聊一聊電容和彈簧的似是而非

問(wèn)：電容基礎(chǔ)知識(shí)

電容是以電場(chǎng)的形式儲(chǔ)存電能的裝置。這個(gè)過(guò)程與機(jī)械彈簧以彈性材料變形的形式儲(chǔ)存能量的方式非常相似，在某種程度上，描述兩者的數(shù)學(xué)是非常相似的，除了使用的變量。事實(shí)上，這種相似性可能是電氣或機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生經(jīng)常覺(jué)得其他人的研究晦澀難懂的部分原因;“v”對(duì)電子工程師，來(lái)說(shuō)意味著“電壓”，但對(duì)機(jī)械工程師來(lái)說(shuō)，意味著“速度”。對(duì)電子工程師，其表示的彈簧可能看起來(lái)很的電感器，等等。

工程師們，請(qǐng)注意!

平行板電容的概念通常被用作解釋大多數(shù)實(shí)用電容結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)。它由兩個(gè)相互平行放置的導(dǎo)電電極組成，并由絕緣體隔開(kāi)，絕緣體通常是幾種聚合物、陶瓷材料、金屬氧化物、空氣或偶爾的真空中的一種。

這種電容的值，本質(zhì)上是機(jī)械頭腦的“彈簧常數(shù)”，當(dāng)極板之間的分離距離相對(duì)于它們的面積很小時(shí)，可以用下面的公式近似求得。但需要注意的是，按照慣例，機(jī)械彈簧常數(shù)和電容值是用維數(shù)的倒數(shù)表示的;機(jī)械彈簧常數(shù)通常用單位位移的力來(lái)表示(如牛頓每米或磅力每英寸)，而電容值則用單位力的位移來(lái)表示，即庫(kù)侖每伏。

實(shí)際上，板材不需要是平的;卷、折疊、揉皺、堆疊、切片、切丁和切絲的幾何形狀也可以，盡管隨著幾何形狀變得更加復(fù)雜，所涉及的數(shù)學(xué)可能會(huì)變得相當(dāng)混亂。

因此，為了制造一個(gè)具有更大值的電容，可以使用面積更大的板，減少分離距離(即介電材料的厚度)或增加材料的介電常數(shù)。要搞清 ε0 是一件相當(dāng)困難的事情。

但是這個(gè)“介電常數(shù)”到底是什么東西呢?非常好的問(wèn)題; 它本質(zhì)上是材料的一種特性，描述它們?cè)谕饧与妶?chǎng)的存在下，通過(guò)多種機(jī)制中的任何一種，變得電極化的能力。這些機(jī)制可能是在原子水平上，原子原子核周?chē)碾娮釉瓢l(fā)生位移，導(dǎo)致原子的一側(cè)帶有輕微的正電荷，而另一側(cè)則帶有相應(yīng)的負(fù)電荷。它也可以發(fā)生在分子水平上，由于電極性分子的方向變化響應(yīng)于施加的場(chǎng)，或者通過(guò)分子內(nèi)原子之間的鍵的彎曲和拉伸，非常像機(jī)械彈簧中的材料彎曲或拉伸。

假設(shè)原子情況下的電子不會(huì)“被吹走”并與相鄰的原子核重新結(jié)合，并且在分子情況下，分子不會(huì)被電場(chǎng)的力撕裂，那么材料就會(huì)起到絕緣體的作用;當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，它不支持持續(xù)的電荷流動(dòng)，盡管由于電子在原子周?chē)囊苿?dòng)或分子的重定向/扭曲，它確實(shí)有效地允許一些電荷在電場(chǎng)建立時(shí)流動(dòng)。移除外加電場(chǎng)會(huì)讓電介質(zhì)中的電子回到它們所附著的原子核周?chē)恼龖B(tài)分布，或者讓物質(zhì)中的分子回到它們?cè)瓉?lái)的隨機(jī)方向或形狀。在這樣做的過(guò)程中，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)流過(guò)電容的大部分電荷又返回到電路中，以相反的方向流動(dòng)。

材料的(相對(duì))介電常數(shù)描述了材料促進(jìn)這種暫時(shí)電流流動(dòng)的程度，相對(duì)于真空促進(jìn)這種流動(dòng)的程度。在給定的面積、分離距離和施加場(chǎng)強(qiáng)下，允許與真空相同的電荷轉(zhuǎn)移量的材料的介電常數(shù)為1，允許兩倍于真空的電荷轉(zhuǎn)移的材料的介電常數(shù)為2，等等。

不同電容類(lèi)型的細(xì)微差別在很大程度上取決于所使用的電介質(zhì)的特性和構(gòu)造給定器件的方法。所有的介電材料都有局限性，在給定的材料厚度下，它們所能承受的最大外加電場(chǎng)，它們的介電常數(shù)，介電材料和電極中發(fā)生的損耗，以及當(dāng)外加電場(chǎng)恒定時(shí)流過(guò)或“漏出”介電材料的電流的大小。