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科學

電容儲能計算機

電容係電路裡面用嚟暫存能量嘅元件。輸入電容值同充電電壓,計算機即時用標準嘅 E = ½CV² 同 Q = CV 兩條公式,輸出儲存能量(自動切換 pJ/nJ/µJ/mJ/J/kJ)同電荷量。常見於 EE 學生、維修人員、DIY 玩家計閃光燈電容、開關電源、AC coupling、儲能模塊等。

常見容值

加正極對負極之間嘅電壓,可以填負數,能量唔受符號影響。

儲存能量 E

33.84 mJ

E = ½ × C × V²

儲存電荷 Q

5.64 mC

Q = C × V

推算摘要

公式

E = ½ × C × V² | Q = C × V | 單位:C 用法拉、V 用伏特,E 出焦耳,Q 出庫侖。

常見問題

電容儲能公式 E = ½CV² 點樣推導?

電容由 0 充到電壓 V 嘅過程中,瞬間電壓係 v、電荷 q = Cv。將每個小電荷 dq 從 0 V 端搬到正極所需嘅功就係 v dq = (q/C) dq。由 q = 0 積分到 Q = CV:W = ∫₀^Q (q/C) dq = Q² / (2C) = ½ C V²。所以儲喺電容入面嘅能量就係 ½ C V²,唔係 CV²(如果直接用「能量 = 電壓 × 電荷」會錯一半,因為充電過程電壓由 0 慢慢升至 V,平均值係 ½V)。

470 µF 充到 12 V 究竟儲到幾多能量?相機閃燈又係幾大?

470 µF × (12 V)² ÷ 2 ≈ 0.034 J ≈ 34 mJ — 大致等於一粒小型 LED 閃一下嘅電量。相機閃燈電容典型係 100–800 µF、300–400 V,儲能由 100 × (350)² ÷ 2 = 6.1 J 起跳,去到 800 µF / 380 V ≈ 58 J,所以閃燈電容好危險,要落 bleeder 慢慢放電。AED(自動體外去顫器)電容更恐怖:~150 µF 充到 1800 V,儲能去到 ~240 J,正係救命嗰一下嘅能量。

電解電容、陶瓷電容、超級電容 (supercap) 喺呢條公式入面有冇分別?

都係用同一條 E = ½CV²,分別在於電容值嘅範圍同極限電壓:陶瓷電容由 pF 到 µF、可承受 6.3 V – 數 kV;鋁電解 µF 到 mF、6.3 – 450 V;超級電容 0.1 F 到 3000 F、2.5 – 5.5 V。一粒 100 F 嘅 supercap 充到 2.7 V 就儲到 ½ × 100 × 2.7² ≈ 365 J,等於 1 W 嘅 LED 燈著 365 秒。記住:陶瓷電容嘅 C 隨 DC 偏壓會跌(class II 嘅 X7R 可跌 50% 以上),所以實際儲能會比這個工具計到嘅少;要精確就要查返 datasheet 嘅 C vs V 曲線。

電壓填負數有冇問題?

完全冇問題。電容兩極之間嘅電壓符號代表極性方向:將測量正負端反轉就會出負值。能量 E 同電壓嘅平方成正比,所以負電壓同正電壓嘅儲能完全相同;電荷 Q = CV 就會跟住變號,反映電荷喺另一邊嘅板上面累積。不過要留意:實際電解電容係有極性嘅,反接會即時損壞 — 公式同實物嘅限制係兩回事。

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