电容器

电容器的电荷与能量是如何计算的

电容器以电场的形式将电能存储在两个由绝缘体隔开的导电板之间。 输入其电容和两端电压，此计算器将求出存储的能量和其持有的电荷。

电容器的电容越大、两端电压越高，它能存储的能量和电荷就越多。电荷随电压直接增长，但能量随电压的平方增长 — 电压加倍会使电荷加倍，但会使存储能量变为四倍。

公式

• Charge: $Q = C \times V$
• Energy: $E = 0.5 \times C \times V^2$

电容以微法拉（µF）为单位输入，这是大多数实际电容器实际标注的实用单位，因为一整个法拉对于典型元件来说是巨大的电容量。

示例计算

一个充电至 12V 的 100 µF 电容器：

1. 电荷：0.0001 × 12 = 0.0012 C，即 1,200 µC。
2. 能量：0.5 × 0.0001 × 12² = 0.0072 J，即 7.2 mJ。

将同一电容器充电至 24V（电压加倍）会使电荷加倍至 2,400 µC，但会使存储能量变为四倍，达到 28.8 mJ。

需要考虑的关键因素

• 电容器有额定最高电压，绝不能超过。 超过电容器的额定电压可能导致其失效，有时会很剧烈（尤其是电解电容器在过压下可能破裂或喷发）——在实际电路中施加某一电压之前，请务必查看印刷在电容器上的额定电压。
• 已充电的电容器即使在断电后仍可能保留危险的电荷。 较大的电容器，尤其是在较高电压下，即使在与电源断开很久之后，仍可能储存足够的能量造成真实的电击——在确认已安全放电之前，请始终将电容器视为可能带电。
• 电容器串联和并联的组合方式与电阻不同。 电容并联时直接相加（类似电阻串联），而电容串联时按倒数求和公式组合（类似电阻并联）——本计算器处理的是单个电容器自身的能量和电荷，而不是多个电容器组成的网络。
• 真实的电容器存在一定的内阻和漏电，这个理想公式忽略了这些因素。 即使没有连接外部电路，真实世界的电容器也会随时间缓慢损失一些电荷，其内阻也会影响它实际充放电的速度——本计算器的公式描述的是理想的、教科书式的电容器。

如何解读结果

• 能量数值描述的是存储的总能量，而不是它能被释放的速度。 与电池不同——电池会在数分钟或数小时内逐渐释放能量——电容器在发生短路时，可以在极短的一瞬间释放出几乎全部存储的能量，这就是为什么即便是本计算器给出的一个看似不起眼的、以焦耳为量级的数值，也代表着真实的风险，而不仅仅是一个抽象的数字。
• 电荷数值告诉你电容器能提供多大的电流，以及能持续多久。 由于电流乘以时间等于电荷，更高的电荷数值意味着电容器要么能在相同时间内提供更大的电流，要么能在更长时间内提供相同的电流——这在为需要平滑电源输出或应对短暂断电的电容器选型时很有用。
• 在你输入的电压之下留出真实的安全余量。 如果你正在对照实际电路检查某个真实电容器，许多工程师会有意将工作电压保持在电容器印刷额定电压的约 80% 左右，而不是紧贴极限运行——尤其是对于电解电容器——因为实际电路中的电压尖峰和纹波可能会短暂超出印刷额定电压单独所暗示的安全范围。

值得了解

切勿用螺丝刀或裸露导线将已充电电容器的引脚直接短路来放电。 微波炉、相机闪光灯单元、CRT 电视机和电源等设备中使用的大型或高压电容器，可能会几乎瞬间释放出全部存储的电荷，产生的电流冲击足以焊接金属、损坏电容器，或引发危险的电火花。安全地为电容器放电的方法是，通过一个经过设计、用于限制放电电流的电阻器（通常称为”泄放电阻”）逐渐放电，或使用专用的电容器放电工具——切勿直接短路。