介質與極化作用

 

請看圖2-1A設有兩塊金屬片互相靠近 但並不連接在一起 當此二金屬片被加上電壓時 由於正負電荷互相吸引 使得施加電壓除去時 兩金屬片上仍維持著原有的電荷 這就是容電作用 就此簡單的範例中 我們可以想像 如果金屬片相對的面積愈大 容納電荷的面積就愈大 而金屬片間隔愈小 電荷作用力愈強 所以以上兩項因素可以決定電容量的大小。

 

2.2  介質與極化作用

上一節中我們所敘述的兩片金屬片互相靠近之後 所形成的電容 是假定兩金屬片間之間隙 沒有任何其他物質存在 也就是以真空做為假想的。

 

在實際構造上 真空的結構自然是有些困難的 尤其是在真空而又必須維持一定間隙的時候 所以通常我們會在其間加入不導電的物質 例如不將空氣抽去時 中間便隔以空氣 或如大多數的電容均使用雲母 油紙或塑膠膜為絕緣等。

 

當兩極片間加上絕緣物質後 電荷是否仍然互相吸引呢 答案是仍然可以相互吸引 只是它們由直接的吸引變成了間接吸引 此間接吸引之作用則來自絕緣物質內部的 極化作用 Polarization因為絕緣物質雖然不導電 但在其分子內部有等量的負電子和正電子 正手 本來這些正負電子均呈雜亂無章的排列 形成平衡的局面 當此絕緣物質被介於兩極片間時 極片的電荷吸引了這些電子 造成規則的同一方向的排列 一如鐵分子受磁化的情形一樣 由是極片上的電荷作用經由這些排列整齊的電子而到達對方 使得絕緣物質在此變成了靜荷的媒介體 故稱此絕緣物質為介質。

 

當二互相靠近的金屬片間 加入介質之後其容量除受相對面積 距離影響之外 亦與介質之種類有關 如若以空氣 真空 時之標準為1 不同介質對容量的影響稱為介質係數 例如玻璃為4到7 石蠟為2 雲母6到8 煤油2 純水81 等等 所以當我們想獲得或製造一個容量很大的電容器時 必從三方面入手 一是加大相對面積 但體積會很龐大 二是縮小間隙 會造成絕緣不良 三使用介質係數較大的物質為介質 也要考慮物理及絕緣特性。

 

2.3  極化時間與適用頻率

介質之極化作用並不是隨靜電場之產生而立刻發生的 換句話說 當二極片加上電壓後必須等待一段反應時間 極化作用才能完成 極化的時間當然很短 不過如果電容器要工作在高頻率的時候 極化作用所需時間就是很重要的因素。

 

以不同的物質來擔任介質 所需的極化時間並不一樣 一般說來強極性化合物的極化時間較快 因為它在本極化前 分子己呈雙極化 而無極物質 Nonpo-lar Substance 則需先被誘導為雙極性分子後 再極化之 不僅時間較慢 誘電率 介質係數 亦低 是故不宜做為需容器之介質。

 

2.4  電容量

在2.1節中我們曾述及兩金屬片相對面積愈大或間隔愈小 均能使作用力依比例增加 另外 亦能以選擇適當的介質加強誘電效果 如以公式表之 即

 

在式中 為介質係數 是以真空時之介電常數所求出的各種介種常數 A為相對面積 單位是平方公尺 d為距離 單位為公尺 C為電容量 單位為法拉 Farad簡作F 又因在電子電路中 此基本單位的量太大了 所以常用微法拉或尼諾法拉 或微微法拉。

 

一法拉的容量是指一伏特的電壓加於電容器時 此電容器能儲存一庫倫Columb的電荷時的容量。