电容的定义与电荷电压关系

电容的定义与电荷电压关系

电容的定义

电容器由两个彼此绝缘的导体极板构成，能够储存电荷与电场能量。当两极板间存在电势差时，两极板分别带上等量异号电荷：一极板带电荷量 +Q，另一极板带电荷量 -Q。通常所说的“电容器所带电荷量”指其中一个极板电荷量的绝对值 Q。

电容 C 定义为电容器所带电荷量 Q 与其两极板间电压 U 的比值：

C = Q / U

其中，Q 为任一极板电荷量的绝对值，单位为库仑（C）；U 为两极板间的电势差，单位为伏特（V）；C 为电容，单位为法拉（F），1 F = 1 C/V。常用单位还有微法（μF）和皮法（pF），1 μF = 10⁻⁶ F，1 pF = 10⁻¹² F。

电容是描述电容器储存电荷本领的物理量，由电容器本身的结构决定，与是否带电、所带电荷量多少以及极板间电压大小无关。

电荷量与电压的关系

由电容定义式可得：

Q = C U

在电容 C 保持不变的条件下，电容器所带电荷量 Q 与两极板间电压 U 成正比。电压升高，极板上的电荷量按相同比例增加；电压降低，电荷量按相同比例减少。

若电容器两端电压由 U₁ 变化到 U₂，则电荷量的变化量为：

ΔQ = C ΔU = C (U₂ - U₁)

该式表明，在电容不变时，电荷量的变化量与电压的变化量成正比，比例系数仍为电容 C。

适用条件与符号说明

上述定义式 C = Q / U 对任何电容器均成立，是电容的普遍定义。关系式 Q = C U 与 ΔQ = C ΔU 在电容 C 为常量的条件下成立，即电容器的电容不随电压或电荷量变化。对于线性电容器，C 为常数，Q 与 U 成正比；若电容随电压变化，则 Q 与 U 不再保持严格正比，此时定义式仍用于描述某一状态下的电容，但变化关系需按实际特性处理。

符号说明：C 为电容，Q 为极板电荷量绝对值，U 为极板间电压，ΔQ 为电荷量变化量，ΔU 为电压变化量。

在检测电路中的意义

在电容式传感器中，被测量变化引起电容 C 变化。若极板电荷量或电压受到约束，电容变化会转化为电压或电流信号的变化。由 Q = C U 可知，当电荷量 Q 给定时，电压 U = Q / C 随电容变化；当电压 U 给定时，电荷量 Q = C U 随电容变化。检测电路通过测量电压或电流的变化量，即可获得电容变化量，进而判断被测量是否达到触发条件。