聊一聊电容和弹簧的似是而非-电子发烧友网

Q A &问：电容基础知识

电容是以电场的形式储存电能的装置。这个过程与机械弹簧以弹性材料变形的形式储存能量的方式非常相似，在某种程度上，描述两者的数学是非常相似的，除了使用的变量。事实上，这种相似性可能是电气或机械工程专业的学生经常觉得其他人的研究晦涩难懂的部分原因;“v”对电子工程师，来说意味着“电压”，但对机械工程师来说，意味着“速度”。对电子工程师，其表示的弹簧可能看起来很的电感器，等等。

工程师们，请注意!

平行板电容的概念通常被用作解释大多数实用电容结构的起点。它由两个相互平行放置的导电电极组成，并由绝缘体隔开，绝缘体通常是几种聚合物、陶瓷材料、金属氧化物、空气或偶尔的真空中的一种。

这种电容的值，本质上是机械头脑的“弹簧常数”，当极板之间的分离距离相对于它们的面积很小时，可以用下面的公式近似求得。但需要注意的是，按照惯例，机械弹簧常数和电容值是用维数的倒数表示的;机械弹簧常数通常用单位位移的力来表示(如牛顿每米或磅力每英寸)，而电容值则用单位力的位移来表示，即库仑每伏。

实际上，板材不需要是平的;卷、折叠、揉皱、堆叠、切片、切丁和切丝的几何形状也可以，尽管随着几何形状变得更加复杂，所涉及的数学可能会变得相当混乱。

因此，为了制造一个具有更大值的电容，可以使用面积更大的板，减少分离距离(即介电材料的厚度)或增加材料的介电常数。要搞清ε₀是一件相当困难的事情。

但是这个“介电常数”到底是什么东西呢?非常好的问题; 它本质上是材料的一种特性，描述它们在外加电场的存在下，通过多种机制中的任何一种，变得电极化的能力。这些机制可能是在原子水平上，原子原子核周围的电子云发生位移，导致原子的一侧带有轻微的正电荷，而另一侧则带有相应的负电荷。它也可以发生在分子水平上，由于电极性分子的方向变化响应于施加的场，或者通过分子内原子之间的键的弯曲和拉伸，非常像机械弹簧中的材料弯曲或拉伸。

假设原子情况下的电子不会“被吹走”并与相邻的原子核重新结合，并且在分子情况下，分子不会被电场的力撕裂，那么材料就会起到绝缘体的作用;当施加电场时，它不支持持续的电荷流动，尽管由于电子在原子周围的移动或分子的重定向/扭曲，它确实有效地允许一些电荷在电场建立时流动。移除外加电场会让电介质中的电子回到它们所附着的原子核周围的正态分布，或者让物质中的分子回到它们原来的随机方向或形状。在这样做的过程中，当施加电场时流过电容的大部分电荷又返回到电路中，以相反的方向流动。

材料的(相对)介电常数描述了材料促进这种暂时电流流动的程度，相对于真空促进这种流动的程度。在给定的面积、分离距离和施加场强下，允许与真空相同的电荷转移量的材料的介电常数为1，允许两倍于真空的电荷转移的材料的介电常数为2，等等。

不同电容类型的细微差别在很大程度上取决于所使用的电介质的特性和构造给定器件的方法。所有的介电材料都有局限性，在给定的材料厚度下，它们所能承受的最大外加电场，它们的介电常数，介电材料和电极中发生的损耗，以及当外加电场恒定时流过或“漏出”介电材料的电流的大小。