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电容器是一种重要的电子器件,用于储存电荷和电能。平行板电容器是最基本的电容器类型,它由两个相互平行的金属板组成,中间填充电介质材料。两个金属板分别称为正极板和负极板,通过导线连接到电源的正负极。板间距离用d表示,这个距离和电介质的性质决定了电容器的电容量。
电子迁移是电容器充电的核心过程。当电源接通时,电源的正极会吸引负极板上的自由电子,使这些电子通过外电路流向电源正极。负极板失去电子后,剩余的正电荷使其带正电荷Q。同时,电源的负极会向正极板注入电子,使正极板获得多余的电子而带负电荷Q。这样,两个极板就分别带上了等量异号的电荷,为电场的建立奠定了基础。
当两个极板分别带上等量异号的电荷后,它们之间就会建立起电场。电场的方向总是从正电荷指向负电荷,也就是从带正电的负极板指向带负电的正极板。电场强度E等于电压V除以板间距离d。我们用电场线来形象地表示电场,电场线的密度反映了电场强度的大小。在平行板电容器中,电场线是平行且均匀分布的,这表明板间电场是均匀的。
电介质是由分子组成的绝缘材料,根据分子结构可分为极性分子和非极性分子两类。极性分子如水分子,其正负电荷中心天然不重合,具有固有的电偶极矩。非极性分子如氢气、氮气等,正负电荷中心重合,在无外电场时呈电中性状态。无论哪种分子,在没有外电场作用时,整个电介质都保持电中性,为后续的极化过程提供了基础条件。
当外电场施加到电介质上时,就会发生介质极化现象。在电场作用下,电介质分子的正负电荷中心发生分离,形成电偶极子。大量分子的极化产生宏观效应:在电介质与正极板接触的表面出现负的束缚电荷,与负极板接触的表面出现正的束缚电荷。这些束缚电荷会产生一个与外电场方向相反的电场E',从而削弱原来的电场强度,但同时提升了电容器的储能能力。