第1篇 电气学与电容器

促进电子设备小型化的积层陶瓷贴片电容器

在过去的约30年里，积层陶瓷贴片电容器的体积已缩小到了最初的数百分之一。毫不夸张地说，如果积层陶瓷贴片电容器没有实现这种惊人的小型化，如今的移动科技时代就不会到来。就比如手机，它需要约200到300个电容器。1980年代中期的便携电话还是沉重到需要肩扛的大哥大，但随着积层陶瓷贴片电容器所引领的被动元件小型化潮流，现代的手机已经减轻到了100克左右，成为了小巧而多功能的多媒体设备。积层陶瓷贴片电容器所代表的电子元件小型化革命，为我们的商业和生活带来了翻天覆地的变化。

Electron意指希腊语中的“琥珀”

探索发现的种子往往就隐藏在我们身边的现象里。回顾历史可以发现，电气学的源头要追溯到公元前的古代。当时的人们在用布料擦拭作为珠宝的琥珀时，发现它能吸引轻飘飘的灰尘。这就和摩擦塑料板再放到头上，会使头发竖立一样，都是摩擦起电（静电）现象。琥珀是松脂之类的树脂在地下生成的化石。也就是说，它是天然的塑料，容易引发摩擦起电现象。

摩擦起电成为自然科学研究对象是文艺复兴之后的事情了。英国的吉尔伯特在1600年发表了《论磁》，证明了地球是一个巨大的磁体。它对摩擦起电也颇为关心，记录了琥珀、硫磺、水晶、毛皮等物质的摩擦起电现象。吉尔伯特将琥珀摩擦起电的性质称为Electrica。这就是词语Electricity（电气）的由来，而其词源是意指“琥珀”的希腊语Electron。中国格言中也有琥珀吸尘不吸秽的说法。无论东西方，琥珀摩擦起电的奇妙现象都吸引了人们的注意。

由摩擦起电的研究发展而来的电气学

在17世纪，德国马格德堡市长格里克（同时也是以“马格德堡半球真空实验”而闻名的科学家）发明了可高效引发摩擦起电的装置。他制造了一个大硫磺球，在摩擦它的同时使其旋转，形成了一台摩擦起电机，并利用它尝试各种实验。

18世纪是摩擦起电的研究迅速发展的时代。英国的格雷证明了物质分为导电的导体和绝缘的非导体。此外，法国的迪费根据玻璃和树脂的摩擦起电现象之间的不同，发现电分为两种类型，同类相斥，异类相吸（此后，玻璃电被称为正电，树脂电被称为负电）。

Condenser与Capacitor

德国的克莱斯特和荷兰的马森布莱克于1745到1746年发明的“莱顿瓶”可以说是电容器的前身。不久后，美国的富兰克林就通过著名的风筝实验，证明了闪电和摩擦起电的火花电是相同的电气现象，而该实验就用到了莱顿瓶。

意大利的伏特对电气现象十分关心，制造了可以维持摩擦电的“起电盘”，并进一步发明了可积蓄摩擦电的蓄电器“Condensatore”。这便是电容器（Condenser）的词源。就像浓缩牛奶叫做“Condensed Milk”一样，除了“蓄电器”的意思外，“Condenser”还有“浓缩器”的意思另外，冰箱里的冷却气体液化装置、聚光器等等也都叫做“Condenser”。这样太容易产生误解，于是英美一般都将作为电子元件的电容器称作“Capacitor”。

在富兰克林进行风筝实验的时期，摩擦起电机也来到了日本的长崎，以“Elektriciteit”的名称为人所知。以发明才能见长的平贺源内弄到了它，并进行了仿制，这一历史在日本广为人知。

电气学的帷幕就此被拉开，但积蓄的摩擦电在当时仅被用来玩赏和治病（电击疗法）而已。它作为电气设备的元件被制造和使用的时期要等到19世纪之后。

电极化和磁极化是非常类似的现象

若要了解电容器的原理，莱顿瓶是很好的一个示例。莱顿瓶之所以采用玻璃瓶，是因为当初认为电可以储存在水里。之后经过改良，变成了在玻璃瓶的内壁和外壁贴上了金属箔的莱顿瓶。若平面展开莱顿瓶的，可以看出它的基本构造是2张电极板相向放置构成的电容器。

在伏特发明电池后，人们发现即使不摩擦起电，只要将电池连接到电容器，就可以储蓄电力。原子由带正电的原子核以及周围环绕的带负电的电子构成。通常，正负电抵消会使物质呈现电中性，但若用电池等装置施加电位，就能在绝缘体的两侧引发正电荷与负电荷。这种操作称作诱导极化，绝缘体在此情况中称作电介质。这种现象与磁铁对铁的吸引很相似。将磁铁靠近后，铁会被磁化，产生N极和S极，被磁铁吸引。类似的，将带电体靠近后，物质就会被诱导极化，受到吸引。

积层陶瓷贴片电容器的民用始于日本

电容器储蓄电荷的能力称作静电容量。电容器的电极面积越大、电极间距离越小，静电容量就越大。此外，在电极间插入电介质也可以增加静电容量。不过在作为电子元件使用时，电极面积是无法随意扩大的。因此，若要在保证大面积的同时实现小型化，主要会采用两种手段。一是将电极和介电体像卷轴一样卷起来。二是将电极和介电体做成三明治状，重叠成积层构造。

在电容器的电介质方面，云母薄片和纸张等材料自古就有使用，不过在1930年代出现了氧化钛，而在1940年代又出现了介电常数极高的钛酸钡。将这些电介质的薄层和电极重叠多层而制造出来的成果，就是积层陶瓷贴片电容器。它由美国率先开发，最初仅用于航天设备等特殊用途，但在1977年作为电子元件被应用于日本的民用设备（便携收音机），开始了在全世界范围的首次量产。此后，随着材料和工艺的突破，它实现了飞跃性的小型化和大容量化，为电子设备的小型、轻量、高性能化做出了巨大的贡献。

以上便是由摩擦起电的研究而开始的电容器的历史梗概。除了储蓄电荷的功能，电容器还有阻断直流电、通行交流电的重要作用。这种作用在电子设备的电路中是被如何运用的呢？我们将在今后的文章里一一介绍。