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,导线是平行的并且是导体,所以它们充当电容器板吗?
如果是这样,如果你有两根电线并排,并在末端连接一个电容器,电容器还会充电吗?由于整个东西就像一个大电容器,电荷不仅会聚集在电容器上,还会分散到整根电线和电容器上,这意味着电容器中的电荷会减少。
如果这是真的,为什么电容方程不考虑导线的位置?
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,导线是平行的并且是导体,所以它们充当电容器板吗?
如果是这样,如果你有两根电线并排,并在末端连接一个电容器,电容器还会充电吗?由于整个东西就像一个大电容器,电荷不仅会聚集在电容器上,还会分散到整根电线和电容器上,这意味着电容器中的电荷会减少。
如果这是真的,为什么电容方程不考虑导线的位置?
两根线做一个电容器。只是一个非常小的。对于平行板,电容可以计算为:
$$ C = \frac{\varepsilon A}{d} $$
在哪里:
对于电路中的两条普通电线,与典型电容器中的距离相比,\$A\$ 非常小,而 \$d\$ 非常大。因此,电容非常非常小,在大多数情况下我们可以忽略它。
至于你的第二个问题,你必须小心你用的词。电荷是指电荷还是电容器中存储了多少能量?我不是唯一一个对围绕电容器的矛盾词汇感到沮丧的人。我会尽力说清楚。
从某种意义上说,电荷不平衡确实沿着电线扩散。在电池端子之间,或沿导线的任意两点之间,或电容器极板之间,您将使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,而且存在于电路的整个两半之间。
在电容器内部,电场必须在极小的距离内从一半的电位变为另一半的电位,只是极板的分离(从上面的\$d\$:制造高电容是很小的) )。因此,以伏特/米为单位测量的场强在电容器内部是最高的。
至于电荷的去向,可以这样想:电路的一半有太多电子,而另一半电路没有足够的电子。当电子过多时,它们想移动到电子较少的地方,因为同电荷会相互排斥。因此,对于电子过多的那一半,它们最接近电子较少的地方是在电容器内部,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,因为这会使电线带有正电荷。相反,电子会重新分配自己,以使电势差(电压)在电路的那一半中的任何地方都相同。大多数多余的电子最终进入电容器,正是因为这是电场最强的地方。
您也可以通过将不存在电子视为“空穴”(一种正电荷载体)来考虑另一半。
您还可以考虑电荷如何以这种方式分布:我们已经确定电线具有非常低但非零的电容。电容 \$C\$ 只是另一种说法,即在一个事物中产生电压 \$V\$ 需要多少电荷 \$Q\$:
$$ C = \frac{Q}{V} $$
具有低电容的电线不需要太多的电荷不平衡(额外或缺少电子)来使电压发生很大变化。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,为了使电路每一半的电压相等,大部分不平衡电荷必须最终进入电容器,而不是电线。
问题比您描述的更严重,因为不仅有电容,还有电感和电阻,它们正在以谐振频率改变您的所有设计。QuickField是计算两条平行线电容的好工具,您可以免费下载学生版。
在 PCB 走线中,电容和电感的一些典型值是
如您所见,特别是在高频中存在一个大问题。这种寄生元素无处不在,工程师必须根据应用的主要参数(频率、电压等)加以考虑。您可以在下面看到主要的无源元件非理想等效电路,这些元件在使用它们时会受到限制。
电阻器
电容器
电感器
电线和传输线
较小的组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 的安全设计。在电线中,传输线技术正在使用(同轴电缆、双绞线、带状电缆、双线、微带和带状线……)
是的,任何被电介质隔开的导体都是电容器。将导体布置为平行板将增加电容,因为它与表面积成正比。维基百科页面显示了如何计算不同几何形状的电容(您可以在参考的教科书中验证计算)。包括平行板和两根电线。正如尼克所说,在简单的电路中,这种寄生电容不是问题。然而,在复杂的电路中,例如具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 工程师以测试和优化电路为生,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(电场)波。因此,任何电线也是天线。此外,任何线圈都是电感器。所有这些后果都可能是电路设计中的一个大问题。很高兴您注意到了潜在的问题。
电线是电容器。每当您在一定距离内有电荷电位差时,您就会有一个电场,实际上是一个电容器。如果您在原理图中包含导线的电感,您就会描述所谓的“传输线”。
这些原理就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 欧姆天线引线由彼此精确间隔的两条平行线组成。基本上,电荷团沿着这些平行线创建的 LC 网络传播。
它们甚至不必平行:一根直的零规格金线有一点点电阻。这意味着如果通过电流,端到端的电荷会略有不同,它也可以是它自己的电介质。它周围的空气、真空、绝缘等也起到电介质的作用。因为这不是板-板相互作用,而是沿着一条线,所以该场遵循从一端延伸到另一端的椭圆形图案。
这就是单极天线和偶极天线的工作原理。电容很小,但随着频率的增加,它变得越来越重要。再加上导线上的电感,天线基本上变成了它自己的 LC 电路并具有谐振频率。在较高频率下,由于电感而产生的表观电阻甚至使导线本身看起来像电介质。