电容器电容计算
电容器:通常简称其容纳电荷的本领为电容,用字母C表示;电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于电路中的隔直通交,耦合,旁路,滤波,调谐回路, 能量转换,控制等方面;任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体包括导线间都构成一个电容器;电容等于带电量除以电压。
电磁学 电容器和电容
知识点:
1. 电容及其计算
需要掌握的数学知识:
1. 微积分
关于电容,主要有两个方面,一方面,电容作为一种导体,描述了导体的“几何性质”;另一方面,电容器还具有储能性质,即储存电能的性质。
导体(系)的电容
对于空间中的孤立导体,假定其带电量为q,则其电荷必然有一定的分布,进而具有一定的电势U,不难想见,如果电荷量按比例上升,则电势也应当按照相同的比例上升,即电荷和电势成正比关系。因此,电荷和电势的比值描述了导体本身的物理性质,定义
为电容
可以将这个定义进行拓展,如图10-1,对于导体系(由一个空腔导体和空腔导体内带电导体组成),由前面的知识不难知道,假定内部带电导体带正电,则空腔导体的内表面会感应处等量的负电,进而两个导体的电势差与内部导体的电荷有关,则定义电容为
图10-1平板电容器
图10-2
如图10-2,有两个平板,假定忽略边缘效应,则可以近似看作是空腔导体(两平板间隔很小),令一侧带正电,由Gauss定理知另一侧带负电。设面电荷密度为σ,两极板间距为d,内表面所带电荷量为q,则由式(10-2)知
由Gauss定理可知两极板间电场
两式联立,得
其中电荷量q满足q=σS,S为平板面积,则有
这就是中学所学的平板电容器的计算公式。
其中,电容只与两极板的面积,以及它们之间的距离有关,这也说明了电容是描述导体(系)“几何性质”的一种物理量。
类似地,对于同心球、同轴柱而言,也具有对应的电容公式如下(计算过程略):
同样,这些电容只与导体系的几何形状有关。
电容器的储能
我们以平行板电容器为例,研究电容的储能。电容器的储能过程即电容的充电过程,电子从电容器一个极板被拉到电源,并从电源移动到另一个极板上。这样使得一个极板带正电,另一个极板带负电,如此逐渐进行下去,设充电完成后极板上带电量绝对值为Q。这一过程需要靠电源做功,从而消耗电源的能量,使之转化为电容所储存的电能。
设在充电的某一个瞬间极板上带电量为q,电压为u,搬运的电荷量为dq,则整个过程储存的电能为:
由电容的定义式(10-1)不难得到
电容器的储能是电容的一项重要指标,除此之外,电容器还有耐压等指标(所谓耐压,通常是由于电容内有电介质,而电介质具有击穿电压等导致)。
在实际应用时,往往已有的电容并不能满足需要,此时可以将电容进行串联或并联。
电容的串联与并联1. 并联
对于并联而言,其电压满足
其总电量q满足
因此,其等效电容C满足如下关系:
故:电容器并联,所得到的等效电容为每个电容相加,且每个电容两端的电压不变。
2. 串联
对于串联而言,其电量为
电压满足
则不难计算串联的等效电容。其倒数为
故:电容器串联,所得到的等效电容为每个电容倒数之和的倒数,且每个电容两端的电压比总电压有所降低。
这一节的内容到这里就结束了,下一节作为一个补充,简单介绍一下“静电能”这一概念。
电容器的电容与什么有关
电容器电容的大小主要取决于正对面积、板间距离与介质。
在其他两个条件相同的条件下:
电容器的电容与正对面积成正比,正对面积越大,电容越大,正对面积越小,电容越小;
电容器的电容与极板间距的距离成反比,极板间距离越大,电容越小,极板间距离越小,电容越大;
电容器的电容与极板间物质的介电常数成正比,介电常数越大,电容越大,介电常数越小,电容越小。
电容器,任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体间都构成一个电容器,通常简称其容纳电荷的本领为电容,用字母C表示。是电子设备中大量使用的电子元件之一,广泛应用于电路中的隔直通交,耦合,旁路,滤波,调谐回路,能量转换,控制等方面。随着电子信息技术的日新月异,数码电子产品的更新换代速度越来越快,以平板电视、笔记本电脑、数码相机等产品为主的消费类电子产品产销量持续增长,带动了电容器产业增长。
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