2.1 电容器的基本概念

电容器是储存电荷的专用容器，下面先介绍电容器存储电荷的原理。

2.1.1 电容器存储电荷的原理

1.电子运动特点

最简单的电容器是由两片平行靠近又相互绝缘的铝片构成，如图2-1所示。两片铝片是电容器的两个极板，铝片上连接的导线是电极，两铝片之间的空气是这个电容器的电介质，简称介质。下面就从电学有关基础知识开始，介绍电容器储存电荷的原理。

自然界有两种电荷，一种叫正电荷，另一种叫负电荷，电子带的电荷是负电荷，质子带的电荷是正电荷。同性电荷之间有相互排斥力，异性电荷之间有相互吸引力，如图2-2所示。电荷这一特点常简称为同性相斥，异性相吸。电荷显电性，使它周围产生电场，电荷之间的作用力就是通过电场发生的。

导体中存在着自由运动的电子，将一段铜丝里电子的无规则运动放大，如图2-3（a）所示，其中黑点代表电子，箭头表示电子运动方向。导体中电子在受到外电场作用时，无规则运动将变为有规则运动，如图2-3（b）所示。在铜丝两端加一节电池时，电池电压就在铜丝两端产生电场，使电子沿逆电场方向在导体内从左向右运动，形成电流，这表明导体导通电流是靠自由电子定向运动实现的。

2.电容器充电的过程

图2-4（a）中开关S未闭合时，A极板上有质子带的正电荷和电子带的负电荷，B极板上同样有正电荷和负电荷。

开关S闭合以后，A极板就通过导线、开关与电源E的负极连接，B极板通过导线与电源正极连接。由于电池正极聚集大量正电荷，就将导线ab中的负电荷吸到a端来，b端就剩下正电荷，在导线b端正电荷作用下，又将B极板中负电荷吸出来，B极板就只剩下正电荷。这一过程实质是在电源电压的作用下，使B极板中的电子源源不断地沿导线从b端向a端运动到电池正极。B极板中负电荷减少，等于正电荷增多。根据同样的静电感应原理，电池负极的电子也通过导线和开关源源不断地运动到A极板上，使A极板上负电荷增多。这一过程常称为给电容器充电。可以理解为向电容器A极板充入负电荷，向B极板充入正电荷。充电的结果是A极板上聚集负电荷，B极板上聚集正电荷，这就是电容器储存电荷的原理。

2.1.2 电容器及其图形符号

1.电容器元件

如图2-5所示为各种电容器突物图形，供读者认识。

2.电容器的图形符号

为了表达电容器时简便快捷、标准统一，规定了电容器的图形符号，如图2-6所示。

电容器图形符号的规定与中国象形字一样，既形象地表达了结构，也表达了电容器的原理。如图2-6（a）所示的两条平行竖线表示两个相互绝缘的平行极板，左右两条横线代表电容器的两个电极，这是普通电容器的图形符号。这样的图形符号，便于形象记忆。

为了加深认识，请在图1-5中查看编号为C1、C3、C4、C5、C6的五个图形符号，它们都与图2-6（a）的图形符号相同，代表五个普通电容器。

图2-6（b）所示是电解电容器的图形符号，与普通电容器的图形符号不同，这种符号的含意将在2.3.2节中讲述，这里仅对图形符号及名称进行介绍。图1-5中C2的图形符号就代表一个电解电容器。

图2-6（c）所示的图形符号代表一种可调电容器；图2-6（d）所示的图形符号代表无极性电解电容器；图2-6（e）所示的图形符号代表穿心电容器。

2.1.3 电容器的电容量及其单位

电容器的电容，是指两极板电压增加1V需充入的电量。需充的电量越多，电容器的电容就大；反之，则小。电容器的电容主要表现在电特性和结构特性两方面。

1.电特性

（1）电子电量。电子是肉眼看不见的带电微粒，带有最小负电荷。质子带有最小正电荷。两者所带电量的绝对值相等。

一个电子的电量叫原电荷，用“e”表示，e=1.6×10−19C。电容器充电后，每个极板上充入电荷的总电量常用Q 表示，可知 Q 是e 的整数倍。这就明确了“一个电子电量”与电容器“一个极板上总电量”的区别。

在图2-4中，若A极板上充入了6.25×1018 个电子，总电量就是（1.60×10−19）×（6.25×1018）=1C，即为1C的负电荷电量。同理，B极板上就充入1C的正电荷总电量。当A、B极板都充满了电荷后，两极板间就建立起一定电压，电压的大小等于给电容器充电的电源电压。

（2）电容。从电原理上讲，电容是电容器一个极板上的电量与两极板间电压的比值，常用C表示。在图2-4中，若用QA表示A极板上的电量，用UBA表示两极板间的电压，那么这个电容器的电容就可表达为

式中，C的单位为F；QA的单位为C；UBA的单位为V。

如果某电容器一个极板的电量是1C，两极板间的电压为1V，容量就是：

要指出，电容没有负值，计算时应取电量、电压的绝对值。

由于电容器只有先充电，两极板间才能形成电场和产生电压，随着充电的进行，极板上的电荷越聚越多，电场逐渐增强，电压越来越大，因此也可以说，电容器的电容与一个极板上的电量Q成正比，与两极板间的电压U成反比。

2.结构特性

从结构上讲，电容器的电容与两极板的面积成正比，与绝缘介质的介电常数成正比，与两极板之间的距离成反比。结合图2-4所示容易理解，A极板和B极板的面积越大，充电时极板上就能聚集更多电荷，电容也就越大；若两个极板的面积较小，聚集的电荷就少，电容也就小。

再来分析电容与介电常数的关系。首先必须明确绝缘物质、绝缘介质、介电常数的含意。电容器两极板之间一般都夹着某种绝缘物质，绝缘物质介于两极板之间，常称为“绝缘介质”，简称“介质”。图2-4中电容器的介质是“纯净空气”。实际电容器的介质有多种，如聚苯乙烯薄膜﹑云母等。

介电常数是介质具有的属性，依据介质材料不同而不同，表2-1列出了几种介质的介电常数。

介电常数对电容器的性能有一定影响，如影响极板对电荷的作用力、影响电容器的电容、能够改变电容器的损耗等。绝缘物质的介电常数越大，电容越大，对电能的损耗越小，电场对电荷的作用力越小，电容器的耐压也能提高。因此，在其他条件相同时，选用介电常数大一些的电容器为好。

仍以图2-4来说明，当电容器极板之间充满潮湿埃尘的空气时，由于湿尘空气的介电常数较小，电容器A极板上负电荷就会通过湿尘空气“跑”到B极板上，B极板上正电荷也会通过湿尘空气“跑”到A极板上，结果使电容器极板上储存的电荷数量减少，导致电容变小，形成损耗。可见，介质的介电常数小，电容器的电容就小；介质的介电常数大，电容器的电容就大。介电常数常用ε表示。

另外，电容器两极板储存电荷的数量，在一定程度上与两极板正负电荷的相互吸引力有关，吸引力越大，极板上拥聚的电荷数就越多，电容就越大。如果将两极板距离拉开，两极板上正负电荷的相互作用力将变小，电容就变小。这表明电容器的容量与极板间的距离有关，极板间距离常用d表示。

综上所述，电容器的电容又可用数学表达式定义为

式中，C 的单位为F；ε 为介电常数；S 表示电容器极板面积，单位为m2；d 表示两极板的距离，单位为cm。

最后指出一点，“电容”一词在不同场合具有不同含义。“这个电容是多大的”，此句中的“电容”是描述“电容量”大小；“拿一个电容过来”，此句中的“电容”是指“电容器”这一元件。

电容器产品的极板面积、绝缘介质、极板距离都是确定的，电容结构基本固定，因此一般情况下不讨论电容结构。在实际应用中，电容器两极的电压是随具体应用条件改变，所以多讨论它的电特性。

3.电容的单位

在国际单位制中，电容的基本单位是F。

通常使用的电容器，电容一般没有1F这么大，多为1F的十万分之几或更小。因此F这个单位不便实际应用，常采用比F小的单位：mF、μF、nF、pF。这些单位的关系是：

1F=1000mF=103mF

1mF=1000μF=103μF

1μF=1000nF=103nF

1nF=1000pF=103pF

实际中常用的单位是μF与pF。

2.1.4 电容器的型号与标记

1.电容器型号的命名方法

电容器的型号由四部分字母或数字组成，各部分的意义如下。

第一部分为主称。规定用C表示电容器，标记在型号的最前面，以区别于用R表示的电阻器及区别于其他电子元件。

第二部分为种类。用一个或两个字母标记在型号的主称之后，表示电容器制造材料的种类。常用字母表示的介质材料见表2-2。

第三部分为分类。一般用数字（少数用字母）标记在型号的种类之后，表示电容器的类别。常用数字或字母的意义见表2-3。

第四部分为序号。常用一位数字标记在型号的分类之后，表示电容器材料相同，尺寸、性能指标接近的序列产品。若制造材料相同，而尺寸、性能指标（括耐压、电容、误差等）有较大差别，就在序号后面附加一个字母来区别，该字母也属序号的组成部分。

2.电容器外表的标记

型号常标记在电容器表面的首行，以便认识和选用。下面结合图2-7所示的电容器对其型号及标记方法作具体说明。图中，型号的第一部分字母C表示元件主称—电容器；第二部分字母D表示材料种类—铝电解；第三部分数字2表示类别—箔式；第四部分数字1表示序号—产品技术指标，由厂商备有。

电容器表面的标记，除首行表示型号外，其余标记的字符、数字表示电容、耐压、耐温、电容误差等级等参数。