電容的定義式物理知識

電容的定義式電容在任何電路中都不可缺少，他的特性和電源、電阻差別很大，要深入理解和應(yīng)用有一定的難度，可以說是我們學(xué)習(xí)電子電路的工程師必須要過的第一個難關(guān)。我們要深入地學(xué)習(xí)分析有關(guān)電容的每個細(xì)節(jié)；電容的定義、電磁特征和每個應(yīng)用場景，都需要我們仔細(xì)推敲。學(xué)習(xí)分析好了電容，再學(xué)習(xí)其他器件時就可以觸類旁通、事半功倍。本章我們先來仔細(xì)看看電容的定義和推導(dǎo)出的一些簡單結(jié)論。電容是由兩塊導(dǎo)體板（極板）和中間一層絕緣介質(zhì)組成的器件。給電容兩端的極板加上電壓（電子電路學(xué)中可稱為激勵），極板上就會聚集起等量的正負(fù)電荷，并在絕緣介質(zhì)中產(chǎn)生電場，電場中積蓄了能量。電容器件的特征參數(shù)使用電容值C來表示，其定義為：C=Q/V，電容定義中有幾點需要注意：1、極板并不一定要使用導(dǎo)電的金屬，也可以是半導(dǎo)體。后面會學(xué)到很多重要器件，使用半導(dǎo)體做極板來實現(xiàn)一些特殊性質(zhì)的電容；2、電容增加電源激勵后，兩塊極板上產(chǎn)生的正負(fù)電荷數(shù)量必然是相同的。即使一邊極板是導(dǎo)電金屬，另一邊是自由電子很少的半導(dǎo)體，產(chǎn)生的電荷量很少時，金屬側(cè)的電荷量也必然是相同少的數(shù)量；3、電容增加電源激勵后，在極板的中間也就是絕緣介質(zhì)空間內(nèi)建立起了電場；電場是由兩邊極板的正負(fù)電荷相互作用產(chǎn)生的；4、電容值C的定義式C=Q/V中，C可以理解為電容器件儲存電場能量的能力；相同電源激勵的情況下，C越大，產(chǎn)生的電荷越多，儲存的電場能量就越強(qiáng)；5、電容值C的大小只和器件的材質(zhì)、極板相對的面積、極板之間的距離有關(guān)，與電壓、電荷數(shù)量多少無關(guān)。極板面積越大，極板上的電荷數(shù)量越多，C就越大；而在相同電壓差情況下，極板間的距離越遠(yuǎn)，極板之間產(chǎn)生的相互作用就越弱，只能產(chǎn)生比較少的電荷，C也就比較小。我們在電路分析中，很少使用電荷，大部分時間使用的是電流。電流是單位時間內(nèi)通過介質(zhì)某一橫截面的電荷量，根據(jù)微積分知識，可以表達(dá)為I=dQ/dt。將電容表達(dá)式Q=CV，兩邊對時間微分，可以得到dQ/dt=C*(dV/dt)=>I=C*(dV/dt)=>I=CV(t)'。這個算式非常重要，它揭示了電容的電流和電壓的關(guān)系也就是電容器件的伏安特性：電容的電壓對時間的變化率（即電壓對時間的導(dǎo)數(shù)V(t)'）與電流成正比關(guān)系。I=CV(t)'就是電容的電磁特征，由此我們可以推導(dǎo)得到電容的以下幾個重要特點：1、只有當(dāng)電容的激勵電壓隨時間變化時（V(t)'!=0），才會有電流通過，而用電壓恒定（V(t)'=0）的直流電激勵時，I=0，電容等效于開路，故電容有隔直通交的作用；2、對于交流電（V(t)'!=0）而言，根據(jù)微積分知識，任何隨時間變化的量可以分解為不同頻率和振幅的正弦函數(shù)的疊加，故分析交流電一般只需分析V=Asin(wt+x)的情況，此時V(t)'=Awcos(wt+x)，w表示交流頻率的大小。故激勵電容的交流電壓頻率越高，其通過電容的電流越大，直流電可以看作頻率為0的特殊交流電，此時通過電容的電流為0；3、由I=CV(t)'=>V(t)'=I/C，當(dāng)電流I恒定時，V(t)'為常數(shù)I/C，V(t)=(I/C)*t+b，也就是說用恒流源給電容充電時，V相對t成正比例增加直到無窮大。不過現(xiàn)實中的電容器件都有耐壓值限制，超過耐壓值，電容器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，就損壞沒用了。綜上，電容是一種能夠儲存電場能量的器件，他的