波器（高通和低通滤波器）
• 电机启动器
• 电源调节

电容器用于阻断直流电（DC）并允许交流电（AC）通过的应用。让我们讨论电容器在不同电路中的作用，如下所示：

• 模拟滤波器：平滑电源输出
• 谐振电路：收音机调谐到所需频率
• 电力传输系统：电压稳定

电容器可以容纳的电荷量定义为电容。

让我们看看各种应用中使用的电容器。

电容

电容被定义为导电板上的电荷与电势之比。它通常被称为理想电容。

在实际情况中，

电容被定义为电容器中存储电荷的变化与电压或电势变化之比。在实际情况中，电容是根据增量变化来确定的。

电容器的国际单位是法拉。它被定义为导体上电荷（正或负）与它们之间电压之比。

一法拉定义为导体上的一库仑电荷引起一伏特电压变化。

1F = 1库仑 / 1伏特

电容类型

电容有两种类型，如下所示

• 自电容
• 互电容

自电容

它被定义为使导体电压或电势增加一个单位所需的电荷。

导体的自电容可以使用以下公式计算

q = 导体所带电荷

V = 电压

导电球体的自电容可以使用以下公式计算

其中，

R = 球体半径

互电容

互电容与自电容不同，是根据电容器的两个极板定义的。

互电容可以使用以下公式计算

q = 极板上的电荷，可以是+q和-q

V = 电容器极板之间的电压

电流-电压关系可以写成

电容器中存储的能量可以使用以下公式计算

电容器的工作原理

电容器被认为是具有两个导电板的装置，它们之间由材料隔开。所用材料是称为电介质的绝缘材料。我们也可以使用真空作为电介质材料。

我们知道，

其中，

Q = 导电板所带电荷

V = 电压或电势

根据库仑定律，

两个静止的带电体之间存在一种称为库仑力的电力。它也被称为静电力。

工作原理：电容器的一个导体对带有另一个导体的带电粒子施加力。它排斥相同极性的电荷并吸引相反极性的电荷。因此，其他导体上将存在相反电荷的粒子。所以，导体的两个表面都有相等且相反的带电粒子。因此，产生电场。

电容器中的电流流动

让我们将电容器的两个端子连接到电池。连接电池的电容器电路如下图所示

导体两个表面存在相反电荷的粒子。这些带电粒子被称为电子和空穴。空穴带正电，而电子带负电。当电池连接到电容器的两个端子时，电子和空穴开始移动，如上图所示。因此，电流开始流过电容器。

电流的流动方向始终与电子的流动方向相反。

让我们讨论最简单的电容器模型，称为平行板电容器。

平行板电容器

它由两个平行排列的极板组成，极板之间充满电介质。平行板电容器的模型与其他实际电容器相似。

电介质应具有均匀的厚度，没有任何斑点。这是因为电介质中的斑点会导致电容器故障。

设极板面积：A

极板之间的距离：d

设极板之间的电场：E

由于两个平行导电板之间的距离均匀，E将是常数。

如果一个极板带正电，则另一个极板将带负电。

设电容器的两个极板上的电荷为+Q和-Q。

电容器的电荷密度是电荷与极板面积之比。电荷密度的单位是库仑每平方米。

根据高斯定律，电场的大小可以使用以下公式计算

E=σ⁄ε

因此，我们可以轻松计算极板之间的电压。

电压或V可以定义为电场从电容器的一个导电板到另一个导电板的积分。

让我们计算平行板电容器的电容。

我们知道，

代入V的值，我们得到

为了获得最高的电容，我们需要大介电常数、小极板间距和大极板面积。

有时，每个极板上的电荷不同。让我们计算这种情况下的电压。

1. 设第一个和第二个极板上的电荷分别为Q1和Q2。

上述情况中电容器的极板与其他材料分离。

2. 让我们将电容器的第二个极板接地，

V = C x Q1

电容器中的能量存储

当我们把电荷从负极板移到正极板时，电容器的总电荷增加，为此，我们需要一个外部电源将带电粒子从一个极板移到另一个极板。这称为做功。

它被定义为将电荷从负极板移动到正极板所需做的功，以克服电场的反作用力。

让我们计算电容器中能量存储的公式。

电容器的电压：V

做功量：dW

电荷：dq

将电荷从负极板带到正极板所需做的功：dW = Vdq

总功可以计算为

将V的值代入上述方程

电场中的能量

让我们根据电场计算电容器的能量。

代入以下值

和

E = V/d

V = Ed

我们得到，

电容器的电流

流过电容器的电流可以定义为电荷随时间的变化率。

我们知道，

Q(t) = CV

将Q(t)的值代入上述方程，

我们得到

现在，

流过电容器的电流可以定义为电容乘以电压随时间的变化率。

电容器的电压

电容器两端的电压可以定义为导电板上的电荷量与电容值之比。

其中，

电容器导电板上的电荷与电流和电压的积分成正比。

电容器的阻抗

在这里，我们将计算电容器的阻抗和电抗。

阻抗与电抗之间的关系是

Z = -jX

其中，

Z是阻抗

X是电抗

电场产生导致电容器中的阻抗。

其中，

ω: 角频率

j: 虚数单位

理想电容器的阻抗和电抗的幅值相等。

设电压源为

V=Vo×cosωt

将V的值代入上述方程

当sin(ωt)=-1时，电容器的峰值电流

容抗可以计算为

如果ω=∞，Xc=0

在这种情况下，电容器通过高频。

如果ω=0，Xc=∞

在这种情况下，电容器通过低频。

让我们考虑电流超前90度的情况。

I=-Iosin(ωt)

I=Iocos(ωt+90)

串联和并联电容器分析

让我们考虑串联和并联连接的电容器的电路分析。

串联连接的电容器

串联电路通常称为链式电路。

串联电路中的电压是单个电压的总和。

V = V1 + V2 + V3 +… Vn

考虑串联连接的电容器电路

串联总电容是所连接电容器电容倒数之和，即

∑_i1⁄C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + … 1/Cn

并联连接的电容器

并联电路中每个元件两端的电压相同。

并联连接的电容器的电容是单独相加的。考虑并联连接的电容器电路

电容器的拉普拉斯分析

理想电容器的阻抗可以表示为

z(t) = 1/C

z(t) = 1.1/C

上述方程的拉普拉斯变换可以表示为

其中，

C = 电容器的电容

S = s域中的复频率

电容器类型

电容器有两种类型：固定电容器和可变电容器。

让我们详细讨论电容器的类型

1. 固定电容器

固定电容器是一种提供固定电容而非可变电容的电容器。这意味着固定电容器提供的电荷量不能改变或调整。

固定电容器有不同类型，如下所示

• 极化电容器
• 无极化电容器
• 功率薄膜电容器
• 超级电容器

极化电容器

极化电容器具有固定的极性，只能以一种方式插入。这意味着电路的正极性应连接到电容器的正极端子，负极性连接到负极端子。不正确的连接会导致电路永久性损坏。它还可能损坏绝缘氧化层。

这些电容器的极性清晰标记，以避免连接时混淆。常见的极化电容器是电解电容器，下面将讨论

• 电解电容器
  电解电容器用于需要大电容值的应用中。这种电容器的介电层和绝缘层非常薄，以减小物理尺寸。金属的氧化层用作电介质。
  例如：
  铝电解电容器使用铝的氧化层作为电介质，称为氧化铝。
  电解电容器由于存在氧化层而具有高介电常数，与HJC类型电容器（薄膜或陶瓷）相比，可以提供非常高的电容。

无极化电容器

无极化电容器没有任何负极或正极性，可以随机插入任何电路。薄膜电容器和陶瓷电容器是常见的无极化电容器类型。让我们详细讨论这两种电容器。

• 薄膜电容器
  薄膜电容器通常被称为塑料电容器，因为它们的电介质由聚碳酸酯、特氟龙或聚苯乙烯制成。薄膜电容器有两种类型：纸膜电容器和塑料薄膜电容器。这两种电容器的区别在于薄膜材料，即纸和塑料。
  纸膜电容器的优点是可靠性高、坚固、寿命长、公差小，适用于高温条件。
• 陶瓷电容器
  陶瓷电容器是具有两层或更多金属和陶瓷层的电容器，它们交替排列。金属充当导电电极。陶瓷材料位于充当电介质的电极之间。
  陶瓷原材料具有很强的可塑性，可提供不同款式、形状等，并具有其他广泛应用。

功率薄膜电容器

功率薄膜电容器设计用于高功率到极高功率应用，例如发电机、医疗设备、电源和感应加热。这些电容器具有从5000Hz到1 MHz的宽频率范围。功率薄膜电容器的材料和制造工艺与其他类型的电容器相似。

超级电容器

超级电容器、赝电容器和EDLC（双电层电容器）等电容器属于电化学电容器类型。超级电容器也称为超电容器。这些电容器通常具有高电容。

超级电容器的单位质量或单位体积能量存储量是电解电容器的10到100倍。这些电容器具有比可充电电池更好的充电能力、放电和充电循环。

2. 可变电容器

可变电容器的电容值可以调整或改变。可变电容器有两种类型：微调电容器和调谐电容器。空气通常用作这种电容器中的介电介质。可变电容器通常具有机械结构，用于改变导电板的距离和表面积。

可变电容器的符号如下图所示