電容器工作原理

引言

    傻瓜相機的閃光燈電容器

從某種意義上說，電容器有點像電池。盡管兩者的工作方式截然不同，但它們都能存儲電能。如果您已經閱讀過電池工作原理，那么您應該知道，電池有兩個電極。在電池內部，化學反應使一個電極產生電子，另一個電極吸收電子。

電容器則要簡單得多，并且它不能產生電子——它只是存儲電子。在本文中，您將了解什么是電容器以及電容器在電子領域的應用。

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

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會發生什么：

• 電容器上與電池負極相連的金屬板將吸收電池產生的電子。
• 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，一個蘇打罐大小的電容器可以容納足夠的電荷，能夠將一個手電筒燈泡點亮幾分鐘。當您看到天空中的閃電時，您看到的是一個巨大的電容器，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“極”之間的電荷釋放現象。顯然，如此龐大的電容器可以保存大量的電荷！

下面，讓我們假設您按如下方式將電容器連接到電路中：

您有一節電池、一個燈泡和一個電容器。 如果電容器非常大，那么您會看到，在連上電池后，電流從電池流向電容器以便給其充電，此時燈泡將被點亮。燈泡會逐漸變暗，最后，一旦電容器達到其電容量，燈泡將立即熄滅。隨后，您可以取下電池，并用一段導線來取代它。電流將從電容器的一極流向另一極。此時，燈泡將重放光明，然而好景不長，很快燈泡又逐漸黯淡下來。最后，電容器放電完畢（電容器兩極上的電子數相等），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1庫侖的電量。1庫侖為6.25e18（6.25*10^18，即 625 億億）個電子。1安培表示每秒鐘流過1庫侖電子的電子流動速率，因此，容量為1法的電容器可以在1伏特的電壓下存儲數量為1安培-秒的電子。

1法的電容器通常相當大。根據電容器的電壓承受能力的不同，它可能會有金槍魚罐頭瓶或1公升的蘇打水瓶那么大。因此，您見到的電容器通常以微法（百萬分之一法）為單位來度量。

要理解1法到底有多大，不妨這樣推算一下：

一節典型的堿性AA電池存儲了大約2.8安培-小時的電量。
這意味著，一節AA電池可以在1.5伏特電壓下產生1小時的2.8安培電流（約4.2瓦特-小時，即一節AA電池可以使一個4瓦特的燈泡持續照明1個小時多一點兒）。
為了計算方便，我們干脆將AA電池的電壓算作1伏特。要在電容器中存儲一節AA電池的能量，需要使用容量為3,600*2.8=10,080法的電容器，因為1安培-小時相當于3600安培-秒。
如果1法電容量需要用金槍魚罐頭瓶大小的電容器來存儲，那么，一節AA電池的體積跟存儲10,080法的電容器的體積相比，簡直就是小巫見大巫了！顯然，除非電容器耐壓能力很高，否則用電容器來存儲大量能量是不切實際的。

電容器的應用
電容器與電池之間的不同之處在于：電容器可以瞬時釋放它的全部電量，而電池則需要花費數分鐘才能完全釋放其電量。這正是照相機上的電子閃光燈使用電容器的原因：電池在幾秒鐘內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。這會使已充電并且容量很大的電容器極其危險，因此，閃光燈和電視機上都有警示信息，提醒人們不要隨意打開它們。它們都含有可能對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，電容器用于存儲電量以便高速釋放。閃光燈用到的就是這一功能。大型激光器也使用此技術來獲得非常明亮的瞬時閃光效果。
電容器還可以消除脈動。如果傳導直流電壓的線路含有脈動或尖峰，大容量電容器可以通過吸收波峰和填充波谷來使電壓變得平穩。
電容器可以阻隔直流。如果將一個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，瞬間即可完成充電過程），電池的兩極之間將不再有電流通過。然而，任何交流電流(AC)信號都可以暢通無阻地流過電容器。其原因是隨著交流電流的波動，電容器不斷地充放電，就好像交流電流在流動一樣。
電容器的一個比較重要的用途是與電感器一起使用，構成振蕩器。有關詳細信息，請參見振蕩器工作原理。