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電容器的特性

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今期筆者將會延續上期,為讀者介紹電容器的特性,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/介電材料(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。下期筆者會繼續談論電子元件的應用。


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