平行板电容器由两个带相反电荷的平行导体组成。在上图中,导线是平行的,导体是导体,那么它们是否充当电容器极板?
如果是这样,如果两根导线彼此相邻,并将电容器连接到末端,电容器仍会充电吗?由于整个事物充当一个大电容器,因此电荷不仅会聚集在电容器上,还会散布在整个导线和电容器上,这意味着电容器中的电荷会减少。
如果是这样,为什么不将电容的方程式考虑到导线的位置呢?
平行板电容器由两个带相反电荷的平行导体组成。在上图中,导线是平行的,导体是导体,那么它们是否充当电容器极板?
如果是这样,如果两根导线彼此相邻,并将电容器连接到末端,电容器仍会充电吗?由于整个事物充当一个大电容器,因此电荷不仅会聚集在电容器上,还会散布在整个导线和电容器上,这意味着电容器中的电荷会减少。
如果是这样,为什么不将电容的方程式考虑到导线的位置呢?
Answers:
两条线确实构成电容器。只是很小的一个。对于平行板,电容可以计算为:
哪里:
对于电路中的两条普通电线, 很小,而且 与典型电容器的距离相比,它非常大。因此,电容确实很小,在大多数情况下我们可以忽略不计。
至于第二个问题,您必须小心使用的单词。是否收取平均电荷或者你多少能量储存在电容器?我不是唯一一个对电容器周围矛盾的词汇感到沮丧的人。我会尽力而为。
从某种意义上讲,电荷不平衡确实会沿着导线扩散。在电池端子之间,或沿导线的任何两个点之间,或在电容器的极板之间,您将用电压表测量相同的电位差。电场不仅存在于电容器的极板之间,而且还存在于电路的两个半部之间。
在电容器内部,电场必须在很小的距离内从一半的电势改变到另一半的电势,只是板之间的分离(从上方看:产生高电容很小。因此,以伏特/米为单位的场强在电容器内部最高。
至于电荷的去向,请这样想:电路的一半有太多的电子,电路的另一半没有足够的电子。当电子太多时,它们想移动到电子少的地方,因为电荷会排斥。因此,对于电子太多的那一半,它们可以最接近电容器内部电子较少的地方,因为它最接近电路的另一半。
请注意,并非所有电子都堆积在电容器中,因为这会使导线带正电荷。相反,电子会重新分配自身,以使电势差(电压)在电路的那半部分各处都相同。大部分多余的电子最终都在电容器中,正是因为这是电场最强的地方。
您也可以考虑将电子的缺失视为“空穴”(一种正电荷载流子),来考虑另一半。
您还可以考虑电荷如何以这种方式自身分布:我们已经确定导线的电容非常低,但非零。电容 只是说多少钱的另一种方式 产生电压需要 在一件事情上:
具有低电容的电线不会产生太多的电荷不平衡(多余或缺少电子)以使电压发生较大变化。具有大电容的电容器需要更多的电荷不平衡来改变电压。因此,为了使电路各半部分的电压相等,大多数不平衡电荷必须最终集中在电容器中,而不是导线中。
这个问题比您描述的更为严重,因为不仅有电容,而且还有电感和电阻,它们正在改变所有设计的谐振频率。一个计算两条平行导线电容的好工具是QuickField,您可以免费下载Student Edition。
在PCB走线中,电容和电感的一些典型值为
如您所见,存在一个很大的问题,尤其是在高频下。这种寄生因素无处不在,工程师必须根据应用考虑主要的参数(频率,电压等)。您会在下面看到主要的无源元件非理想等效电路,这些电路引入了使用它们的局限性。
电阻器
电容器类
电感器
电线和传输线
较小的元件尺寸通常会导致较小的寄生效应。如今,PCB上的SMD无源元件可实现数GHz安全设计。在电线中,正在使用传输线技术(同轴电缆,双绞线,带状电缆,双芯引线,微针和带状线…)
是的,由电介质隔开的任何一对导体都是电容器。将导体布置为平行板会增加电容,因为它与表面积成比例。在维基百科页面说明了如何计算不同几何形状的电容(你可以在引用教科书的一个验证计算)。其中包括平行板和两条电线。正如尼克所说,在简单电路中,这种寄生电容不是问题。但是,在复杂的电路中,例如带有模拟和数字电路的多层PCB,这种现象可能是一个大问题。
EMC工程师进行了生动的测试和优化电路,以避免寄生电容和互感。请记住,天线也只是电容器。天线(电容器)中不断变化的电场会产生无线电波(电场)。因此,任何电线也是天线。另外,导线的任何回路都是电感器。所有这些后果在电路设计中可能是一个大问题。很好,您已经注意到潜在的问题。
电线是电容器。只要您在远处的充电电位有差异,就会产生电场,实际上就是电容器。如果您在原理图中包括导线的电感,那么您将已经描述了所谓的“传输线”。
这些原理是为什么交流电源线在给定电压下具有明显一致的间距,以及为什么300欧姆天线导线由两条彼此精确间隔的平行导线组成的原因。基本上,这些平行线产生的电荷团沿着LC网络传播。
它们甚至不必是平行的:一条零规格金线的单条直线仅有一点点电阻。这意味着如果通过电流,端到端的电荷会有细微的差别,它也可以是其自己的电介质。周围的空气,真空,绝缘材料等也可作为电介质。因为这不是板对板的相互作用,而是沿着一条线,所以该场遵循从一端到另一端伸展的椭圆形图案。
这就是单极和偶极天线的工作方式。电容很小,但随着频率的增加,它变得越来越重要。将其与沿线的电感相结合,天线基本上成为其自己的LC电路,并具有谐振频率。在较高的频率下,由于电感引起的视在电阻甚至使导线本身看起来像电介质。
由于整个物体充当一个大电容器,因此电荷不仅会聚集在电容器上,还会散布在整个导线和电容器上,这意味着电容器中的电荷会减少。
不,电容器中会有更多电荷,导线中的电荷会加到电容中。但是,由于短线的电容只有几pF,因此在大多数情况下,这种影响是微不足道的。
导线之间的电介质会产生电容。用欧姆导电块替换电介质,您便拥有电线。基本上,每条导线都具有一定的电容,每条电容器均具有一定的电导率,通常称为泄漏电容器,但是在这两种情况下,我们在处理集总分析时都假设使用理想的导线(电容为零)和理想的电容器(电容为零)。