18新利最新登入电容器的工作原理

由:马歇尔的大脑克里斯Pollette|
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几个电容,微小的圆柱形电子元件,被焊接到这个主板上。彼得·达泽利/盖蒂图片社

在某种程度上,电容器有点像电池。虽然电容器和电池的工作方式完全不同,但它们都能储存电能。如果你读过18新利最新登入电池工作原理,那么你就知道电池有两个端子。在电池内部,化学反应在一端产生电子,而另一端则在你制造电路时吸收电子。电容器比电池简单得多,因为它不能产生新的电子,只能储存电子。电容器之所以被称为电容器,是因为它有储存能量的“能力”。

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电容器有点像电池。
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在这篇文章中,我们将了解电容器到底是什么,它的作用以及它是如何在电子产品中使用的。18新利最新登入我们还将看看电容器的历史,以及几个人如何帮助塑造它的进步。18新利最新登入

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电容器可以用于任何用途,从计算器中最小的塑料电容器,到可以为通勤巴士供电的超级电容器。以下是一些不同类型的电容器及其使用方法。18新利最新登入

  • 空气:常用于无线电调谐电路
  • 聚酯薄膜:最常用于定时器电路,如时钟、报警器和计数器
  • 玻璃:适用于高压环境
  • 陶瓷:用于高频用途,如天线、x射线和核磁共振成像仪
  • 超级电容器:用于电力和混合动力汽车

在电容器内部,是端子连接两个金属板被非导电物质隔开,或者介质.你可以很容易制作电容器从两块锡纸和一张纸(还有一些电夹)。就存储容量而言,它不是一个特别好的电容器,但它可以工作。

理论上,介质可以是任何不导电的物质。18新利最新登入然而,在实际应用中,使用最适合电容器功能的特定材料。云母、陶瓷、纤维素、瓷器、聚酯薄膜、聚四氟乙烯甚至空气都是使用的一些不导电材料。电介质决定了它是什么类型的电容器,它最适合什么。根据电介质的尺寸和类型,有些电容器更适合高频使用,而有些则更适合高压应用。

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电容电路

当你把电容器连接到电池上时,会发生这样的事情:

  • 电容器上的极板连接到电池的负极,接受电池产生的电子。
  • 电容器上附着在电池正极的极板会将电子丢失给电池。

一旦它充电,电容器也有相同的电压作为电池(电池上的1.5伏意味着电容器上的1.5伏)。对于小电容来说,容量是小的。但是大的电容器可以容纳相当多的电量。你可以找到像易拉罐那么大的电容器,它的电量足以让手电筒点亮一分钟或更长时间。

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就连大自然也以闪电的形式显18新利最新登入示电容器在工作。一个盘子是而闪电就是在这两个“板块”之间释放的电荷。显然,那么大的电容器可以容纳巨大的电荷!

假设你像这样连接电容器:

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这张图显示了电容器如何连接到18新利最新登入电池上。
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这里有一块电池,一个灯泡和一个电容器。如果电容器相当大,你会注意到,当你连接电池时,灯泡会亮起来,因为电流从电容器流出电池给电容器充电。灯泡将逐渐变暗,最后熄灭,一旦电容器达到其容量。如果你取出电池,用电线代替它,电流就会从电容器的一个极板流到另一个极板。灯泡最初会亮,然后随着电容器放电而变暗,直到完全熄灭。

在下一节中,我们将了解更多关于电容的知识,并详细了解电容器的不同使用方式。

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法拉

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一种叫做薄膜电容器的电子元件。电容器是一种在电场中储存电能的装置。Javier Zayas摄影/Getty Images

电容器的存储电位,或电容,是用单位来衡量的法拉.一个1法拉的电容器可以在1伏特的电压下储存1库仑的电荷。一库仑是6.25e18(6.25 * 10^18,即62.5亿亿)电子.一个amp表示每秒1库仑电子的电子流速率,因此1法拉电容在1伏特下可以容纳1安培秒的电子。

一个1法拉的电容器通常是相当大的。它可能像一罐金枪鱼罐头或一个1升的汽水瓶那么大,这取决于它能承受的电压。因此,电容器通常以微法拉(百万分之一法拉)为单位进行测量。

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为了更好地理解法拉有多大,想想这个:18新利最新登入

  • A标准碱性AA电池保持约2.8安培小时。
  • 这意味着一节AA电池在1.5伏电压下可以产生2.8安培一小时(约4.2瓦时——一节AA电池可以点亮一个4瓦的白炽灯一个多小时)。
  • 我们称它为1v,便于计算。要在电容器中存储一个AA电池的能量,你需要3600 * 2.8 = 10080法拉来容纳它,因为一安培小时是3600安培秒。

如果它需要一个金枪鱼罐头大小的东西来容纳一法拉,那么10080法拉将比一节AA电池占用更多的空间!使用电容器储存大量电能是不切实际的,除非你在高电压下这样做。

应用程序

电容器和电池的区别在于,电容器可以在不到一秒的时间内将其全部充电完毕,而电池则需要几分钟才能完全放电。这就是为什么电子闪光灯在相机使用电容-电池在几秒钟内给闪光灯的电容器充电,然后电容器几乎立即将全部电量倾倒到闪光灯管中。这可以使一个大的,带电电容器极其危险-闪光单元和电视因为这个原因,有关于打开它们的警告。它们含有大电容器,其中的电荷可能会杀死你。

电容器在电子电路中有几种不同的用途:

  • 有时,电容器被用来储存电荷以供高速使用。这就是闪光灯的作用。大型激光器也使用这种技术来获得非常明亮的瞬时闪光。
  • 电容器也可以消除电波纹。如果携带直流电压的线路上有波纹或尖峰,一个大电容器可以通过吸收峰值并填充山谷来平衡电压。
  • 电容可以屏蔽直流电压。如果你把一个小电容挂在电池上,那么一旦电容器充电,电池两极之间就不会有电流流动。18新利最新登入然而,任何交流电(AC)信号都可以畅通无阻地流过电容器。这是因为电容器会在交流电波动时充放电,使交流电看起来是流动的。

在下一节中,我们将看看电容器的历史,以及一些最聪明的人是如何为它的进步做出贡献的。18新利最新登入

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电容器的历史

电容器的发明根据你问的人而有所不同。有记录表明,一位名叫埃瓦尔德·格奥尔格·冯·克莱斯特的德国科学家在1745年11月发明了电容器。几个月后,莱顿大学的荷兰教授Pieter van Musschenbroek我想出了一个非常相似的装置的形式莱顿瓶它通常被认为是第一个电容器。由于克莱斯特没有详细的记录和笔记,也没有他的荷兰同行的恶名,他经常被忽视为电容器的发展贡献。18新利最新登入然而,多年来,他们的研究被认为是相互独立的,只是科学上的巧合。

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莱顿罐通常被认为是第一个电容器。它是由莱顿大学的荷兰教授Pieter van Musschenbroek发明的
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莱顿罐是一个非常简单的装置。它由一个装了一半水的玻璃罐子组成,里面和外面都有金属箔。玻璃起到了电介质的作用,尽管有一段时间人们认为水是关键成分。通常会有金属线或铁链穿过软木塞在罐子的顶部。然后链子被钩在一个能产生电荷的东西上,很可能是手摇的静电发电机.一旦传递出去,罐子会保持两个相等但相反的电荷处于平衡状态,直到它们被一根电线连接起来,产生轻微的火花或震动。

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本杰明•富兰克林用过莱顿罐在他的电实验中,他很快发现一块平板玻璃的工作效果和罐子模型一样好,促使他开发了平的电容器或富兰克林方框。多年后,英国化学家迈克尔·法拉第率先将电容器用于存储实验中未使用的电子。这导致了第一个可用的电容器,由大油桶制成。法拉第在电容器方面的进步最终使我们能够在很远的距离上传输电力。由于法拉第在电学领域的成就,电容器的计量单位或电容,被称为法拉德。

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最初发表于2007年9月17日

电容器常见问题解答

电容器有什么用?
电容器可以非常快速地释放电能,而电池则不能。例如,照相机的电子闪光灯使用电容器。
电容能杀死你吗?
一个大的,带电的电容器,比如那些在闪存和电视中发现的,可能是非常危险的,可能会因为它们所含的电荷而杀死你。
电容器是电池吗?
电容器有点像电池,两者都储存电能。但它们的18新利最新登入运作方式完全不同。电容器也比电池简单得多,因为它只能储存电子,而不能产生电子。
电容是什么?
电容器是一种从电池中吸收能量并储存能量的电子元件。在内部,端子连接到由非导电物质隔开的两块金属板。当电容器被激活时,它会在不到一秒的时间内迅速释放电流。

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更多优质链接

  • Ramasamy Natarajan。《电力系统电容器》CRC出版社。
  • 威廉斯,亨利·史密斯。“科学史,第二卷”https://www.gutenberg.org/files/1706/1706-h/1706-h.htm
  • 普拉特,查尔斯。电子元件百科全书,第1卷。O ' reilly。2013.https://archive.org/details/encyclopedia-of-electronic-components-volume-1-resistors-capacitors-inductors-sw_202005
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