電容器工作原理

引言

    傻瓜相機(jī)的閃光燈電容器

從某種意義上說(shuō)，電容器有點(diǎn)像電池。盡管兩者的工作方式截然不同，但它們都能存儲(chǔ)電能。如果您已經(jīng)閱讀過(guò)電池工作原理，那么您應(yīng)該知道，電池有兩個(gè)電極。在電池內(nèi)部，化學(xué)反應(yīng)使一個(gè)電極產(chǎn)生電子，另一個(gè)電極吸收電子。

電容器則要簡(jiǎn)單得多，并且它不能產(chǎn)生電子——它只是存儲(chǔ)電子。在本文中，您將了解什么是電容器以及電容器在電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

電容器基礎(chǔ)知識(shí)
像電池一樣，電容器也具有兩個(gè)電極。在電容器內(nèi)部，這兩個(gè)電極分別連接到被電介質(zhì)隔開(kāi)的兩塊金屬板上。電介質(zhì)可以是空氣、紙張、塑料或其他任何不導(dǎo)電并能防止這兩個(gè)金屬極相互接觸的物質(zhì)。利用兩片鋁箔和一張紙，您就可以輕松地制作一個(gè)電容器。盡管您制作的電容器在存儲(chǔ)容量方面不是很理想，然而它確實(shí)能夠工作。

電子電路中的電容器如圖所示：

下面讓我們看看在將電容器和電池連接在一起時(shí)會(huì)發(fā)生什么：

• 電容器上與電池負(fù)極相連的金屬板將吸收電池產(chǎn)生的電子。
• 電容器上與電池正極相連的金屬板將向電池釋放電子。

充電完成后，電容器與電池具有相同的電壓（如果電池電壓是1.5伏特，則電容器電壓也是1.5伏特）。小電容器容量較低，但大電容器可以容納大量電荷。 比如，一個(gè)蘇打罐大小的電容器可以容納足夠的電荷，能夠?qū)⒁粋�(gè)手電筒燈泡點(diǎn)亮幾分鐘。當(dāng)您看到天空中的閃電時(shí)，您看到的是一個(gè)巨大的電容器，其中一極是天空的烏云，另一極是大地，而閃電正是烏云和大地這兩個(gè)“極”之間的電荷釋放現(xiàn)象。顯然，如此龐大的電容器可以保存大量的電荷！

下面，讓我們假設(shè)您按如下方式將電容器連接到電路中：

您有一節(jié)電池、一個(gè)燈泡和一個(gè)電容器。 如果電容器非常大，那么您會(huì)看到，在連上電池后，電流從電池流向電容器以便給其充電，此時(shí)燈泡將被點(diǎn)亮。燈泡會(huì)逐漸變暗，最后，一旦電容器達(dá)到其電容量，燈泡將立即熄滅。隨后，您可以取下電池，并用一段導(dǎo)線來(lái)取代它。電流將從電容器的一極流向另一極。此時(shí)，燈泡將重放光明，然而好景不長(zhǎng)，很快燈泡又逐漸黯淡下來(lái)。最后，電容器放電完畢（電容器兩極上的電子數(shù)相等），燈泡又熄滅了。

電容量單位——法
電容量的單位是法。容量為1法的電容器可以在1伏特的電壓下存儲(chǔ)1庫(kù)侖的電量。1庫(kù)侖為6.25e18（6.25*10^18，即 625 億億）個(gè)電子。1安培表示每秒鐘流過(guò)1庫(kù)侖電子的電子流動(dòng)速率，因此，容量為1法的電容器可以在1伏特的電壓下存儲(chǔ)數(shù)量為1安培-秒的電子。

1法的電容器通常相當(dāng)大。根據(jù)電容器的電壓承受能力的不同，它可能會(huì)有金槍魚(yú)罐頭瓶或1公升的蘇打水瓶那么大。因此，您見(jiàn)到的電容器通常以微法（百萬(wàn)分之一法）為單位來(lái)度量。

要理解1法到底有多大，不妨這樣推算一下：

一節(jié)典型的堿性AA電池存儲(chǔ)了大約2.8安培-小時(shí)的電量。
這意味著，一節(jié)AA電池可以在1.5伏特電壓下產(chǎn)生1小時(shí)的2.8安培電流（約4.2瓦特-小時(shí)，即一節(jié)AA電池可以使一個(gè)4瓦特的燈泡持續(xù)照明1個(gè)小時(shí)多一點(diǎn)兒）。
為了計(jì)算方便，我們干脆將AA電池的電壓算作1伏特。要在電容器中存儲(chǔ)一節(jié)AA電池的能量，需要使用容量為3,600*2.8=10,080法的電容器，因?yàn)?安培-小時(shí)相當(dāng)于3600安培-秒。
如果1法電容量需要用金槍魚(yú)罐頭瓶大小的電容器來(lái)存儲(chǔ)，那么，一節(jié)AA電池的體積跟存儲(chǔ)10,080法的電容器的體積相比，簡(jiǎn)直就是小巫見(jiàn)大巫了！顯然，除非電容器耐壓能力很高，否則用電容器來(lái)存儲(chǔ)大量能量是不切實(shí)際的。

電容器的應(yīng)用
電容器與電池之間的不同之處在于：電容器可以瞬時(shí)釋放它的全部電量，而電池則需要花費(fèi)數(shù)分鐘才能完全釋放其電量。這正是照相機(jī)上的電子閃光燈使用電容器的原因：電池在幾秒鐘內(nèi)為閃光燈的電容器充滿電，然后電容器幾乎在瞬間將自身所存全部電量釋放到閃光管中。這會(huì)使已充電并且容量很大的電容器極其危險(xiǎn)，因此，閃光燈和電視機(jī)上都有警示信息，提醒人們不要隨意打開(kāi)它們。它們都含有可能對(duì)人體造成致命傷害的大容量電容器。

電容器在電子電路中有幾種用途：

有時(shí)，電容器用于存儲(chǔ)電量以便高速釋放。閃光燈用到的就是這一功能。大型激光器也使用此技術(shù)來(lái)獲得非常明亮的瞬時(shí)閃光效果。
電容器還可以消除脈動(dòng)。如果傳導(dǎo)直流電壓的線路含有脈動(dòng)或尖峰，大容量電容器可以通過(guò)吸收波峰和填充波谷來(lái)使電壓變得平穩(wěn)。
電容器可以阻隔直流。如果將一個(gè)較小的電容器連接到電池上，則在電容器充電完成后（電容器容量較小時(shí)，瞬間即可完成充電過(guò)程），電池的兩極之間將不再有電流通過(guò)。然而，任何交流電流(AC)信號(hào)都可以暢通無(wú)阻地流過(guò)電容器。其原因是隨著交流電流的波動(dòng)，電容器不斷地充放電，就好像交流電流在流動(dòng)一樣。
電容器的一個(gè)比較重要的用途是與電感器一起使用，構(gòu)成振蕩器。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)振蕩器工作原理。