电容器的特性

电容器的特性 电容器的特性 器的特性，其次亦會詳細解釋一下電容器的運作。 各位還記得上一期將電容器儲電及放電的實驗嗎？有沒有想過為何實驗結果會是這樣呢？在解釋這個結果之前，筆者必須講解另一個重要的課題──電位能（Electric potential energy）。 不知道各位有沒有見過公園的瀑布水池呢？水流會由瀑布的頂部流到下面的水池或河流，這情景可以描述為水流由上而下的流動過程中，水流將本身的位能 （Potential energy）釋放出來。在電子線路的情形也是一樣。舉例說，在電子線路內每當電流由電池流經線路內每個元件的時候，電流內的電荷（Electrical charges）便能將所載的能量消耗在該元件內，情形就好比瀑布裡的水流經由某個高度流到另一個較低的位置一樣。而最後，當電流通過所有元件之後，電荷內的所有電位能便完全消耗掉，情形就好比瀑布的水到達水池或河流。 在物理學的定義裡，電位能的單位為焦耳（Joules）。而日常生活中所說的電壓（Voltage），所描述的是電流內每個電荷所?載的電位能（Joules per coulomb）。對電位能和電壓有所認識，才可以進一步解說電容器的運作。 在上一期的實驗裡，當電流流經電容器的時候，電容器會阻隔電流之餘亦會將正電荷儲起。隨著電容器的電壓跟電池的電壓變得接近時，電流便會漸漸減弱，亦令 LED的光線漸漸減弱。而到最後電流停止， LED的光線亦會隨之消失。這時候，電容器的正極便會儲存了正電荷，而負極便儲存了負電荷。將電池掉換為電阻器之後，由於線路裡再沒有其他電源或元件擁有 同樣的電壓，因此電容器內的正電荷便會向外流出，形成電流，遂令LED再次短暫發光。當正電荷流到電容器的負極時，會中和當中的負電荷。而當電容器的兩極 電壓變得相等時，亦代表所有正電荷經已完全流出，因此電流再度停止，令LED的光線又再一次消失。   圖右 : 將上期的實驗簡化為圖 a ) 那樣。電池不斷放出電流 圖 b) ，直到電容兩極間的電壓相等 圖 c) 。然後將電池拿走，換作電阻器。於是電流再一次出現，由電容器的正極流向負極 圖 d)。當電容器兩極電壓變得相等時，電流便消失 圖 e)。 至於電容器能夠儲存電荷，乃是因為兩塊金屬片之間並沒有任何導電體相連。而兩塊金屬片之間的電位能不同（兩塊金屬片正好連接電池的兩端），於是當電 流到達金屬片時電荷便會停留在金屬片上，即使之後再沒有任何電流到達金屬片，電荷仍不會流走，而能量便以電場（Electric field）的形式儲在電容器內。 解答了上期所問的問題後，接下來會再進一步深入介紹電容的特性。量度電容器能儲存電荷的容量的數值稱為電容值或電容量，單位為法拉（F）。在實際電 子線路應用上，通常只會用pF或μF（p=10-9,μ=10-12）。電容值的大小，會受以下因素影響： 1. 電容的結構： 1. 電容的結構： 電容器由兩塊金屬片組成。金屬片的面積和兩塊金屬片之間的距離都會影響電容值。從圖可以看到，若是將兩塊金屬片的面積加大，由於儲存電荷的空間加大了，電容值就會隨之而增加；相反，若果增加兩塊金屬片之間的距離，令兩塊金屬片之間的電場強度減弱，電容值便會減少。 C為電容值，A為金屬片面積，d為兩塊金屬片之間的距離：(a) 若A增加三倍，C亦會增加三倍；(b) 若d增加三倍，C便會減少三倍。） 2. 電介質/介電（Dielectrics）： 雖然兩塊金屬片之間沒有導電體連接，但仍隔著一層絕緣體，稱之為電介質或介電材料，常用的物料包括陶瓷、雲母、玻璃、塑料和各種金屬氧化物。使用不同材料 會令兩塊金屬片之間的電場改變，直接影響到電容值的大小。每種電介質/介電材料都有一個介電常數，用來量度它對電場的影響程度。 今期的內容可能較為學術性，對部份讀者來說較為深奧。但讀者需要明白，電子學也是科學的一種，任何實驗結果背後都有一套理論去解釋這些現象。因此， 筆者為大家解答疑問的時候，少不免需要接觸到一些科學理論。讀者遇到不明白的地方，可以向校內的有關老師求教。筆者日後會繼續努力，以生動的方式講解各種 有關電子學的理論。