大多數時候，你會看到一些巨大的電容器 漂浮在你的頭上。電容器(有時稱為電容) 是廣泛用于 電視, 收音機等 電子的 設備。將收音機調諧成 站，用閃光燈拍照 數字 照相機，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 在電子產品中，它們以完全相同的方式存儲能量。讓我們以 仔細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。

　　電容器有點像 電池, 但它有不同的工作 做。電池使用化學物質來儲存電能并釋放 它非常緩慢地通過電路;有時(在 石英 看)可能需要幾年時間。電容器通常會釋放 其 能量更快 - 通常在幾秒鐘或更短的時間內。如果您正在服用 例如，閃光燈照片，您需要相機來產生 在幾分之一秒內爆發出巨大的光芒。附有電容器 到閃光槍充電幾秒鐘，使用來自你的能量 相機的電池。(給電容器充電需要時間，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。有兩個導體(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).電容器內的兩塊板 連接到兩個電氣 外部連接稱為 終端，就像 細金屬腿，你可以鉤到電路上。

　　照片：在內部，電解電容器有點像瑞士卷。“板”是兩塊非常薄的金屬板;電介質在它們之間是一層油性塑料薄膜。整個東西被包裹在一個緊湊的圓柱體中，并涂在保護性金屬外殼中。警告：打開電容器可能很危險。首先，它們可以保持非常高的電壓。其次，電介質有時由有毒或腐蝕性化學物質制成，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化學品中的紙或薄粗棉布)。鋁箔片連接到頂部的端子(藍色)，因此電容器可以連接到電路中。藝術品由美國專利商標局提供 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。當您打開電源時，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)電荷。如果 斷開電源，電容器保持其電荷 (盡管隨著時間的推移，它可能會慢慢泄漏)。但是，如果您連接 電容器到第二個電路，其中包含類似 電 發動機 或閃光燈燈泡，電荷將從電容器流過 電機或燈，直到板上沒有剩余。

　　盡管電容器實際上只有一項工作要做(存儲 充電)，它們可以在電氣中用于各種不同的用途 電路。它們可以用作定時設備(因為它需要 一定的、可預測的充電時間量)，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，用于調諧(在收音機和電視中)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.電容器的電容有點像 水桶的大小：水桶越大，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。另一個是 將板移近。第三種方法是使 電介質盡可能好的絕緣體。電容器用途 由各種材料制成的電介質。在晶體管收音機中， 調諧由大型執行 可變電容器 那 它的盤子之間只有空氣。在大多數電子電路中， 電容器是帶有電介質的密封組件，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的主調諧撥盤上。當您用手指轉動表盤時，您會轉動 軸 穿過電容器。這會旋轉一組薄金屬板，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，這就是將收音機調諧到特定電臺的原因。

　　我們如何測量電容?

　　電容器的尺寸以稱為 法拉 (F)，以英國電氣先驅邁克爾·法拉第(1791-1867)的名字命名。一 法拉是一個巨大的電容 因此，在實踐中，我們遇到的大多數電容器只是 法拉的分數——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 存儲更大的費用， 有時以數千法拉為單位。

　　電容器為什么要儲存能量?

　　如果你發現電容器神秘而奇怪，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)。

　　當你爬臺階、梯子、山脈或其他任何東西時，你所做的事情是與地球的 重力場。電容器中也發生了非常相似的事情。如果你有一個積極的 電荷和負電荷，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，如果你沒有猜到的話 到目前為止，是電容器存儲的能量。它的兩個板具有相反的電荷和 它們之間的分離會產生電場。 這就是電容器儲存能量的原因。

　　藝術品：將正電荷和負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極板?

　　照片：美國國家標準局(NBS)的愛德華·貝內特·羅莎(Edward Bennett Rosa)和諾亞·歐內斯特·多爾西(Noah Earnest Dorsey)在1907年用來測量光速的非常不尋常的可調節平行板電容器。之間的精確距離 板可以用千分尺螺釘調整(和測量)。照片由 美國國家標準與技術研究院數字館藏，蓋瑟斯堡，馬里蘭州 20899。

　　正如我們已經看到的，電容器有兩個導電板 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 電容器只有一個大板?讓我們嘗試找到一個簡單的 令人滿意的解釋。

　　假設你有一個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，并且存儲的費用越多，則 球體的電位(電壓)。不過，最終，你會達到一個 點，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 導體：電荷將通過空氣到達地球(地面)或 附近的另一個導體作為火花 - 電流 - 在迷你 閃電。您可以存儲的最大費用金額 球體就是我們所說的電容。電壓(V)，充電 (Q)和電容由一個非常簡單的等式相關：

　　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點 在你創造火花的地方，你會有效地增加它的 電容。你會怎么做?

　　忘記球體。假設您有一個扁平金屬板，上面有 存儲在其上的最大可能電荷，您會發現板在 一定的電壓。如果您將第二個相同的板靠近 它，你會發現你可以在第一盤上存儲更多的電荷 相同的電壓。那是因為第一塊板創造了一個電動 它周圍的場“誘導”相等且相反的電荷 在第二個板上。因此，第二塊板降低了電壓 第一盤。我們現在可以在第一盤上存儲更多電荷 不會引起火花。我們可以繼續這樣做，直到我們達到 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，我們已經增加了 通過添加第二塊板來存儲電荷存儲設備的電容，這基本上就是電容器有兩個板而不是一個板的原因。 在實踐中，額外的板使 巨大 差異 - 哪個 這就是為什么所有實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 因為板之間的距離越短，效果越大 盤子彼此相連。第二板塊，更近， 進一步降低了第一塊板的潛力，并且 增加電容。

　　插圖：電介質通過減少電介質來增加電容器的電容 其極板之間的場，從而降低每個極板的電位(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行 在左邊到右邊的負極板。因為相反的電荷吸引，介電介質的極性分子(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(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)工作得很好，但是 它很重，不切實際，很難擠進狹小的空間。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， 實用電介質。最好的介電材料由極性制成 分子(一側帶更多正電荷的分子和 另一方面，負電荷更多)。當他們坐在 兩塊電容器板之間的電場， 他們排隊 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，將產生極好的電介質，大約80倍 比空氣好。不過，實際上，它不是那么好(它泄漏和 干燥并從液體變為冰或蒸汽 溫度適中)，因此它不用于實際電容器。不太好(它泄漏和 干燥并從液體變為冰或蒸汽 溫度適中)，因此它不用于實際電容器。不太好(它泄漏和 干燥并從液體變為冰或蒸汽 溫度適中)，因此它不用于實際電容器。

　　圖表：不同的材料根據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。一種稱為相對介電常數的測量告訴我們電介質會有多好。真空是最差的電介質，相對介電常數為1。其他電介質是相對于真空(通過比較它們)測量的。空氣大致相同。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。

　　云電容器如何引起雷電

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

　　當云漂浮時，它所包含的電荷會影響 它下面的地面上的東西。巨大的負電荷在 云的底部排斥負電荷遠離它，所以地面 有效地變為帶正電(3)。電荷分離 在云的底部和下面的地面之間意味著 大氣的這個區域實際上也是一個電容器。

　　隨著時間的推移，巨大的電荷會在云層內部積聚。 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)。什么時候 電壓達到一定水平(有時幾百 百萬伏)，空氣從絕緣體轉變為 導體，電流會像金屬一樣流過它 電線，產生一個巨大的火花，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， 轉化為閃光。

　　誰發明了電容器?

　　以下是電容器歷史上關鍵時刻的簡要歷史：

　　1672: 奧托·馮·格里克 (1602-1686)開發了一種“機器”，當你摩擦它時會積聚靜電荷。 一個在鐵棒上旋轉的硫球，它實際上是一個原始的電容器。

　　1745年：獨立工作， 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 在開發電池之前調查電力的工具。Nollet的著名實驗之一涉及180名士兵，他們手拉手觸摸一個帶電的萊頓罐，所以最后一個連接電路的人會受到令人驚訝的電擊!

　　藝術品：通過短路帶電的萊頓罐產生火花。 1878 年科學書籍插圖中的藝術品由 維基共享資源.

　　1740年：美國科學家和政治家 本杰明·富蘭克林 (1706–1790) 連接萊頓罐電容器的實驗 在系列中，而波蘭市長和物理學家 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：意大利物理學家(和電池發明家) 亞歷山德羅·沃爾特 (1745-1827)為電荷存儲設備創造了(令人困惑的)單詞“冷凝器”。直到今天，電容器有時仍然被稱為冷凝器，盡管該術語已經 現在基本上失寵了。

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

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