電容q值詳解
電容的Q值(或稱為電荷量)是指電容器中存儲的電荷量。電容器存儲的電荷量與電容器的電容量C和電壓V有關(guān),可以用以下公式來表示:Q=C?V 其中,Q表示電荷量,C表示電容量,V表示電壓。
這個公式的意義是,電容器的電荷量與電容量成正比,電壓成比例。可以理解為,電容器的電荷量取決于兩個因素:其本身的電容量和所施加的電壓。
如果電容量較大,電容器能存儲的電荷量就越多;如果電壓較高,電容器中存儲的電荷量也會隨之增加。需要注意的是,電容器內(nèi)的電荷量可以隨著時間的變化而變化,具體取決于電路中的電流。當電容器接入電路中后,電荷量會隨著時間的推移而增加或減少,直到達到穩(wěn)態(tài)。
電容的基本原理
電容的功能就是以電場能的形式儲存電能量。以平行板電容器為例,簡單介紹下電容的基本原理。
上圖所示,在兩塊距離較近、相互平行的金屬平板上(平板之間為電介質(zhì))加載一個直流電壓;穩(wěn)定后,與電壓正極相連的金屬平板將呈現(xiàn)一定量的正電荷,而與電壓負極相連的金屬平板將呈現(xiàn)相等量的負電荷;這樣,兩個金屬平板之間就會形成一個靜電場,所以電容是以電場能的形式儲存電能量,儲存的電荷量為Q。
電容儲存的電荷量Q與電壓U和自身屬性(也就是電容值C)有關(guān),也就是Q=U*C。根據(jù)理論推導,平行板電容器的電容公式如下:
理想電容內(nèi)部是介質(zhì)(Dielectric),沒有自由電荷,不可能產(chǎn)生電荷移動也就是電流,那么理想電容是如何通交流的呢?
通交流
電壓可以在電容內(nèi)部形成一個電場,而交流電壓就會產(chǎn)生交變電場。根據(jù)麥克斯韋方程組中的全電流定律:
即電流或變化的電場都可以產(chǎn)生磁場,麥克斯韋將ε(?E/?t)定義為位移電流,是一個等效電流,代表著電場的變化。(這里電流代表電流密度,即J)
設(shè)交流電壓為正弦變化,即:
實際位移電流等于電流密度乘以面積:
所以電容的容抗為1/ωC,頻率很高時,電容容抗會很小,也就是通高頻。
電容在通交流的時候,內(nèi)部的電場和磁場在相互轉(zhuǎn)換。
隔直流
直流電壓不隨時間變化,位移電流ε(?E/?t)為0,直流分量無法通過。
實際電容等效模型
實際電容的特性都是非理想的,有一些寄生效應;因此,需要用一個較為復雜的模型來表示實際電容,常用的等效模型如下:
由于介質(zhì)都不是絕對絕緣的,都存在著一定的導電能力;因此,任何電容都存在著漏電流,以等效電阻Rleak表示;
電容器的導線、電極具有一定的電阻率,電介質(zhì)存在一定的介電損耗;這些損耗統(tǒng)一以等效串聯(lián)電阻ESR表示;
電容器的導線存在著一定的電感,在高頻時影響較大,以等效串聯(lián)電感ESL表示;
另外,任何介質(zhì)都存在著一定電滯現(xiàn)象,就是電容在快速放電后,突然斷開電壓,電容會恢復部分電荷量,以一個串聯(lián)RC電路表示。
大多數(shù)時候,主要關(guān)注電容的ESR和ESL。
品質(zhì)因數(shù)(Quality Factor)
和電感一樣,可以定義電容的品質(zhì)因數(shù),也就是Q值,也就是電容的儲存功率與損耗功率的比:
Qc=(1/ωC)/ESR
Q值對高頻電容是比較重要的參數(shù)。
自諧振頻率(Self-Resonance Frequency)
由于ESL的存在,與C一起構(gòu)成了一個諧振電路,其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在自諧振頻率前,電容的阻抗隨著頻率增加而變??;在自諧振頻率后,電容的阻抗隨著頻率增加而變小,就呈現(xiàn)感性。
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