電容抗計算機(X_C = 1/(2πfC))
電容抗(capacitive reactance)係描述電容喺正弦交流電路下嘅有效電阻:X_C = 1 ⁄ (2π f C),單位歐姆(Ω)。理想電容嘅電流超前電壓 90°(相位 −90°),所以阻抗純為虛部 −j ⁄ (ω C),但量值(magnitude)就係 X_C。輸入電容值(pF/nF/µF/mF/F)同頻率(Hz/kHz/MHz/GHz),本工具即時計出 X_C、角頻率 ω = 2π f 同阻抗量值 |Z|,並按頻率歸類為直流、音頻、RF 或 UHF — 補完現有電感抗工具,方便濾波器設計、耦合/去耦電容選型、阻抗匹配同 LC 諧振分析。
Capacitance and frequency must be non-negative numbers.
Capacitive reactance X_C
15.92 Ω
Angular frequency ω = 2π f
6.28 krad/s
Impedance |Z|
15.92 Ω
Phase angle: −90°
Formula
X_C = 1 ⁄ (2π · f · C); ω = 2π · f; |Z_C| = X_C; ∠Z_C = −90°
- · X_C 同頻率成反比 — 頻率每翻倍,X_C 減半。高頻信號「容易通過」電容,係 high-pass filter 同 AC 耦合電容嘅原理。
- · 直流(f = 0)下 X_C 趨於無限大 — 即電容對 DC 開路。呢點解釋為何「去耦電容」可以濾走 DC 偏壓但通過 AC 訊號。
- · 結合電感抗 X_L = 2π f L,得到 LC 諧振頻率 f₀ = 1 ⁄ (2π√LC),喺呢個點 X_L = X_C,串聯電路阻抗最低、並聯電路阻抗最高。
- · 電容嘅相位係 −90°(電流領先電壓)— 對比電感嘅 +90°。串聯 R-C 電路嘅總相位喺 −90° 同 0° 之間,由 R 同 X_C 嘅比例決定。
- · 常見電容範圍同典型應用:100 pF–10 nF 高頻去耦/RF tank;10 nF–1 µF 信號耦合;1 µF–100 µF 電源濾波;100 µF–10 mF 大型平滑電容(電源供應器)。電解電容有極性,需要注意 DC bias 方向。
- · 理想 vs 實際:本工具用理想電容模型。真實電容有 equivalent series resistance (ESR)、equivalent series inductance (ESL) 同介質損耗(dissipation factor tan δ)— 對高頻應用,呢啲寄生參數可以令實際阻抗顯著偏離 1/(2πfC)。Chip ceramic(MLCC)ESR 一般 < 10 mΩ,但 self-resonant frequency 上下會出現電感性行為。
- · 參考:Sadiku, *Fundamentals of Electric Circuits* 6th ed., §9.4;Hayt & Buck, *Engineering Electromagnetics* 8th ed., §10.7;JEDEC JESD22-A104 capacitor test methods。
Frequently asked
為何 µF 電容喺 60 Hz 嘅電容抗有幾千歐?
因為 X_C = 1 ⁄ (2π · f · C) 對小電容、低頻率特別大。代入 1 µF + 60 Hz:X_C = 1 ⁄ (2π × 60 × 1×10⁻⁶) ≈ 2,653 Ω。係 ohms 數計嘅,唔可以同你 multimeter 量到嘅 DC 電阻直接比較(DC 下 X_C → ∞,但 multimeter 唔會顯示無限大,因為佢用低頻 AC 或者 RC 充電量度)。實務含義:(1) 60 Hz 電源上接一個 1 µF 電容(即「Y 電容」設計)通過嘅電流約 V/X_C;對 230 V 電源就係 230/2653 ≈ 87 mA — 唔可以視為「無電流」;(2) 要降低 X_C 必須加大電容或者加高頻率;(3) 為什麼電源耦合電容通常 470 µF 或更大 — 因為 60 Hz 下 470 µF 嘅 X_C ≈ 5.6 Ω,先夠細令電容對 AC 行為近似短路。
我想設計一個 1 kHz cut-off 嘅高通濾波,揀幾大電容?
簡單一階 RC 高通濾波嘅 cut-off f_c = 1 ⁄ (2π R C)。先決定 R(通常令下級輸入阻抗為 R 嘅 10 倍以上避免 loading)— 常見 op-amp 輸入級用 R = 10 kΩ。然後 C = 1 ⁄ (2π · 1000 · 10⁴) = 1 ⁄ (62.8 × 10⁶) ≈ 15.9 nF。揀就近標準值 15 nF 或 16 nF(E12/E24 series)。用本工具驗證:C = 15 nF, f = 1 kHz → X_C ≈ 10.6 kΩ,同 R = 10 kΩ 接近,剛好喺 −3 dB 點。如果你要更陡嘅 roll-off,加多級(每多一級多 −20 dB/decade)或者用 active filter(Sallen-Key、Butterworth)。
電容嘅 self-resonant frequency 同 X_C 有咩關係?
真實電容唔係純電容 — 引線、PCB pad 同內部電極都有寄生電感 ESL(equivalent series inductance)。喺低頻 X_C 主導,阻抗按 1/(2πfC) 下降。但隨頻率上升,X_L = 2π f · ESL 上升,到某一個頻率 X_L = X_C,呢個係 self-resonant frequency (SRF),阻抗最低;過咗 SRF 之後電容會表現得似電感。實際數據:10 µF MLCC 0805 包裝 SRF 約 4–6 MHz;100 nF 0402 SRF 約 30 MHz;1 nF 0201 SRF 約 100 MHz。因此 RF/微波電路要用細容量、細包裝嘅電容組合(例如 100 nF + 10 nF + 1 nF 並聯),令每個頻段都有低阻抗。本工具係理想模型,所以 X_C 隨頻率單調下降 — 真實電容超過 SRF 嘅行為要查 datasheet 嘅 impedance vs frequency 圖。
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輸入兩個粒子嘅質量 m₁ 同 m₂,工具用約化質量公式 μ = m₁·m₂ / (m₁ + m₂) 計算兩體問題嘅等效慣性質量 — 在軌道力學、Kepler 兩體運動、振動光譜、碰撞動量分析中將兩體問題化簡為一體問題嘅基礎量。
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