电容的基本工作原理

电容器的发展历程

现象发现

在1745年荷兰物理学家马森布洛克(p．V．musschenbrock)在做实验时不小心将一个带了电的铁钉掉进了充满水的玻璃瓶中，马森布洛克伸手去拿水里取出时感受到了电击时的振动感，起初他认为是自己神经过于敏感了，因为他认为电在玻璃瓶里很快会消失殆尽后来他又做了许多次相关实验每次实验结果都与第一次相同，通过这次实验他得出结果：电是可以被存储的。
最初他不知道是水存储的电子还是玻璃瓶，后证实是水。这也是为什么水被称为电解质的原因。

第一个存储电荷的元器件：莱顿瓶

莱顿瓶是彼得·范·穆申布罗克(Pieter van Musschenbroek)在1745-1746年间发明的，是基于马森布洛克对电荷存储的实验而制作的，这个瓶就是所有电容元器件的鼻祖，它是历史上第一个能够存储电荷的物品。

莱顿瓶的原理是将瓶子内部与外部用金属箔布满瓶身，外部金属箔与瓶口要保持一定距离否则可能会产生电弧的现象，然后通过一根金属导体插入瓶中顶部用金属球作为电极(球形电极电场会更加聚拢此外球形状比较平滑不容易聚集电荷，电荷容易顺着球形管道流通，如果是平板电极平面上可能会存储聚拢电荷阻碍电子流动)，底部使用金属链子与内部金属箔(也可以使用水代替)连接在一起，软木塞的作用是隔离瓶内与外部空气，防止产生电弧效应。
莱顿瓶的充电过程是将正极与金属球连接在一起，将内部金属箔上的负电全部吸走那么此时金属箔上只有正电。同时将外部金属箔接地，地带负电，负电进入金属箔使金属箔带负电荷，这样就形成了内外两个金属箔之间带不同极性的电荷。
由于带不同的电荷内外形成了一个内指向外部的电场但又因为玻璃瓶绝缘的原因电子无法通过一直在外部金属箔里徘徊，如果此时人手放上去或给它一条通路由于外部金属箔上负电较多同性相斥会立马通过通路导出去，这就是莱顿瓶的充电过程。

莱顿瓶之所以叫莱顿瓶是因为它在荷兰莱顿市发明。

真正出名的时刻

真正让莱顿瓶名声大振的起因在1746年一名叫诺莱特的法国人利用莱顿瓶做了一次名为七百名修士被电飞的表演给路易十五皇室家族观看，表演过程是七百名修士站成一排，排首握住莱顿瓶外部箔纸，排尾握住莱顿瓶顶部金属球，相当于排尾接正极，排首接负极，在没有任何发电的情况下通过人体导电产生电流使人被电飞

这场演出被当时一名英国物理学家柯林森看了之后大为震惊，随后将莱顿瓶邮寄给了美国费城的本杰明·富兰克林，并在邮件里讲述了莱顿瓶的用法，在同年的1746年富兰克林基于马森布洛克的研究对莱顿瓶进行了改进，这也后来引发出了1752年的富兰克费城实验，至此人们开始关注到莱顿瓶的应用，人们开始关注并对电的本质进行研究。

为什么电容器的容量单位称为法拉？

最早电容单位以Jar(罐子)为单位，因为第一个能存储电荷的元器件就是莱顿瓶，但是在最初物理学家对电的本质的了解并不像现在如此深刻，人们无法计算电容量的大小并不知道莱顿瓶里到底存放了多少电子，当时的物理学家认为电荷是一个物质。
在1833年法拉第在研究温度对硫化银的影响时发现偶然发现温度对铜与金属的影响与硫化银相反：温度越低电导率越高，这一现象被法拉第称为半导体效应，后来根据这些原理研究出了半导体的器件，其中铜线就是其中之一。

在1843年法拉第做了一次冰桶实验向世界第一次演示了电容的实际应用，法拉第用冰桶来存储电荷并实现了将电子从一端移动到另外一端做定向移动。

法拉第也利用电磁效应来产生方向交变的电场使得电容里的电子不停的从一端移动到另外一端，这次的实验幂定了电容的应用场景，也体现了电容的充电与放电特性。

后来随着半导体的发展电容应用场景越来越广泛，利用电容的充放电特性去实现滤波、去耦、旁路等功能。后人为了纪念法拉第，在1872年国际单位制电容器存储电荷的容量单位定为法拉(Farad)

Tips
在1893年电容才被定义下来，人们把capacity与词根-ance结合，就创造了电容(capacitance)这个词。

电容器和电容的区别

电容是指电容量，它是电学物理量单位之一，单位法拉(F)，用于描述一个元器件存储电荷的能力，存储电荷的元器件就称为电容器，一般简称电容，电容器是存储电容的而电容量是衡量电容器存储电荷的能力，就像人和体重之间的关系一样。

电容的组成

现代的电容和曾经的莱顿瓶仍有许多相似之处，电容分为无极性电容与有极性电容，先说一下无极性电容：无极性是无正负极的，是由两块金属作为极板，金属中间为电介质，它与莱顿瓶的原理一样，一开始两个极板上所携带的电子是相同的。呈现电中性不带电，当你给它接正负极施加外电场时它两个极板上会携带两个不同极性的电子。中间的电介质是绝缘材料(材料不固定只要是电介质材料即可)，电介质的作用是起到对电容进行扩容的作用。

无极性电容图形符号：

有极性电容与无极性的最大区别就是制作材料，有极性电容正极使用金属箔制作，负极使用电解质制作而成，中间使用的是电解质。它要求正负极必须正确连接不可以接反，这样的电容被也被称为电解电容。

有极性电容与无极性电容最大的区别就在于大小上，有极性电容在较大的容量时可以制作的很小，但无极性电容若容量比较大的情况下体积会变得很大，这与它们的制作材料相关，通常若需要大容量的电容一般采用有极性电容，但它们之间的效果是一样的。有极性电容的正负极引脚长的为正短为负。
有极性电容图形符号一般有多种表示方法：

Tips
电解电容也分为无极性电容，若符号中没有指明+正极一般是无极性电解电容。

在电容里还有微调电容器、可变电容器、双联可变电容器：
微调电容器：
容值可以进行微小调整
可变电容器：
容值可以在一定范围内进行修改
双联可变电容器：
将两个可变电容连在一起可以同时修改两个可变电容的容值

电介质与电解质对电容的影响

一般的情况下无极性电容使用的电介质材料是瓷片，瓷片内部是无极分子，无极分子的意思就是：这种分子在没有外电场的情况下其内部原子带正电荷的组成一个集合，负电荷的组成一个集合，它们中心重叠在一起，由于重叠在一起电荷量相等所以分子整体呈现的是电中性电场。

但当对它施加外电场时分子云内部正负电子会重新分布，正负电荷之间会发生轻微偏移，这种现象叫电偶极化或位移极化，假设外电场方向是->E，那么排序之后电场方向就是E<-，正负电荷之间偏移的距离就叫电偶极矩，由于正负电荷中心不在重叠能量不会在抵消同时电场方向固定此时内电场就会增强。当外电场消失时它们又会回到原本的模样。

Tips
极化的意思就是指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相对于原来状态有所偏离的现象
非极性分子不存在净电荷

当电容开始充电时负极上的电荷汇聚的越来越多，因为极性原因当负电越来越多时会产生同性相斥，会排斥后续电子进入致使导线阻塞造成断路，但当内电场形成之后这个力可以用来抵消一部分互斥力使更多的电子进入负极从而达到扩容的目的。

除了电介质之外，还有一种叫电解质，这种绝缘体内部的分子云叫极性分子，容易导电，它内部正负电荷中心不重叠具有固有电偶极矩，极性分子云内部电荷分布不均匀，但原子之间会共享电子组成共价键所以对外呈现不带电，但这种共价键在受到外电场的电场力时电子容易挣脱束缚，形成电场。

当对它施加外电场时它的效果与非极性分子一样，内部电子会整齐排列建立与外电场相反方向的内电场，而非极性分子叫位移极化，对于极性分子这个过程叫取向极化，因为极性分子本身正负电荷中心并不重叠，只是原子之间共用电子对外呈现电中性，只是外电场使电子摆脱共价键束缚形成正负电场，这个过程就是取向极化。

取向极化比位移极化的导电可控率要高。因为极化是通过将极化分子的原子旋转或移动角度，极化分子的电荷可以在内部自由移动，这样电场力更聚集，这样的话只需要稍微在内部掺杂做修改就能达到导电率的控制。

位移极化只是将无极分子施加电场力让它内部电子不重叠，负电子仍然没有拜托共价键的束缚，这种力比较中性所以对导电率的影响并不高，这也是为什么极性电容可以做到相同体积下容量更大的原因。通过稍微掺杂电解质就可以达到对导电率较大的影响。

通俗易懂的来说就是极性分子的导电率影响因子比非极性分子要大。

Tips
电解质是指在溶液或熔融状态下能够导电的物质，因为其分子离解成带电离子，可以在电场的作用下流动电荷。比如酸、碱、盐类物质。

电介质是指在电场作用下不产生自由电荷，因而不导电的物质。电介质通常是一些非金属固体材料，如空气、水、玻璃、瓷器等。
虽然电解质和电介质都可以在电场下发生响应，但其本质不同。电解质通过离子带电荷，形成电流；电介质则通过分子、原子或电子极化而在电场中存储电荷。

电容是如何工作的

电容的工作方式就是将极板的另一端上的电子移动到另外一端，这个过程就是充电与放电。
为了方便理解，我制作了一个动态GIF来演示电容的基本工作原理：

上图为一个无极性电容的工作原理：（为方便讲述，上述电容接电池正极的称为A端相反接负极的为B端）

• 当电容两端连接到电池时由于受到外部电场的作用会使电容两个极板上的电子开始做定向移动
• 电容A端的负电子被电池的正极吸引走了只留下正电子
• 所以从宏观角度来说正电荷数量多于负电荷数量即带正电
• 电容B端受到电池正极和刚刚失去负电子而带正电荷的极板上的电场的吸引开始做定向移动
• 电池负极上的负电子也开始移动到电容B端，所以从宏观角度上来说B端的负电子数量大于正电子所以它带正电

Tips
由于电荷数量不相等，能量无法相互抵消所以呈现出带多子一方的电属性

通交流阻直流

阻直流

电容会阻碍直流信号通过的原因是因为电容负极一端在逐步充电，有源源不断的电子进入，当极板上充满电子时即代表电容的电量充满了，极板上没有多余的空间让电子进入同时也由于同性相斥的原因电容里的电子会排斥后续电子的进入，这样就导致电容的一端形成了电子无法流动的情况从而导致直流信号无法通过，而金属极板内的电子无法通过两个金属极板中间的电介质
为了方便大家形象的理解，我制作了一个GIF来演示这一现象：

Tips
如果电压过大可能会导致电子穿过电介质，这个现象叫漏电

通交流

通交流就比较简单了，通过刚刚的阻直流的GIF可以看到直流电它只有一个方向，只有一个方向只能让电容充电而不能放电这样会引起电子的阻塞，而交流电的方向会随着时间而发生变化为电子提供了两条路径避免了阻塞的情况。

电容器的单位

电容器代号记作C(Capacitance)，容量的国际单位制是法拉(Farad)，简称法(F)。

电容的容抗

电容容抗公式为：$Xc=1/(\omega \times C)=1/(2\times \pi \times f\times C)$
$w$=角频率, 通过$2\times \pi \times f$求出
$C$=电容的容量值
$Xc$=电容的阻抗，单位欧姆

电容常见的种类

电容有很多种类，它们都是不同材料制作而成，但都是存储电荷充放电的特性，以下是十种常见的电容种类

瓷介电容器

制作工艺
此电容器用陶瓷材料作介质，在陶瓷表面涂覆一层金属（银）薄膜，再经高温烧结后作为电极而成。瓷介电容器又分为1类电介质（NPO、CCG）、2类电介质（X7R、2X1）和3类电介质（Y5V、2F4）瓷介电容器。

应用场景与特性
1类瓷介电容器具有温度系数小、稳定性高、损耗低、耐压高等优点。最大容量不超过1000pF，常用的有CC1、CC2 、CC18A、CC11、CCG等系列。2、3类瓷介电容器其特点是材料的介电系数高，容量大（最大可达0.47μF)、体积小、损耗和绝缘性能较1类的差。

1类电容主要应用于高频电路中。2、3类广泛应用于中、低频电路中作隔直、耦合、旁路和滤波等电容器使用。常用的有CT1、CT2、CT3等三种系列。
这个电容在电路设计中经常用到，在电路里一般简称C。

符号
CC，其中C表示电容器（Capacitor），C表示瓷介电介质（Ceramic dielectric）

涤纶电容器：

制作工艺
涤纶电容器，是用有极性聚脂薄膜为介质制成的具有正温度系数（即温度升高时，电容量变大）的无极性电容。

应用场景与特性
耐高温、耐高压、耐潮湿、价格低。一般应用于中、低频电路中。常用的型号有CL11、CL21等系列。

符号
PETC, PET代表聚酯薄膜（Polyethylene terephthalate film），通常被用作涤纶电容器的电介质材料, C表示电容器（Capacitor）

聚苯乙烯电容器

制作工艺
此种电容器有箔式和金属化式两种类型。

1. 箔式绝缘电阻大，介质损耗小，容量稳定，精度高，但体积大，耐热性较差；
2. 金属化式防潮性和稳定性较箔式好，且击穿后能自愈，但绝缘电阻偏低，高频特性差。
   

应用场景与特性
一般应用于中、高频电路中。常用的型号有CB10、CB11（非密封箔式）、CB14~16（精密型）、CB24、CB25（非密封型金属化）、CB80（高压型）、 CB40 （密封型金属化）等系列。

符号
CB

聚丙烯电容器

制作工艺
用无极性聚丙烯薄膜为介质制成的一种负温度系数无极性电容。有非密封式（常用有色树脂漆封装）和密封式（用金属或塑料外壳封装）两种类型。损耗小，性能稳定，绝缘性好，容量大。

应用场景与特性
一般应用于中、低频电子电路或作为电动机的启动电容。常用的箔式聚丙烯电容：CBB10、CBB11、CBB60、 CBB61 等；金属化式聚丙烯电容：CBB20、CBB21、CBB401 等系列。

符号
CBB

独石电容器

制作工艺
独石电容器是用钛酸钡为主的陶瓷材料，烧结制成的多层叠片状超小型电容器。

优点是性能可靠、耐高温、耐潮湿、容量大（容量范围1 pF ~ 1 μF）、漏电流小等优点。缺点是工作电压低（耐压低于100 V）。

应用场景与特性
广泛应用于谐振、旁路、耦合、滤波等。常用的有CT4（低频）、CT42（低频）；CC4（高频）、CC42（高频）等系列。

符号
SLC

云母电容器

制作工艺
云母电容器是采用云母作为介质，在云母表面喷一层金属膜（银）作为电极，按需要的容量叠片后经浸渍压塑在胶木壳（或陶瓷、塑料外壳）内构成。
稳定性好、分布电感小、精度高、损耗小、绝缘电阻大、温度特性及频率特性好、工作电压高（50V~7kV）等优点 。

应用场景与特性
一般在高频电路中作信号耦合、旁路、调谐等使用。常用的有CY、CYZ、CYRX等系列。

符号
MMC，MM表示云母电容器的材料为云母（Mica），C表示电容器（Capacitor）。

纸介电容器

制作工艺
纸介电容器是用较薄的电容器专用纸作为介质，用铝箔或铅箔作为电极，经卷绕成型、浸渍后封装而成。电容量大（100pF~100μF）工作电压范围宽，最高耐压值可达6.3 kV。

应用场景与特性
体积大、容量精度低、损耗大、稳定性较差。常见有CZ11、CZ30、CZ31、CZ32、CZ40、CZ80等系列。

符号
PPC, 其中PP代表聚丙烯（Polypropylene）材料，C表示电容器（Capacitor）。

金属化纸介电容器

制作工艺
金属化纸介电容器采用真空蒸发技术，在涂有漆膜的纸上再蒸镀一层金属膜作为电极而成。
与普通纸介电容相比，体积小，容量大，击穿后能自愈能力强。

应用场景与特性
广泛应用于电源滤波电路、信号隔离、自激振荡器、共模抑制器等场合。
符号
MPC，Metallized Paper为金属化纸材料，C表示电容器（Capacitor）

铝电解电容器

制作工艺
有极性铝电解电容器是将附有氧化膜的铝箔（正极）和浸有电解液的衬垫纸，与阴极（负极）箔叠片一起卷绕而成。外型封装有管式、立式，并在铝壳外有蓝色或黑色塑料套。
优点是容量范围大，一般为1_{10000μF，额定工作电压范围为6.3V}450V，缺点是介质损耗、容量误差大（最大允许偏差+100%，–20%）耐高温性较差，存放时间长容易失效。

应用场景与特性
通常在直流电源电路或中、低频电路中起滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。注意：不能用于交流电源电路。在直流电源中作滤波电容使用时极性不能接反
符号
AEC，Aluminum Electrolytic Capacitor（铝电解电容器）

钽电解电容器

制作工艺
钽电解电容器有两种形式：
1.箔式钽电解电容器。内部采用卷绕芯子，负极为液体电解质，介质为氧化钽。型号有 CA30、CA31、CA35、CAk35等系列。
2.钽粉烧结式。阳极（正极）用颗粒很细的钽粉压块后烧结而成。封装形式有多种。型号有CA40、CA41、CA42、CA42H、CA49、CA70（无极性）等系列。
优点是介质损耗小、频率特性好、耐高温、漏电流小。缺点是生产成本高、耐压低。
应用场景与特性
广泛应用于通信、航天、军工及家用电器上各种中 、低频电路和时间常数设置电路中。
符号
TC，Tantalum Capacitor（钽电容器）