基本電學 Ⅰ Ch05

 5-1 電容器 

5-1-1 電容器構造符號及充電原理

平行極板電容器之構造如圖5-1-1(a)所示，兩只金屬板平行放置，中間填充絕緣之介質，即形成電容器。其符號如圖5-1-1(b)所示。 

將電容器接於直流電源上，如圖5-1-2所示，電容器之金屬極板原本是中性不帶電狀態，當其接於直流電源時，由於電源負極係充滿甚多帶負電之電子（故帶負電），電源正極係失去甚多帶負電之電子（故帶正電），當SW閉合，直流電源之正負兩極連接到電容器後，電源負極有很多電子會流向B極板。同理，A極板亦會有相對之電子流向電源正極，此時電容器之A極板即帶正電荷，而B極板帶等量之負電荷，由於極板間之介質為絕緣，極板上之電荷不會移動。上述之電子流動現象一直持續至電容器兩極板之電位差等於電源兩極之電位差，電子才會停止流動，此過程即為電容器之充電現象。

圖5-1-2  電容器充電之電子流情形

若將SW切斷，如圖5-1-3(a)所示，兩極板之充電電荷仍然保留在兩極板上靜止不動，所以說電容器可以儲存靜電荷，也就是此道理。

將充電完畢的電容器之電源移開，並將此電容器連接到一只電燈，如圖5-1-3(b)所示。若將SW閉合，此時電容器為電源，電燈為負載，電容器會將原來充電的電量釋放出來，使電燈發亮。在放電瞬間電流（I）最大，電燈最亮；隨著放電時間增長，放電電流（I）逐漸減小，電燈逐漸變暗；當電容器電量放完，電燈完全不亮。照相機的閃光燈就是利用上述電容器之充放電原理。

5-1-2 電容器的種類

電容器可分為固定電容器和可變電容器兩大類。

1.固定電容器：一般依介質材料分類有下列幾種：
(1)金屬膜電容器（metal film capacitor）：如圖5-1-4(a)所示。
(2)電解質電容器（electrolytic capacitor）：如圖5-1-4(b)所示。
(3)塑膠膜電容器（plastic film capacitor）：如圖5-1-4(c)所示。
(4)雲母電容器（mica capacitor）：如圖5-1-4(d)所示。
(5)陶瓷電容器（ceramic capacitor）：如圖5-1-4(e)所示。

2.可變電容器：其符號如圖5-1-5(a)所示。當電路需要調節大小時，例如收音機用可調電容器來選擇電臺。其實體圖如圖5-1-5(b)所示。

圖5-1-6  電容器有極性與無極性判別

圖5-1-7  電容器有極性和無極性與電源連接圖

 5-2 電容量 

5-2-1 介電係數、介電常數及平行電容器電容量之計算

電容器之電容量（capacitance, C），即電容器極板充電電量（庫侖）比上兩極板之電位差（伏特）。

電容量之單位為法拉（F）。而1F＝10⁶μF＝10¹²pF。

5-2-2 電容器串聯組合

5-2-3 電容器並聯組合

1. V ₁＝V ₂＝V ₃＝E，電容器並聯，各電容器充電電壓相同。
2. Q 與C 成正比（因Q＝CV）。
3.等值電容量如公式（5-2-7），電容器並聯可增大電容量，但不會增大耐壓。

 5-3 電場與電位 

5-3-1 庫侖靜電定律

兩帶電體放置在介質中，彼此間有一作用力存在，稱為靜電力（static electric force），此作用力大小，與兩帶電體之帶電量乘積成正比，與兩者電荷中心距離的平方成反比，稱為庫侖靜電定律。

5-3-2 電場與電場強度

帶電荷球體周圍所建立之電場為其電力作用所及之空間，電場具有能量，但是卻看不到、摸不著，一般藉由電力線概念來描述。電力線之特性可歸納如下：

1.電力線由正電荷發出，而終止於負電荷。
2.電力線方向就是電場的方向。
3.電力線較密的空間，其電場強度較強。
4.每條電力線皆垂直於帶電體之表面。

將電荷Q 置放在電場中，必受電場之影響而產生作用力F，可應用此原理，推算出電場強度大小，即單位正電荷在電場中某一點所受的作用力，稱為該點之電場強度（E）。

5-3-3 介質強度

介質強度可定義為介質每單位厚度承受之最大電壓而不會破壞其絕緣特性。介質強度單位為百萬伏特/公尺（MV/m）。

表5-3-1  各種介質之介質強度

5-3-4 電通密度與電場強度關係

電通密度（electric flux density, D）為單位面積垂直貫穿之電力線數，此電力線數以Ψ表示之。依高斯定理，任何帶電體其發射或吸收之電力線數恆等於其帶電量Q，即Ψ＝Q。

電通密度與電場強度成正比，帶電體若有尖端之處其電通密度最高，亦即電場強度最強、最容易放電之位置。 

5-3-5 電位及電位差

如圖5-3-14(a)所示，在＋Q 所建立的電場中置一只＋Q_A，若將＋Q_A 順電場方向移動，其為做功而釋放出能量，而使其電位降低。

反之，如圖5-3-14(b)所示，若使＋Q_A 逆電場方向移動，則必須對＋Q_A做功而儲存能量於＋Q_A，而使其電位升高。

A、B兩點間之電位差，如圖5-3-15所示，係將＋Q_A自B點移至A點所需的功。

5-3-6 電容器儲存能量

圖5-3-17所示為電容器充電過程Q 與V 之關係曲線，係呈現一線性關係，而該直線之斜率即為此電容器之電容量，即C ＝Q /V。而此直線下方之三角形面積即為電容器所儲存的能量，如公式（5-3-11）所示。