电场和电容

简介

每当两个分离的导体之间存在电压时，这些导体之间的空间内就会存在电场。在基本电子学中，我们研究电压、电流和电阻的相互作用，因为它们与电路有关，电路是电子可以通过的导电路径。然而，当我们谈论领域时，我们正在处理可以散布在空白空间中的交互。

诚然，“场”的概念有些抽象。至少在电流的情况下，想象称为电子的微小粒子在导体内的原子核之间移动并不困难，但“场”甚至没有质量，根本不需要存在于物质中.

尽管它是抽象的，但几乎我们每个人都对场有直接的经验，至少是以磁铁的形式。你有没有玩过一对磁铁，注意到它们如何根据它们的相对方向相互吸引或排斥？一对磁铁之间存在着不可否认的力，而这种力是没有“实质”的。它没有质量，没有颜色，没有气味，如果不是施加在磁铁上的物理力，它对我们的身体来说是完全感觉不到的。物理学家用磁场来描述磁铁的相互作用 在他们之间的空间里。如果将铁屑放在磁铁附近，它们会沿着磁场线定向，从视觉上表明它的存在。

电场

本章的主题是电场（以及利用它们的称为电容器的设备），而不是磁场，但有许多相似之处。您很可能也经历过电场。本书的第 1 章首先解释了静电，以及蜡和羊毛等材料在相互摩擦时如何产生物理吸引力。同样，物理学家会根据两个物体由于电子不平衡而产生的电场来描述这种相互作用。可以说，只要两点之间存在电压，就会在这些点之间的空间中表现出电场。

场力和场通量

字段有两个度量：一个字段 force 和一个字段 flux . 字段 强制 是场在一定距离内施加的“推”量 . 字段 通量 是通过空间的场的总量或效应 .场力和通量分别大致类似于通过导体的电压（“推动”）和电流（流动），尽管场通量可以存在于完全空的空间中（没有电子等粒子的运动），而电流只能发生有自由电子移动的地方。场通量可以在空间中对抗，就像电子流可以被电阻对抗一样。将在空间中产生的场通量的量与施加的场力的量除以对通量的反对量成比例。正如导电材料的类型决定了导体对电流的特定电阻一样，分隔两个导体的绝缘材料的类型决定了对场通量的特定抵抗。

通常情况下，电子不能进入导体，除非有等量的电子离开的路径（还记得管中弹珠的比喻吗？）。这就是为什么导体必须在圆形路径（电路）中连接在一起才能产生连续电流的原因。然而，奇怪的是，如果允许电场相对于另一个导体在空间中发展，额外的电子可以“挤压”到导体中而没有退出的路径。添加到导体上的额外自由电子（或带走的自由电子）的数量与两个导体之间的场通量成正比。

电容器电场

电容器 是通过将两个导电板（通常是金属）彼此靠近放置来利用这种现象的组件。有许多不同风格的电容器结构，每一种都适合特定的额定值和用途。对于非常小的电容器，将绝缘材料夹在中间的两个圆形板就足够了。对于较大的电容器值，“板”可能是金属箔条，夹在柔性绝缘介质周围并卷起以保持紧凑。最高电容值是通过使用隔离两个导电表面的微观厚度的绝缘氧化物层获得的。但无论如何，总体思路都是一样的：两个导体，由一个绝缘体隔开。

电容器的原理图符号非常简单，只不过是两条由间隙隔开的平行短线（代表极板）。电线连接到相应的板上以连接到其他组件。一个较旧的、过时的电容器示意图符号显示了交错板，这实际上是表示大多数电容器真实结构的更准确方式：

当在电容器的两个极板上施加电压时，它们之间会产生集中的场通量，从而使两个极板之间产生显着的自由电子（电荷）差异：

由于电场是由施加的电压建立的，额外的自由电子被迫收集在负导体上，而自由电子从正导体“抢夺”。这种微分电荷相当于电容器中的能量存储，代表两个极板之间电子的潜在电荷。电容器相对极板上的电子差异越大，场通量越大，电容器储存的能量“电荷”也越大。

由于电容器以电场的形式存储累积电子的势能，因此它们的行为与电路中的电阻器（仅以热量的形式耗散能量）完全不同。电容器中的能量存储是板间电压的函数，以及我们将在本章后面讨论的其他因素。电容器根据电压（两条引线之间的电位差）存储能量的能力导致试图将电压保持在恒定水平的趋势。换句话说，电容器倾向于抵制变化 在电压。当电容器两端的电压增加或减少时，电容器通过从电压变化源汲取电流或向电压变化源提供电流来“抵抗”变化，与变化相反。

为了在电容器中存储更多能量，必须增加电容器两端的电压。这意味着必须将更多电子添加到 (-) 板上并从 (+) 板上带走更多电子，从而需要在该方向上产生电流。相反，要从电容器释放能量，必须降低其两端的电压。这意味着 (-) 板上的一些多余电子必须返回到 (+) 板上，从而需要另一个方向的电流。

正如艾萨克牛顿的第一运动定律（“运动中的物体倾向于保持运动；静止的物体倾向于保持静止”）描述了质量对抗速度变化的趋势，我们可以陈述电容器的趋势反对这样的电压变化：“充电的电容器往往保持充电；放电的电容器往往会保持放电状态。”假设一个电容器保持不变将无限期地保持它留下的任何电压电荷状态。只有外部的电流源（或漏）才能改变完美电容器存储的电压电荷：

然而，实际上，由于电子从一个板流到另一个板的内部泄漏路径，电容器最终将失去其存储的电压电荷。根据电容器的具体类型，存储的电压电荷自耗散所需的时间可能很长 时间（电容器放在架子上好几年！）。

当电容器两端的电压增加时，它会从电路的其余部分汲取电流，充当电源负载。在这种情况下，电容器被称为充电 ，因为在其电场中存储的能量越来越多。注意与电压极性有关的电子电流方向：

相反，当电容器两端的电压降低时，电容器向电路的其余部分提供电流，充当电源。在这种情况下，电容器被称为放电 .随着能量释放到电路的其余部分，它在电场中储存的能量正在减少。请注意与电压极性有关的电流方向：

如果电压源突然施加到未充电的电容器上（电压突然增加），电容器将从该源汲取电流，从中吸收能量，直到电容器的电压等于源的电压。一旦电容器电压达到这个最终（充电）状态，它的电流就会衰减到零。相反，如果负载电阻连接到已充电的电容器，则电容器将向负载提供电流，直到它释放所有存储的能量并且其电压衰减到零。一旦电容器电压达到这个最终（放电）状态，它的电流就会衰减到零。就充电和放电的能力而言，电容器可以被认为有点像二次电池。

如前所述，板之间绝缘材料的选择对在板上施加任何给定电压时产生的场通量（以及由此产生的电荷量）有很大影响。由于这种绝缘材料在影响场通量方面的作用，它有一个特殊的名称：dielectric .并非所有介电材料都是相同的：材料抑制或促进电场通量形成的程度称为介电常数 电介质。

测量电容器在给定电压降下储存能量的能力称为电容 .毫不奇怪，电容也是对电压变化的抵抗强度的量度（确切地说，对于给定的电压变化率，它将产生多少电流）。电容用大写“C”象征性地表示，以法拉为单位，缩写为“F”。

出于某种奇怪的原因，惯例在大电容的测量中倾向于使用公制前缀“微”，因此许多电容器的额定值都是令人困惑的大微法拉值：例如，我见过的一个大电容器的额定值为 330,000 微法拉！ ！为什么不将其表述为 330 毫法拉？我不知道。

电容器的过时名称

一个过时的电容器名称是 condenser 或 冷凝器 . 这些术语未在任何新书或示意图中使用（据我所知），但在较旧的电子文献中可能会遇到它们。或许“冷凝器”这个词最著名的用法是在汽车工程中，在这种情况下，一个被称为该名称的小电容器被用来减轻机电点火系统中开关触点（称为“点”）上的过度火花。

评论：

• 电容器通过在必要的方向上提供或汲取电流来对抗电压变化。
• 当电容器面临升高的电压时，它充当负载 ：在储存能量时吸收电流（电流从正极流入负极，就像电阻一样）。
• 当电容器面临下降的电压时，它充当源 ：在释放储存的能量时提供电流（电流从正极流出，在负极流出，就像电池一样）。
• 电容器以电场形式储存能量（从而抵抗电压变化）的能力称为电容 .它以法拉为单位测量 (F)。
• 电容器过去常被称为另一个术语：冷凝器 （也可以拼写为“condensor”）。