一文讀懂：電容器的基礎(chǔ)知識
電容器是一種可儲存電能的元件（儲能元件），通常簡稱為電容，其儲存電荷的多少稱為容量。電容器可分為固定電容器與可變電容器，固定電容器的容量不能改變，而可變電容器的容量可采用手動方式調(diào)節(jié)。
01結(jié)構(gòu)、外形與符號
電容器是一種可以儲存電荷的元器件。相距很近且中間隔有絕緣介質(zhì)（如空氣、紙和陶瓷等）的兩塊導(dǎo)電極板就構(gòu)成了電容器。固定電容器的結(jié)構(gòu)、外形與電路符號如圖1所示。
圖1 電容器
02 主要參數(shù)
電容器主要參數(shù)有標(biāo)稱容量、允許誤差、額定電壓和絕緣電阻等。
（1）容量與允許誤差
電容器能儲存電荷，其儲存電荷的多少稱為容量。這一點與蓄電池類似，不過蓄電池儲存電荷的能力比電容器大得多。電容器的容量越大，儲存的電荷越多。電容器的容量大小與下面的因素有關(guān)。
① 兩導(dǎo)電極板相對面積。相對面積越大，容量越大。
② 兩極板之間的距離。極板相距越近，容量越大。
③ 兩極板中間的絕緣介質(zhì)。在極板相對面積和距離相同的情況下，絕緣介質(zhì)不同的電容器，其容量不同。
電容器的容量單位有法拉（F）、毫法（mF）、微法（µF）、納法（nF）和皮法（pF），它們的關(guān)系是
1F=103mF=106µF=109nF=1012pF
標(biāo)注在電容器上的容量稱為標(biāo)稱容量。允許誤差是指電容器標(biāo)稱容量與實際容量之間允許的最大誤差范圍。
（2）額定電壓
額定電壓又稱電容器的耐壓值，它是指在正常條件下電容器長時間使用兩端允許承受的最高電壓。一旦加到電容器兩端的電壓超過額定電壓，兩極板之間的絕緣介質(zhì)容易被擊穿而失去絕緣能力，造成兩極板短路。
（3）絕緣電阻
電容器兩極板之間隔著絕緣介質(zhì)，絕緣電阻用來衡量絕緣介質(zhì)的絕緣程度。絕緣電阻越大，表明絕緣介質(zhì)絕緣性能越好，如果絕緣電阻比較小，絕緣介質(zhì)絕緣性能下降，就會出現(xiàn)一個極板上的電流會通過絕緣介質(zhì)流到另一個極板上，這種現(xiàn)象稱為漏電。由于絕緣電阻小的電容器存在著漏電，故不能繼續(xù)使用。
一般情況下，無極性電容器的絕緣電阻為無窮大，而有極性電容器（電解電容器）絕緣電阻很大，一般達不到無窮大。
03 性質(zhì)
電容器的性質(zhì)主要有“充電”、“放電”和“隔直”、“通交”。
（1）電容器的“充電”和“放電”性質(zhì)
“充電”和“放電”是電容器非常重要的性質(zhì)，下面以圖3-2所示的電路來說明該性質(zhì)。
圖2 電容充、放電性質(zhì)說明圖
電容器充、放電性質(zhì)說明
?充電
在圖2（a）所示電路中，當(dāng)開關(guān)S1閉合后，從電源正極輸出電流經(jīng)開關(guān)S1流到電容器的金屬極板E上，在極板E上聚集了大量的正電荷，由于金屬極板F與極板E相距很近，又因為同性相斥，所以極板F上的正電荷受到很近的極板E上正電荷的排斥而流走，這些正電荷匯合形成電流到達電源的負(fù)極，極板F上就剩下很多負(fù)電荷，結(jié)果在電容器的上、下極板就儲存了大量的上正下負(fù)的電荷（注：在常態(tài)時，金屬極板E、F不呈電性，但上、下極板上都有大量的正負(fù)電荷，只是正負(fù)電荷數(shù)相等呈中性）。
電源輸出電流流經(jīng)電容器，在電容器上獲得大量電荷的過程稱為電容器的“充電”。
?放電
在圖2（b）所示電路中，先閉合開關(guān)S1，讓電源對電容器C充得上正下負(fù)的電荷，然后斷開S1，再閉合開關(guān)S2，電容器上的電荷開始釋放，電荷流經(jīng)的途徑是：電容器極板E上的正電荷流出，形成電流→開關(guān)S2→電阻R→燈泡→極板F，中和極板F上的負(fù)電荷。大量的電荷移動形成電流，該電流經(jīng)燈泡，燈泡發(fā)光。隨著極板E上的正電荷不斷流走，正電荷的數(shù)量慢慢減少，流經(jīng)燈泡的電流減小，燈泡慢慢變暗，當(dāng)極板E上先前充得的正電荷全放完后，無電流流過燈泡，燈泡熄滅，此時極板F上的負(fù)電荷也完全被中和，電容器兩極板上先前充得的電荷消失。
電容器一個極板上的正電荷經(jīng)一定的途徑流到另一個極板，中和該極板上負(fù)電荷的過程稱為電容器的“放電”。
電容器充電后兩極板上儲存了電荷，兩極板之間也就有了電壓，這就像杯子裝水后有水位一樣。電容器極板上的電荷數(shù)與兩極板之間的電壓有一定的關(guān)系，具體可這樣概括：在容量不變情況下，電容器儲存的電荷數(shù)與兩端電壓成正比，即
Q=CU
Q表示電荷數(shù)（單位：庫侖），C表示容量（單位：法拉），U表示電容器兩端的電壓（單位：伏特）
這個公式可以從以下幾個方面來理解。
① 在容量不變的情況下（C不變），電容器充的電荷越多（Q增大），兩端電壓越高（U增大）。這就像杯子大小不變時，杯子中裝的水越多，杯子的水位越高一樣。
② 若向容量一大一小的兩只電容器充相同數(shù)量的電荷（Q不變），那么容量小的電容器兩端的電壓更高（C小U大）。這就像往容量一大一小的兩只杯子裝入同樣多的水時，小杯子中的水位更高一樣。
（2）電容器的“隔直”和“通交”性質(zhì)
電容器的“隔直”和“通交”是指直流不能通過電容器，而交流能通過電容器。下面以圖3所示的電路來說明電容器的“隔直通交”性質(zhì)。
圖3 電容器“隔直通交”性質(zhì)說明圖
電容器“隔直通交”性質(zhì)說明
?隔直
在圖3（a）所示電路中，電容器與直流電源連接，當(dāng)開關(guān)S閉合后，直流電源開始對電容器充電，充電途徑是：電源正極→開關(guān)S→電容器的上極板獲得大量正電荷→通過電荷的排斥作用（電場作用），下極板上的大量正電荷被排斥流出形成電流→燈泡→電源的負(fù)極，有電流流過燈泡，燈泡亮。隨著電源對電容器不斷充電，電容器兩端電荷越來越多，兩端電壓越來越高，當(dāng)電容器兩端電壓與電源電壓相等時，電源不能再對電容器充電，無電流流到電容器上極板，下極板也就無電流流出，無電流流過燈泡，燈泡熄滅。
以上過程說明：在剛開始時直流可以對電容器充電而通過電容器，該過程持續(xù)時間很短，充電結(jié)束后，直流就無法通過電容器，這就是電容器的“隔直”性質(zhì)。
?通交
在圖3（b）所示電路中，電容器與交流電源連接，交流電的極性是經(jīng)常變化的，故圖3-3（b）中的交流電源的極性也是經(jīng)常變化的，一段時間極性是上正下負(fù)，下一段時間極性變?yōu)橄抡县?fù)。開關(guān)S閉合后，當(dāng)交流電源的極性是上正下負(fù)時，交流電源從上端輸出電流，該電流對電容器充電，充電途徑是：交流電源上端→開關(guān)S→電容器→燈泡→交流電源下端，有電流流過燈泡，燈泡發(fā)光，同時交流電源對電容器充得上正下負(fù)的電荷；當(dāng)交流電源的極性變?yōu)樯县?fù)下正時，交流電源從下端輸出電流，它經(jīng)過燈泡對電容反充電，電流途徑是：交流電源下端→燈泡→電容器→開關(guān)S→交流電源上端，有電流流過燈泡，燈泡發(fā)光，同時電流對電容器反充得上負(fù)下正的電荷，這次充得的電荷極性與先前充得的電荷極性相反，它們相互中和抵消，電容器上的電荷消失。當(dāng)交流電源極性重新變?yōu)樯险仑?fù)時，又可以對電容器進行充電，以后不斷重復(fù)上述過程。
從上面的分析可以看出，由于交流電源的極性不斷變化，使得電容器充電和反充電（中和抵消）交替進行，從而始終有電流流過電容器，這就是電容器“通交”性質(zhì)。?
（3）電容器對交流有阻礙作用
電容器雖然能通過交流，但對交流也有一定的阻礙，這種阻礙稱之為容抗，用XC表示，容抗的單位是歐姆（Ω）。在圖4電路中，兩個電路中的交流電源電壓相等，燈泡也一樣，但由于電容器的容抗對交流阻礙作用，故圖（b）中的燈泡要暗一些。
圖4 容抗說明圖
電容器的容抗與交流信號頻率、電容器的容量有關(guān)，交流信號頻率越高，電容器對交流信號的容抗越小，電容器容量越大，它對交流信號的容抗越小。在圖4（b）電路中，若交流電頻率不變，當(dāng)電容器容量越大，燈泡越亮；或者電容器容量不變，交流電頻率越高燈泡越亮。這種關(guān)系可用下式表示：
式中，XC表示容抗，f 表示交流信號頻率，π為常數(shù)3.14。
在圖4（b）電路中，若交流電源的頻率f =50Hz，電容器的容量C=100µF，那么該電容器對交流電的容抗為：
04 極性
固定電容器可分為無極性電容器和有極性電容器。
（1）無極性電容器
無極性電容器的引腳無正、負(fù)極之分。無極性電容器的電路符號如圖5（a）所示，常見無極性電容器外形如圖5（b）所示。無極性電容器的容量小，但耐壓高。
圖5 無極性電容器
（2）有極性電容器
有極性電容器又稱電解電容器，引腳有正、負(fù)之分。有極性電容器的電路符號如圖6（a）所示，常見的有極性電容器外形如圖6（b）所示。有極性電容器的容量大，但耐壓較低。
圖6 有極性電容器
有極性電容器引腳有正負(fù)之分，在電路中不能亂接，若正負(fù)位置接錯，輕則電容器不能正常工作，重則電容器炸裂。有極性電容器正確的連接方法是：電容器正極接電路中的高電位，負(fù)極接電路中的低電位。有極性電容器正確和錯誤的接法分別如圖7所示。
圖7 有極性電容器在電路中的正確與錯誤連接方式
（3）有極性電容器的極性判別
由于有極性電容器有正負(fù)之分，在電路中又不能亂接，所以在使用有極性電容器前需要判別出正、負(fù)極。有極性電容器的正、負(fù)極判別方法如下。
方法一：對于未使用過的新電容，可以根據(jù)引腳長短來判別。引腳長的為正極，引腳短的為負(fù)極，如圖8所示。
方法二：根據(jù)電容器上標(biāo)注的極性判別。電容器上標(biāo)“+”為正極，標(biāo)“–”為負(fù)極，如圖9所示。
圖8 引腳長的引腳為正極
圖9 標(biāo)“－”的引腳為負(fù)極
方法三：用萬用表判別。萬用表撥R×10k擋，測量電容器兩極之間阻值，正反各測一次，每次測量時表針都會先向右擺動，然后慢慢往左返回，待表針穩(wěn)定不移動后再觀察阻值大小，兩次測量會出現(xiàn)阻值一大一小，以阻值大的那次為準(zhǔn)，如圖10（b）所示，黑表筆接的為正極，紅表筆接的為負(fù)極。
圖10 用萬用表檢測電容器的極性
05 種類
固定電容器種類很多，按應(yīng)用材料可分為紙介電容器（CZ）、高頻瓷片電容（CC）、低頻瓷片電容（CT）、云母電容（CY）、聚苯乙烯薄膜電容（CB）、玻璃釉電容（CI）、漆膜電容（CQ）、玻璃膜電容（CO）、滌綸薄膜電容（CL）、云母紙電容（CV）、金屬化紙電容（CJ）、復(fù)合介質(zhì)電容（CH）、鋁電解電容（CD）、鉭電解電容（CA）、鈮電解電容（CN）、合金電解電容（CG）和其他材料電解電容（CE）等。
不同材料的電容器有不同的結(jié)構(gòu)與特點，一些常見種類的電容器結(jié)構(gòu)與特點見表1。
表1 常見種類的電容器
06 串聯(lián)與并聯(lián)
在使用電容器時，如果無法找到合適容量或耐壓的電容器，可將多個電容器進行并聯(lián)或串聯(lián)來得到需要的電容器。
（1）電容器的并聯(lián)
兩個或兩個以上電容器頭頭相連、尾尾相接稱為電容器并聯(lián)。電容器的并聯(lián)如圖11所示。
圖11 電容器的并聯(lián)
電容器的并聯(lián)說明
電容器并聯(lián)后的總?cè)萘吭龃螅側(cè)萘康扔谒胁⒙?lián)電容器的容量之和，以圖11（a）電路為例，并聯(lián)后總?cè)萘浚?/p>
電容器并聯(lián)后的總耐壓以耐壓最小的電容器的耐壓為準(zhǔn)，仍以圖11（a）電路為例，C1、C2、C3耐壓不同，其中C1的耐壓最小，故并聯(lián)后電容器的總耐壓以C1耐壓6.3V為準(zhǔn)，加在并聯(lián)電容器兩端的電壓不能超過6.3V。
根據(jù)上述原則，圖11（a）的電路可等效為圖11（b）所示電路。?
（2）電容器的串聯(lián)
兩個或兩個以上電容器在電路中頭尾相連就是電容器的串聯(lián)。電容器的串聯(lián)如圖12所示。
圖12 電容器的串聯(lián)
電容器的串聯(lián)說明
電容器串聯(lián)后總?cè)萘繙p小，總?cè)萘勘热萘孔钚‰娙萜鞯娜萘窟€小。電容器串聯(lián)后總?cè)萘康挠嬎阋?guī)律是：總?cè)萘康牡箶?shù)等于各電容器容量倒數(shù)之和，這與電阻器的并聯(lián)計算相同，以如圖12（a）電路為例，電容器串聯(lián)后的總?cè)萘坑嬎愎绞牵?/p>
所以圖12（a）電路與圖12（b）電路是等效的。
電容器串聯(lián)后總耐壓增大，總耐壓較耐壓最低電容器的耐壓要高。在電路中，串聯(lián)的各電容器兩端承擔(dān)的電壓與容量成反比，即容量越大，在電路中承擔(dān)電壓越低，這個關(guān)系可用公式表示：
以圖12（a）所示電路為例，C1的容量是C2容量的10倍，用上述公式計算可知，C2兩端承擔(dān)的電壓U2應(yīng)是C1兩端承擔(dān)電壓U1的10倍，如果交流電壓為11V，則U1=1V，U2=10V，若C1、C2都是耐壓為6.3V的電容器，就會出現(xiàn)C2首先被擊穿短路（因為它兩端承擔(dān)了10V電壓），11V電壓馬上全部加到C1兩端，接著C1被擊穿損壞。
當(dāng)電容器串聯(lián)時，容量小的電容器應(yīng)盡量選用耐壓大的，以接近或等于電源電壓為佳，因為當(dāng)電容器串聯(lián)在電路中時，容量小的電容器在電路中承擔(dān)的電壓較容量大的電容器承擔(dān)電壓大得多。?
