电容器工作原理

电容器工作原理

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。

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。