第1节 电场和电容(修订中)
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# 1. 介绍
每当两个分离的导体之间存在电压时，这些导体之间的空间内就会存在电场。在基础电子学中，我们研究与电路相关的电压、电流和电阻 (opens new window)的相互作用，电路是电子可以通过的导电路径。然而，当我们谈论字段时，我们正在处理可以散布在空白空间中的交互。
诚然，“场”的概念有些抽象。至少在电流的情况下，不难想象称为电子的微小粒子在导体内的原子核之间移动，但“场”甚至没有质量，根本不需要存在于物质中.
尽管它具有抽象性，但几乎我们每个人都对场有直接的经验，至少以磁铁的形式。你有没有玩过一对磁铁，注意到它们如何根据它们的相对方向相互吸引或排斥？一对磁铁之间存在着不可否认的力量，而这种力量是没有“实质”的。它没有质量，没有颜色，没有气味，如果不是因为施加在磁铁本身上的物理力，它对我们的身体完全没有感觉。物理学家根据磁体之间空间中的_磁场 (opens new window)_来描述磁体的相互作用。如果将铁屑放在磁铁附近，它们会沿着磁场线定向，直观地表明它的存在。
# 2. 电场
本章的主题是电场（以及利用它们的称为电容器的设备），而不是磁场，但有许多相似之处。您很可能也经历过电场。本书第 1 章首先解释了静电，以及蜡和羊毛等材料在相互摩擦时如何产生物理吸引力。同样，物理学家会用两个物体由于电子不平衡而产生的电场来描述这种相互作用。可以这么说，只要两点之间存在电压，就会在两点之间的空间中出现电场。
# 3. 场力和场通量
场有两种度量：场**力和场通量**。场**力**是场在一定距离内施加的“推动”量。场通量是通过空间的场的总量或效应. 场力和通量大致类似于通过导体的电压（“推”）和电流（流动），尽管场通量可以存在于完全空白的空间中（没有电子等粒子的运动），而电流只能发生有自由电子移动的地方。场通量可以在空间中被反对，就像电子的流动可以被电阻反对一样。将在空间中产生的场通量的量与施加的场力的量成正比，除以对通量的反作用量。正如导电材料的类型决定了导体对电流 (opens new window)的特定电阻一样，分隔两个导体的绝缘材料的类型决定了对场通量的特定阻力。
通常，电子不能进入导体，除非有等量电子离开的路径（还记得大理石管中的类比吗？）。这就是为什么导体必须以圆形路径（电路）连接在一起才能产生连续电流的原因。然而，奇怪的是，如果允许电场相对于另一个导体在空间中发展，额外的电子可以被“挤压”到导体中而没有离开的路径。添加到导体的额外自由电子（或带走的自由电子）的数量与两个导体之间的场通量成正比。
# 4. 电容器电场
_电容器_是设计用于通过将两个导电板（通常是金属）彼此靠近放置来利用这种现象的组件。有许多不同风格的电容器结构，每一种都适合特定的额定值和用途。对于非常小的电容器，将绝缘材料夹在中间的两个圆形板就足够了。对于较大的电容器值，“板”可以是金属箔条，夹在柔性绝缘介质周围并卷起以保持紧凑。通过使用分离两个导电表面的绝缘氧化物的微观厚度层获得最高电容值。但是，无论如何，总体思路是相同的：两个导体，由绝缘体隔开。
电容器的原理图符号非常简单，只不过是两条短的平行线（代表极板），由一个间隙隔开。电线连接到相应的板上以连接到其他组件。一个较旧的、过时的电容器原理图符号显示交错板，这实际上是表示大多数电容器真实结构的更准确方式：
当在电容器的两个极板上施加电压时，它们之间会产生集中的场通量，从而使两个极板之间产生显著的自由电子（电荷）差异：
由于电场由施加的电压建立，额外的自由电子被迫聚集在负极导体上，而自由电子则从正极导体上“夺走”。这种微分电荷相当于电容器中的能量存储，代表两个极板之间电子的潜在电荷。电容器相对板上的电子差异越大，场通量越大，电容器将存储的能量“电荷”就越大。
因为电容器以电场的形式存储累积电子的势能，所以它们的行为与电路中的电阻器（简单地以热的形式耗散能量）完全不同。电容器中的能量存储是极板之间电压的函数，以及我们将在本章后面讨论的其他因素。电容器存储能量作为电压函数（两条引线之间的电位差）的能力导致试图将电压保持在恒定水平的趋势。换句话说，电容器倾向于抵抗电压的_变化_。当电容器两端的电压升高或降低时，电容器通过从电压变化源汲取电流或向电压变化源提供电流来“抵抗”变化，与变化相反。
为了在电容器中储存更多能量，必须增加其两端的电压。这意味着必须将更多的电子添加到（-）板上，并从（+）板上带走更多的电子，从而需要在该方向上的电流。相反，要从电容器释放能量，必须降低其两端的电压。这意味着 (-) 板上的一些多余电子必须返回到 (+) 板上，从而需要另一个方向的电流。
正如艾萨克·牛顿的第一运动定律（“运动中的物体倾向于保持运动；静止的物体倾向于保持静止”）描述了质量反对速度变化的趋势，我们可以陈述电容器的趋势反对这样的电压变化：“充电的电容器往往会保持充电状态；放电的电容器往往会保持放电状态。” 假设，一个未被触及的电容器将无限期地保持它离开它的任何电压充电状态。只有外部电流源（或漏极）才能改变完美电容器存储的电压电荷：
然而，实际上，由于电子从一块板流到另一块板的内部泄漏路径，电容器最终会失去其存储的电压电荷。根据电容器的具体类型，存储的电压电荷自耗散所需的时间可能很_长_（电容器放在架子上几年！）。
当电容器两端的电压增加时，它会从电路的其余部分汲取电流，充当电源负载。在这种情况下，电容器被称为正在_充电，因为其_电场 (opens new window)中存储的能量越来越多。注意关于电压极性的电子电流方向：
相反，当电容器两端的电压降低时，电容器向电路的其余部分提供电流，充当电源。在这种情况下，电容器被称为正在_放电_。随着能量释放到电路的其余部分，它储存在电场中的能量现在正在减少。请注意关于电压极性的电流方向：
如果电压源突然施加到未充电的电容器（电压突然增加），电容器将从该源汲取电流，从中吸收能量，直到电容器的电压等于源的电压。一旦电容器电压达到这个最终（充电）状态，它的电流就会衰减到零。相反，如果负载电阻连接到充电的电容器，则电容器将为负载提供电流，直到它释放所有存储的能量并且其电压衰减为零。一旦电容器电压达到这个最终（放电）状态，其电流衰减为零。在充电和放电的能力方面，电容器可以被认为有点像二次电池。
如前所述，板之间绝缘材料的选择对在板上施加任何给定电压的情况下会产生多少场通量（以及因此产生多少电荷）有很大影响。由于这种绝缘材料在影响场通量方面的作用，它有一个特殊的名称：电介质。并非所有的电介质材料都是平等的：材料抑制或促进电场通量形成的程度称为电介质的_介电常数_。
电容器在给定电压降下储存能量的能力的量度称为_电容_。毫不奇怪，电容也是对电压变化的抵抗强度的量度（确切地说，对于给定的电压变化率，它将产生多少电流）。电容用大写字母“C”象征性地表示，以法拉为单位测量，缩写为“F”。
出于某种奇怪的原因，惯例在测量大电容时倾向于使用公制前缀“微”，因此许多电容器的额定值是令人困惑的大微法拉值：例如，我见过的一个大电容器的额定值为 330,000 微法拉！ ！为什么不将其声明为 330 毫法？我不知道。
# 5. 电容器的过时名称
电容器的过时名称是**电容器或冷凝器****。**这些术语没有在任何新书或示意图中使用（据我所知），但它们可能会在较旧的电子文献中遇到。“冷凝器”一词最广为人知的用法可能是在汽车工程中，其中一个名为该名称的小电容器用于减轻机电点火系统中开关触点（称为“点”）的过度火花。
# 6. 总结
- 电容器通过在对抗变化所需的方向上提供或汲取电流来对电压变化做出反应。
- 当电容器面临不断增加的电压时，它会充当_负载_：在存储能量时吸收电流（电流流入正极并流出负极，如电阻器）。
- 当电容器面临降低的电压时，它充当 源：在释放存储的能量时提供电流（电流从正极流出并流入负极，就像电池一样）。
- 电容器以电场形式存储能量（并因此抵抗电压变化）的能力称为 电容。它以 法拉(F) 为单位进行测量。
- 电容器过去通常以另一个术语而闻名：电容器（或者拼写为“冷凝器”）。