一文读懂：电容器的基础知识
电容器是一种可储存电能的元件（储能元件），通常简称为电容，其储存电荷的多少称为容量。电容器可分为固定电容器与可变电容器，固定电容器的容量不能改变，而可变电容器的容量可采用手动方式调节。
01结构、外形与符号
电容器是一种可以储存电荷的元器件。相距很近且中间隔有绝缘介质（如空气、纸和陶瓷等）的两块导电极板就构成了电容器。固定电容器的结构、外形与电路符号如图1所示。
图1 电容器
02 主要参数
电容器主要参数有标称容量、允许误差、额定电压和绝缘电阻等。
（1）容量与允许误差
电容器能储存电荷，其储存电荷的多少称为容量。这一点与蓄电池类似，不过蓄电池储存电荷的能力比电容器大得多。电容器的容量越大，储存的电荷越多。电容器的容量大小与下面的因素有关。
① 两导电极板相对面积。相对面积越大，容量越大。
② 两极板之间的距离。极板相距越近，容量越大。
③ 两极板中间的绝缘介质。在极板相对面积和距离相同的情况下，绝缘介质不同的电容器，其容量不同。
电容器的容量单位有法拉（F）、毫法（mF）、微法（µF）、纳法（nF）和皮法（pF），它们的关系是
1F=103mF=106µF=109nF=1012pF
标注在电容器上的容量称为标称容量。允许误差是指电容器标称容量与实际容量之间允许的最大误差范围。
（2）额定电压
额定电压又称电容器的耐压值，它是指在正常条件下电容器长时间使用两端允许承受的最高电压。一旦加到电容器两端的电压超过额定电压，两极板之间的绝缘介质容易被击穿而失去绝缘能力，造成两极板短路。
（3）绝缘电阻
电容器两极板之间隔着绝缘介质，绝缘电阻用来衡量绝缘介质的绝缘程度。绝缘电阻越大，表明绝缘介质绝缘性能越好，如果绝缘电阻比较小，绝缘介质绝缘性能下降，就会出现一个极板上的电流会通过绝缘介质流到另一个极板上，这种现象称为漏电。由于绝缘电阻小的电容器存在着漏电，故不能继续使用。
一般情况下，无极性电容器的绝缘电阻为无穷大，而有极性电容器（电解电容器）绝缘电阻很大，一般达不到无穷大。
03 性质
电容器的性质主要有“充电”、“放电”和“隔直”、“通交”。
（1）电容器的“充电”和“放电”性质
“充电”和“放电”是电容器非常重要的性质，下面以图3-2所示的电路来说明该性质。
图2 电容充、放电性质说明图
电容器充、放电性质说明
•充电
在图2（a）所示电路中，当开关S1闭合后，从电源正极输出电流经开关S1流到电容器的金属极板E上，在极板E上聚集了大量的正电荷，由于金属极板F与极板E相距很近，又因为同性相斥，所以极板F上的正电荷受到很近的极板E上正电荷的排斥而流走，这些正电荷汇合形成电流到达电源的负极，极板F上就剩下很多负电荷，结果在电容器的上、下极板就储存了大量的上正下负的电荷（注：在常态时，金属极板E、F不呈电性，但上、下极板上都有大量的正负电荷，只是正负电荷数相等呈中性）。
电源输出电流流经电容器，在电容器上获得大量电荷的过程称为电容器的“充电”。
•放电
在图2（b）所示电路中，先闭合开关S1，让电源对电容器C充得上正下负的电荷，然后断开S1，再闭合开关S2，电容器上的电荷开始释放，电荷流经的途径是：电容器极板E上的正电荷流出，形成电流→开关S2→电阻R→灯泡→极板F，中和极板F上的负电荷。大量的电荷移动形成电流，该电流经灯泡，灯泡发光。随着极板E上的正电荷不断流走，正电荷的数量慢慢减少，流经灯泡的电流减小，灯泡慢慢变暗，当极板E上先前充得的正电荷全放完后，无电流流过灯泡，灯泡熄灭，此时极板F上的负电荷也完全被中和，电容器两极板上先前充得的电荷消失。
电容器一个极板上的正电荷经一定的途径流到另一个极板，中和该极板上负电荷的过程称为电容器的“放电”。
电容器充电后两极板上储存了电荷，两极板之间也就有了电压，这就像杯子装水后有水位一样。电容器极板上的电荷数与两极板之间的电压有一定的关系，具体可这样概括：在容量不变情况下，电容器储存的电荷数与两端电压成正比，即
Q=CU
Q表示电荷数（单位：库仑），C表示容量（单位：法拉），U表示电容器两端的电压（单位：伏特）
这个公式可以从以下几个方面来理解。
① 在容量不变的情况下（C不变），电容器充的电荷越多（Q增大），两端电压越高（U增大）。这就像杯子大小不变时，杯子中装的水越多，杯子的水位越高一样。
② 若向容量一大一小的两只电容器充相同数量的电荷（Q不变），那么容量小的电容器两端的电压更高（C小U大）。这就像往容量一大一小的两只杯子装入同样多的水时，小杯子中的水位更高一样。
（2）电容器的“隔直”和“通交”性质
电容器的“隔直”和“通交”是指直流不能通过电容器，而交流能通过电容器。下面以图3所示的电路来说明电容器的“隔直通交”性质。
图3 电容器“隔直通交”性质说明图
电容器“隔直通交”性质说明
•隔直
在图3（a）所示电路中，电容器与直流电源连接，当开关S闭合后，直流电源开始对电容器充电，充电途径是：电源正极→开关S→电容器的上极板获得大量正电荷→通过电荷的排斥作用（电场作用），下极板上的大量正电荷被排斥流出形成电流→灯泡→电源的负极，有电流流过灯泡，灯泡亮。随着电源对电容器不断充电，电容器两端电荷越来越多，两端电压越来越高，当电容器两端电压与电源电压相等时，电源不能再对电容器充电，无电流流到电容器上极板，下极板也就无电流流出，无电流流过灯泡，灯泡熄灭。
以上过程说明：在刚开始时直流可以对电容器充电而通过电容器，该过程持续时间很短，充电结束后，直流就无法通过电容器，这就是电容器的“隔直”性质。
•通交
在图3（b）所示电路中，电容器与交流电源连接，交流电的极性是经常变化的，故图3-3（b）中的交流电源的极性也是经常变化的，一段时间极性是上正下负，下一段时间极性变为下正上负。开关S闭合后，当交流电源的极性是上正下负时，交流电源从上端输出电流，该电流对电容器充电，充电途径是：交流电源上端→开关S→电容器→灯泡→交流电源下端，有电流流过灯泡，灯泡发光，同时交流电源对电容器充得上正下负的电荷；当交流电源的极性变为上负下正时，交流电源从下端输出电流，它经过灯泡对电容反充电，电流途径是：交流电源下端→灯泡→电容器→开关S→交流电源上端，有电流流过灯泡，灯泡发光，同时电流对电容器反充得上负下正的电荷，这次充得的电荷极性与先前充得的电荷极性相反，它们相互中和抵消，电容器上的电荷消失。当交流电源极性重新变为上正下负时，又可以对电容器进行充电，以后不断重复上述过程。
从上面的分析可以看出，由于交流电源的极性不断变化，使得电容器充电和反充电（中和抵消）交替进行，从而始终有电流流过电容器，这就是电容器“通交”性质。
（3）电容器对交流有阻碍作用
电容器虽然能通过交流，但对交流也有一定的阻碍，这种阻碍称之为容抗，用XC表示，容抗的单位是欧姆（Ω）。在图4电路中，两个电路中的交流电源电压相等，灯泡也一样，但由于电容器的容抗对交流阻碍作用，故图（b）中的灯泡要暗一些。
图4 容抗说明图
电容器的容抗与交流信号频率、电容器的容量有关，交流信号频率越高，电容器对交流信号的容抗越小，电容器容量越大，它对交流信号的容抗越小。在图4（b）电路中，若交流电频率不变，当电容器容量越大，灯泡越亮；或者电容器容量不变，交流电频率越高灯泡越亮。这种关系可用下式表示：
式中，XC表示容抗，f 表示交流信号频率，π为常数3.14。
在图4（b）电路中，若交流电源的频率f =50Hz，电容器的容量C=100µF，那么该电容器对交流电的容抗为：
04 极性
固定电容器可分为无极性电容器和有极性电容器。
（1）无极性电容器
无极性电容器的引脚无正、负极之分。无极性电容器的电路符号如图5（a）所示，常见无极性电容器外形如图5（b）所示。无极性电容器的容量小，但耐压高。
图5 无极性电容器
（2）有极性电容器
有极性电容器又称电解电容器，引脚有正、负之分。有极性电容器的电路符号如图6（a）所示，常见的有极性电容器外形如图6（b）所示。有极性电容器的容量大，但耐压较低。
图6 有极性电容器
有极性电容器引脚有正负之分，在电路中不能乱接，若正负位置接错，轻则电容器不能正常工作，重则电容器炸裂。有极性电容器正确的连接方法是：电容器正极接电路中的高电位，负极接电路中的低电位。有极性电容器正确和错误的接法分别如图7所示。
图7 有极性电容器在电路中的正确与错误连接方式
（3）有极性电容器的极性判别
由于有极性电容器有正负之分，在电路中又不能乱接，所以在使用有极性电容器前需要判别出正、负极。有极性电容器的正、负极判别方法如下。
方法一：对于未使用过的新电容，可以根据引脚长短来判别。引脚长的为正极，引脚短的为负极，如图8所示。
方法二：根据电容器上标注的极性判别。电容器上标“+”为正极，标“–”为负极，如图9所示。
图8 引脚长的引脚为正极
图9 标“－”的引脚为负极
方法三：用万用表判别。万用表拨R×10k挡，测量电容器两极之间阻值，正反各测一次，每次测量时表针都会先向右摆动，然后慢慢往左返回，待表针稳定不移动后再观察阻值大小，两次测量会出现阻值一大一小，以阻值大的那次为准，如图10（b）所示，黑表笔接的为正极，红表笔接的为负极。
图10 用万用表检测电容器的极性
05 种类
固定电容器种类很多，按应用材料可分为纸介电容器（CZ）、高频瓷片电容（CC）、低频瓷片电容（CT）、云母电容（CY）、聚苯乙烯薄膜电容（CB）、玻璃釉电容（CI）、漆膜电容（CQ）、玻璃膜电容（CO）、涤纶薄膜电容（CL）、云母纸电容（CV）、金属化纸电容（CJ）、复合介质电容（CH）、铝电解电容（CD）、钽电解电容（CA）、铌电解电容（CN）、合金电解电容（CG）和其他材料电解电容（CE）等。
不同材料的电容器有不同的结构与特点，一些常见种类的电容器结构与特点见表1。
表1 常见种类的电容器
06 串联与并联
在使用电容器时，如果无法找到合适容量或耐压的电容器，可将多个电容器进行并联或串联来得到需要的电容器。
（1）电容器的并联
两个或两个以上电容器头头相连、尾尾相接称为电容器并联。电容器的并联如图11所示。
图11 电容器的并联
电容器的并联说明
电容器并联后的总容量增大，总容量等于所有并联电容器的容量之和，以图11（a）电路为例，并联后总容量：
电容器并联后的总耐压以耐压最小的电容器的耐压为准，仍以图11（a）电路为例，C1、C2、C3耐压不同，其中C1的耐压最小，故并联后电容器的总耐压以C1耐压6.3V为准，加在并联电容器两端的电压不能超过6.3V。
根据上述原则，图11（a）的电路可等效为图11（b）所示电路。
（2）电容器的串联
两个或两个以上电容器在电路中头尾相连就是电容器的串联。电容器的串联如图12所示。
图12 电容器的串联
电容器的串联说明
电容器串联后总容量减小，总容量比容量最小电容器的容量还小。电容器串联后总容量的计算规律是：总容量的倒数等于各电容器容量倒数之和，这与电阻器的并联计算相同，以如图12（a）电路为例，电容器串联后的总容量计算公式是：
所以图12（a）电路与图12（b）电路是等效的。
电容器串联后总耐压增大，总耐压较耐压最低电容器的耐压要高。在电路中，串联的各电容器两端承担的电压与容量成反比，即容量越大，在电路中承担电压越低，这个关系可用公式表示：
以图12（a）所示电路为例，C1的容量是C2容量的10倍，用上述公式计算可知，C2两端承担的电压U2应是C1两端承担电压U1的10倍，如果交流电压为11V，则U1=1V，U2=10V，若C1、C2都是耐压为6.3V的电容器，就会出现C2首先被击穿短路（因为它两端承担了10V电压），11V电压马上全部加到C1两端，接着C1被击穿损坏。
当电容器串联时，容量小的电容器应尽量选用耐压大的，以接近或等于电源电压为佳，因为当电容器串联在电路中时，容量小的电容器在电路中承担的电压较容量大的电容器承担电压大得多。
