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一. 电容计算的方法包括定义计算法,模拟计算法,和能量计算法

1.1 定义计算法

一般来说,可以认为两个任意形状的导体构成一个电容器,当一个导体上电量为+q, 另一个导体上的电量为-q, 此时电容器电容为:

C

=

q

/

(

U

1

U

2

)

(

1

)

C=q/(U_1-U_2) (1)

C=q/(U1​−U2​)(1) (1)式中

U

1

U

2

U_1-U_2

U1​−U2​为两导体间电势差,而q为两导体上电量的绝对值,当然,两导体上的电量可以不等,但电容定义式中的电量q应为导线联接两导体后两者间所交换的电量。利用电容定义式可计算几种常见电容器的电容,平行极板电容器的电容为:

C

=

ϵ

S

/

d

(

2

)

C=\epsilon S/d (2)

C=ϵS/d(2) (2)式中S为极板面积,d为极板间距离,

ϵ

\epsilon

ϵ为极板间介质的介电常数。 球形电容器电容为

C

=

4

π

ϵ

R

1

R

2

/

(

R

1

R

2

)

(

3

)

C=4\pi\epsilon R_1R_2/(R_1-R_2) (3)

C=4πϵR1​R2​/(R1​−R2​)(3) (3)式中

R

1

,

R

2

R_1,R_2

R1​,R2​分别为内外同心导体球面的半径,

ϵ

\epsilon

ϵ为两球面间介质的介电常数。圆柱型电容器的电容为

C

=

2

π

l

ϵ

/

l

n

(

R

2

/

R

!

)

(

4

)

C=2\pi l \epsilon/ln(R_2/R_!) (4)

C=2πlϵ/ln(R2​/R!​)(4) (4)式中

R

1

,

R

2

R_1,R_2

R1​,R2​分别为内外同轴导体圆柱面的半径,

l

l

l为导体圆柱面长度,

ϵ

\epsilon

ϵ为两圆柱面间介质的介电常数,还有其他电容器的电容,都可以应用电容的定义式来计算,这就是电容的定义计算法。

1.2 模拟计算法

1.3 能量计算法

设电容器电容为C,极板上电荷为q,对应的两极板间电势差为

U

1

U

2

U_1-U_2

U1​−U2​,则电容器所储存的能量为

W

=

1

2

C

(

U

1

U

2

)

2

=

q

2

2

C

(

5

)

W=\frac{1}{2}C(U_1-U_2)^2=\frac{q^2}{2C} (5)

W=21​C(U1​−U2​)2=2Cq2​(5) 电场是能量的携带者,以电场的观点可计算电容器所储存的能量为

W

=

1

2

ϵ

E

2

d

V

(

6

)

W=\frac{1}{2}\int\epsilon E^2dV (6)

W=21​∫ϵE2dV(6) 对同一状态的同一电容器,两种表示的能量应相等,由(5)和(6)式联立得:

C

=

1

(

U

1

U

2

)

2

ϵ

E

2

d

V

(

7

)

C=\frac{1}{(U_1-U_2)^2}\int\epsilon E^2 dV (7)

C=(U1​−U2​)21​∫ϵE2dV(7)

C

=

q

(

U

1

U

2

)

(

8

)

C=\frac{q}{(U_1-U_2)} (8)

C=(U1​−U2​)q​(8) 由式(7)(8)可见,只要给定电容器的电势差

U

1

U

2

U_1-U_2

U1​−U2​,或者电量

q

q

q,如知电场的分布,就可通过式(7)(8)求电容器的电容,这就是电容的能量计算法。

因此对于寄生电容提取,公式总结如下:

二、知识回顾 导体的静电平衡