一文讀懂：電容器的基礎知識
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節。
01結構、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（如空氣、紙和陶瓷等）的兩塊導電極板就構成了電容器。固定電容器的結構、外形與電路符號如圖1所示。
圖1 電容器
02 主要參數
電容器主要參數有標稱容量、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。
① 兩導電極板相對面積。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。在極板相對面積和距離相同的情況下，絕緣介質不同的電容器，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），它們的關系是
1F=103mF=106µF=109nF=1012pF
標注在電容器上的容量稱為標稱容量。允許誤差是指電容器標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，絕緣電阻用來衡量絕緣介質的絕緣程度。絕緣電阻越大，表明絕緣介質絕緣性能越好，如果絕緣電阻比較小，絕緣介質絕緣性能下降，就會出現一個極板上的電流會通過絕緣介質流到另一個極板上，這種現象稱為漏電。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
電容器的性質主要有“充電”、“放電”和“隔直”、“通交”。
（1）電容器的“充電”和“放電”性質
“充電”和“放電”是電容器非常重要的性質，下面以圖3-2所示的電路來說明該性質。
圖2 電容充、放電性質說明圖
電容器充、放電性質說明
?充電
在圖2（a）所示電路中，當開關S1閉合后，從電源正極輸出電流經開關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極，極板F上就剩下很多負電荷，結果在電容器的上、下極板就儲存了大量的上正下負的電荷（注：在常態時，金屬極板E、F不呈電性，但上、下極板上都有大量的正負電荷，只是正負電荷數相等呈中性）。
電源輸出電流流經電容器，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S1，讓電源對電容器C充得上正下負的電荷，然后斷開S1，再閉合開關S2，電容器上的電荷開始釋放，電荷流經的途徑是：電容器極板E上的正電荷流出，形成電流→開關S2→電阻R→燈泡→極板F，中和極板F上的負電荷。大量的電荷移動形成電流，該電流經燈泡，燈泡發光。隨著極板E上的正電荷不斷流走，正電荷的數量慢慢減少，流經燈泡的電流減小，燈泡慢慢變暗，當極板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一定的途徑流到另一個極板，中和該極板上負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與兩極板之間的電壓有一定的關系，具體可這樣概括：在容量不變情況下，電容器儲存的電荷數與兩端電壓成正比，即
Q=CU
Q表示電荷數（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
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。
圖3 電容器“隔直通交”性質說明圖
電容器“隔直通交”性質說明
?隔直
在圖3（a）所示電路中，電容器與直流電源連接，當開關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，該過程持續時間很短，充電結束后，直流就無法通過電容器，這就是電容器的“隔直”性質。
?通交
在圖3（b）所示電路中，電容器與交流電源連接，交流電的極性是經常變化的，故圖3-3（b）中的交流電源的極性也是經常變化的，一段時間極性是上正下負，下一段時間極性變為下正上負。開關S閉合后，當交流電源的極性是上正下負時，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S→電容器→燈泡→交流電源下端，有電流流過燈泡，燈泡發光，同時交流電源對電容器充得上正下負的電荷；當交流電源的極性變為上負下正時，交流電源從下端輸出電流，它經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S→交流電源上端，有電流流過燈泡，燈泡發光，同時電流對電容器反充得上負下正的電荷，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。當交流電源極性重新變為上正下負時，又可以對電容器進行充電，以后不斷重復上述過程。
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。?
（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，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之分，在電路中不能亂接，若正負位置接錯，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、負極。有極性電容器的正、負極判別方法如下。
方法一：對于未使用過的新電容，可以根據引腳長短來判別。引腳長的為正極，引腳短的為負極，如圖8所示。
方法二：根據電容器上標注的極性判別。電容器上標“+”為正極，標“–”為負極，如圖9所示。
圖8 引腳長的引腳為正極
圖9 標“－”的引腳為負極
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，待表針穩定不移動后再觀察阻值大小，兩次測量會出現阻值一大一小，以阻值大的那次為準，如圖10（b）所示，黑表筆接的為正極，紅表筆接的為負極。
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）、復合介質電容（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構與特點，一些常見種類的電容器結構與特點見表1。
表1 常見種類的電容器
06 串聯與并聯
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或串聯來得到需要的電容器。
（1）電容器的并聯
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。電容器的并聯如圖11所示。
圖11 電容器的并聯
電容器的并聯說明
電容器并聯后的總容量增大，總容量等于所有并聯電容器的容量之和，以圖11（a）電路為例，并聯后總容量：
電容器并聯后的總耐壓以耐壓最小的電容器的耐壓為準，仍以圖11（a）電路為例，C1、C2、C3耐壓不同，其中C1的耐壓最小，故并聯后電容器的總耐壓以C1耐壓6.3V為準，加在并聯電容器兩端的電壓不能超過6.3V。
根據上述原則，圖11（a）的電路可等效為圖11（b）所示電路。?
（2）電容器的串聯
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。電容器的串聯如圖12所示。
圖12 電容器的串聯
電容器的串聯說明
電容器串聯后總容量減小，總容量比容量最小電容器的容量還小。電容器串聯后總容量的計算規律是：總容量的倒數等于各電容器容量倒數之和，這與電阻器的并聯計算相同，以如圖12（a）電路為例，電容器串聯后的總容量計算公式是：
所以圖12（a）電路與圖12（b）電路是等效的。
電容器串聯后總耐壓增大，總耐壓較耐壓最低電容器的耐壓要高。在電路中，串聯的各電容器兩端承擔的電壓與容量成反比，即容量越大，在電路中承擔電壓越低，這個關系可用公式表示：
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，C2兩端承擔的電壓U2應是C1兩端承擔電壓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C2首先被擊穿短路（因為它兩端承擔了10V電壓），11V電壓馬上全部加到C1兩端，接著C1被擊穿損壞。
當電容器串聯時，容量小的電容器應盡量選用耐壓大的，以接近或等于電源電壓為佳，因為當電容器串聯在電路中時，容量小的電容器在電路中承擔的電壓較容量大的電容器承擔電壓大得多。?
