大多数时候，你会看到一些巨大的电容器 漂浮在你的头上。电容器(有时称为电容) 是广泛用于 电视, 收音机等 电子的 设备。将收音机调谐成 站，用闪光灯拍照 数字 照相机，或轻拂 频道上 高清晰度电视 你正在做好 使用电容器。这 在天空中漂移的电容器更广为人知的是云，并且， 尽管与我们使用的电容器相比，它们绝对是巨大的 在电子产品中，它们以完全相同的方式存储能量。让我们以 仔细了解电容器及其工作原理!

　　照片：电子电路中的典型电容器。 这个被称为电解电容器，额定值为 4.7 μF(4.7 微法拉)， 工作电压为 350 伏 (350 V)。

　　什么是电容器?

　　取两电 导体 (让 电力 流 通过它们)并用 绝缘体 (一种材料 那 不让电流很好地流动)并且您制作了一个电容器： 可以存储电气的东西 能源. 增加电能 到电容器称为 充电;释放能量 电容器被称为 排出.

　　照片：晶体管无线电电路中的小电容器。

　　电容器有点像 电池, 但它有不同的工作 做。电池使用化学物质来储存电能并释放 它非常缓慢地通过电路;有时(在 石英 看)可能需要几年时间。电容器通常会释放 其 能量更快 - 通常在几秒钟或更短的时间内。如果您正在服用 例如，闪光灯照片，您需要相机来产生 在几分之一秒内爆发出巨大的光芒。附有电容器 到闪光枪充电几秒钟，使用来自你的能量 相机的电池。(给电容器充电需要时间，这就是 为什么你通常需要等待一会儿。 一旦电容器充满电，它就可以释放所有能量 瞬间通过 氙气闪光灯灯泡.干掉!

　　电容器有各种形状和尺寸，但它们通常具有 相同的基本组件。有两个导体(称为 板, 主要是出于历史原因)，中间有绝缘体 他们(称为 电介质).电容器内的两块板 连接到两个电气 外部连接称为 终端，就像 细金属腿，你可以钩到电路上。

　　照片：在内部，电解电容器有点像瑞士卷。“板”是两块非常薄的金属板;电介质在它们之间是一层油性塑料薄膜。整个东西被包裹在一个紧凑的圆柱体中，并涂在保护性金属外壳中。警告：打开电容器可能很危险。首先，它们可以保持非常高的电压。其次，电介质有时由有毒或腐蚀性化学物质制成，会灼伤您的皮肤。

　　图稿：电解电容器是如何通过卷起片材制成的 铝 箔(灰色)和介电材料(在这种情况下，浸泡在酸或其他有机化学品中的纸或薄粗棉布)。铝箔片连接到顶部的端子(蓝色)，因此电容器可以连接到电路中。艺术品由美国专利商标局提供 美国专利2，089，683：电容器 弗兰克·克拉克，通用电气，1937 年 8 月 10 日。

　　您只需将电容器接线成 电路。当您打开电源时，电荷 逐渐在盘子上积聚。一块板获得正电荷 另一块板获得相等且相反的(负)电荷。如果 断开电源，电容器保持其电荷 (尽管随着时间的推移，它可能会慢慢泄漏)。但是，如果您连接 电容器到第二个电路，其中包含类似 电 发动机 或闪光灯灯泡，电荷将从电容器流过 电机或灯，直到板上没有剩余。

　　尽管电容器实际上只有一项工作要做(存储 充电)，它们可以在电气中用于各种不同的用途 电路。它们可以用作定时设备(因为它需要 一定的、可预测的充电时间量)，作为过滤器 (仅允许某些信号流动的电路)，用于平滑 电路中的电压，用于调谐(在收音机和电视中)和 各种其他目的。大 超级电容器 也可以 代替电池。

　　什么是电容?

　　电容器可以存储的电能量取决于 其 电容.电容器的电容有点像 水桶的大小：水桶越大，能储存的水就越多; 电容越大，电容器可以消耗的电量就越多 商店。有三种方法可以增加 电容器。一是增加板的尺寸。另一个是 将板移近。第三种方法是使 电介质尽可能好的绝缘体。电容器用途 由各种材料制成的电介质。在晶体管收音机中， 调谐由大型执行 可变电容器 那 它的盘子之间只有空气。在大多数电子电路中， 电容器是带有电介质的密封组件，由 陶瓷 如云母和 玻璃，浸泡在油中的纸， 或 塑料 如 聚酯薄膜。

　　照片：该可变电容器连接到晶体管收音机的主调谐拨盘上。当您用手指转动表盘时，您会转动 轴 穿过电容器。这会旋转一组薄金属板，使它们或多或少地与它们之间的另一组板重叠。板之间的重叠程度会改变电容，这就是将收音机调谐到特定电台的原因。

　　我们如何测量电容?

　　电容器的尺寸以称为 法拉 (F)，以英国电气先驱迈克尔·法拉第(1791-1867)的名字命名。一 法拉是一个巨大的电容 因此，在实践中，我们遇到的大多数电容器只是 法拉的分数——通常是微法拉(百万分之一法拉，写为 μF)， 纳法拉(千分之一法拉写入nF)，以及 皮法拉(百万分之一法拉，写作pF)。 超级电容器 存储更大的费用， 有时以数千法拉为单位。

　　电容器为什么要储存能量?

　　如果你发现电容器神秘而奇怪，而且它们对你来说没有意义， 试着思考一下 重力 相反。假设您站在某些台阶的底部 你决定开始攀登。你必须抬起你的身体，对抗地球的引力， 这是一种有吸引力的(拉动)力。正如物理学家所说，你必须“做功”才能攀登 梯子(对抗重力)并使用能量。您使用的能量不会丢失， 但被你的身体储存为引力势能，你可以用它来做其他事情 (例如，从滑梯上滑回地面)。

　　当你爬台阶、梯子、山脉或其他任何东西时，你所做的事情是与地球的 重力场。电容器中也发生了非常相似的事情。如果你有一个积极的 电荷和负电荷，它们像相反一样相互吸引 两块磁铁的两极——或者像你的身体和地球。如果你把它们拉开，你必须“做功”对抗这种静电 力。同样，就像爬台阶一样，您使用的能量不会丢失，而是被电荷存储起来。 分开。这次叫 电势能.而这个，如果你没有猜到的话 到目前为止，是电容器存储的能量。它的两个板具有相反的电荷和 它们之间的分离会产生电场。 这就是电容器储存能量的原因。

　　艺术品：将正电荷和负电荷分开可以储存能量。这是基本的 电容器背后的原理。

　　为什么电容器有两个极板?

　　照片：美国国家标准局(NBS)的爱德华·贝内特·罗莎(Edward Bennett Rosa)和诺亚·欧内斯特·多尔西(Noah Earnest Dorsey)在1907年用来测量光速的非常不寻常的可调节平行板电容器。之间的精确距离 板可以用千分尺螺钉调整(和测量)。照片由 美国国家标准与技术研究院数字馆藏，盖瑟斯堡，马里兰州 20899。

　　正如我们已经看到的，电容器有两个导电板 由绝缘体隔开。板块越大，越近 是，并且它们之间的绝缘体越好，电荷就越多 电容器可以存储。但为什么所有这些事情都是真的呢?为什么不 电容器只有一个大板?让我们尝试找到一个简单的 令人满意的解释。

　　假设你有一个大金属球安装在绝缘材料上， 木架。您可以存储一定量的电荷 球体;它越大(半径越大)，电荷越多 您可以存储，并且存储的费用越多，则 球体的电位(电压)。不过，最终，你会达到一个 点，如果你添加这么多额外的电子( 尽可能小的充电单位)，电容器将停止工作。 它周围的空气会分解，从绝缘体变成 导体：电荷将通过空气到达地球(地面)或 附近的另一个导体作为火花 - 电流 - 在迷你 闪电。您可以存储的最大费用金额 球体就是我们所说的电容。电压(V)，充电 (Q)和电容由一个非常简单的等式相关：

　　C = Q/V

　　因此，在给定电压下可以存储的电荷越多，而不会引起 空气要分解并产生火花，电容越高。如果可以的话 不知何故在球体上存储更多电荷而没有到达点 在你创造火花的地方，你会有效地增加它的 电容。你会怎么做?

　　忘记球体。假设您有一个扁平金属板，上面有 存储在其上的最大可能电荷，您会发现板在 一定的电压。如果您将第二个相同的板靠近 它，你会发现你可以在第一盘上存储更多的电荷 相同的电压。那是因为第一块板创造了一个电动 它周围的场“诱导”相等且相反的电荷 在第二个板上。因此，第二块板降低了电压 第一盘。我们现在可以在第一盘上存储更多电荷 不会引起火花。我们可以继续这样做，直到我们达到 原始电压。存储更多电量 (Q) 完全相同 电压 (V)，方程 C = Q/V 告诉我们，我们已经增加了 通过添加第二块板来存储电荷存储设备的电容，这基本上就是电容器有两个板而不是一个板的原因。 在实践中，额外的板使 巨大 差异 - 哪个 这就是为什么所有实用的电容器都有两块板的原因。

　　如何增加电容?

　　很明显，如果你把盘子做得更大，你将能够储存 更多的电量(就像你把壁橱做得更大一样，你可以塞得更多 里面的东西)。所以增加板的面积也 增加电容。不太明显的是，如果我们缩短距离 在板之间，这也增加了电容。那是 因为板之间的距离越短，效果越大 盘子彼此相连。第二板块，更近， 进一步降低了第一块板的潜力，并且 增加电容。

　　插图：电介质通过减少电介质来增加电容器的电容 其极板之间的场，从而降低每个极板的电位(电压)。这意味着您可以存储更多 以相同的电压在板上充电。该电容器中的电场从正极板运行 在左边到右边的负极板。因为相反的电荷吸引，介电介质的极性分子(灰色)以相反的方式排列 - 这就是减少场的原因。

　　为了增加电容，我们能做的最后一件事是 以改变电介质(板之间的材料)。空气效果很好，但是 其他材料甚至更好。玻璃至少是玻璃的 5 倍 比空气有效，这就是为什么最早的电容器(莱顿) 罐子，使用普通玻璃作为电介质)工作得很好，但是 它很重，不切实际，很难挤进狭小的空间。打蜡 纸张比空气好4倍左右，很薄，便宜，容易 制成大块，易于滚动，这使其成为极好的， 实用电介质。最好的介电材料由极性制成 分子(一侧带更多正电荷的分子和 另一方面，负电荷更多)。当他们坐在 两块电容器板之间的电场， 他们排队 电荷指向与场相反的电荷，这有效地减少了它。 这降低了板上的潜力，并且像以前一样增加了 它们的电容。从理论上讲，水是由非常微小的水组成的 极性分子，将产生极好的电介质，大约80倍 比空气好。不过，实际上，它不是那么好(它泄漏和 干燥并从液体变为冰或蒸汽 温度适中)，因此它不用于实际电容器。不太好(它泄漏和 干燥并从液体变为冰或蒸汽 温度适中)，因此它不用于实际电容器。不太好(它泄漏和 干燥并从液体变为冰或蒸汽 温度适中)，因此它不用于实际电容器。

　　图表：不同的材料根据它们对电容器板之间空间的绝缘程度并减少它们之间的电场来制造更好或更差的电介质。一种称为相对介电常数的测量告诉我们电介质会有多好。真空是最差的电介质，相对介电常数为1。其他电介质是相对于真空(通过比较它们)测量的。空气大致相同。纸张大约好 3 倍。具有极性分子的酒精和水是特别好的电介质。

　　云电容器如何引起雷电

　　当云层在天空中飘荡时，云层内部的冰粒会摩擦 对抗空气并获得静电荷 - 同样 当你在毛衣上摩擦气球时，气球会充满电的方式。 当较小的冰时，云的顶部变得带正电 颗粒向上旋转(1);云的底部变得负数 当较重的冰粒聚集在较低位置时带电(2)。这 在云中分离正电荷和负电荷使一种 移动电容器!

　　当云漂浮时，它所包含的电荷会影响 它下面的地面上的东西。巨大的负电荷在 云的底部排斥负电荷远离它，所以地面 有效地变为带正电(3)。电荷分离 在云的底部和下面的地面之间意味着 大气的这个区域实际上也是一个电容器。

　　随着时间的推移，巨大的电荷会在云层内部积聚。 如果电荷真的很大，云包含大量 的电势能(它具有非常高的电压)。什么时候 电压达到一定水平(有时几百 百万伏)，空气从绝缘体转变为 导体，电流会像金属一样流过它 电线，产生一个巨大的火花，更广为人知的是螺栓 闪电 (4). 云的行为就像相机中的闪光枪：巨大的电气 存储在其“电容器”中的能量瞬间放电， 转化为闪光。

　　谁发明了电容器?

　　以下是电容器历史上关键时刻的简要历史：

　　1672: 奥托·冯·格里克 (1602-1686)开发了一种“机器”，当你摩擦它时会积聚静电荷。 一个在铁棒上旋转的硫球，它实际上是一个原始的电容器。

　　1745年：独立工作， 埃瓦尔德·格奥尔格·冯·克莱斯特 和 彼得·范·穆申布鲁克 (荷兰莱顿市) 了解如何使用连接金属片的玻璃罐储存电荷。 法国牧师和物理学家Abbé Nollet(1700-1770)将其昵称为莱顿罐，它仍然是最重要的罐子之一 在开发电池之前调查电力的工具。Nollet的著名实验之一涉及180名士兵，他们手拉手触摸一个带电的莱顿罐，所以最后一个连接电路的人会受到令人惊讶的电击!

　　艺术品：通过短路带电的莱顿罐产生火花。 1878 年科学书籍插图中的艺术品由 维基共享资源.

　　1740年：美国科学家和政治家 本杰明·富兰克林 (1706–1790) 连接莱顿罐电容器的实验 在系列中，而波兰市长和物理学家 丹尼尔·格拉拉斯 (1708-1767)和德语 约翰·海因里希·温克勒 (1703-1770)研究并行使用它们。这三者都有声称 第一个基于莱顿罐串在一起的原始电容器电池。

　　1800年：意大利物理学家(和电池发明家) 亚历山德罗·沃尔特 (1745-1827)为电荷存储设备创造了(令人困惑的)单词“冷凝器”。直到今天，电容器有时仍然被称为冷凝器，尽管该术语已经 现在基本上失宠了。

　　1896年：德国发明家 卡罗尔·波拉克 (英语化的“查尔斯·波拉克”)(1859-1928)发明了使用液体电解质的电解电容器。他的工作建立在法国仪器制造商早期电化学研究的基础上 Eugeène Ducretet (1844–1915).

　　1909年：美国发明家 威廉·杜比利耶 (1888-1969)开发了使用云母作为陶瓷电介质的紧凑型电容器。 根据 科普 “(1921年12月，第29页)，这 辉煌的发明为他赢得了“超过1，500，000美元”。