什么是导线的电容

1，电容的概念

电容是什么呢？如在之前的“阻容感基础”专题中所述，电容：是两个导体中间夹着一块绝缘体构成的电子元件。

实际上，我们可以认为任何两个相互绝缘的导体所构成的结构都是一个电容器。那么电容器有什么样的特性呢？

如果我们给这两个导体上分别加上正电荷和负电荷，那么这两个导体之间会存在电压。同时这一对导体的电容量就是单个导体上存储电荷量和导体之间电压的比值：C = dQ/dV。

从上面的公式可以得到一个结论：两个导体在给定的电压（U）下储存的电荷（Q）越多，那么其电容容值（C）就越大。

如上图所示，电容的中间是绝缘介质材料，两个导体之间不存在直流通路，只有当导体两端电压发生变化时，才会有电流流经电容器：I = ΔQ/Δt = C*dV/dt。

这里有一个神奇的现象：导体的中间是绝缘介质材料，为什么会有电流呢？

其实该电流是等效电流：并不是真的有电流从电容中间流过。我们称它为：位移电流。（在导体中自由电荷的运动称之为：传导电流）

我们从公式：I = ΔQ/Δt = C*dV/dt，可知：对于不同容量的电容器，当dV/dt一样时，电容量越大则流过电容的电流就越大，最终表现出来的电容容抗就越小。

那么，除了电容器之外还有哪里有这种类似的结构呢？

我们想象一下，其实在PCB上这种结构非常常见：电源平面和GND平面构成的结构，PCB走线与参考平面（电源或GND平面）之间等等。所以平板电容是PCB上的常见电容形式，其电容量可近似表示为：C = ε0 * εr * A/d。

该等式表明了一个重要的几何结构特征：

1，导体之间的间距（d）越大，则电容量（C）越小；

2，导体之间的重叠面积（A）越大，电容量（C）越大。

2，介质介电常数

在学习介电常数的概念之前，我们需要先来回顾一下“极化”是什么。

我们知道：任何物质在电场的作用下都会被极化。那么极化是啥呢？如下图所示绝缘介质在外部电场E的作用下，其介质内部会产生一个强度为E’的反向电场。

由于增加在两个导体上电荷所形成的电场E被介质极化电场E’削弱（绝缘介质上的电场强度=E-E'），所以我们需要在导体上增加更多的电荷Q才能达到原本的电场强度E0（外在表现为导体间电压），从而我们在外部看来就是增加了电容量：增加更多的电量Q，才能增加同样的电压U。C = dQ/dV。

其增加电容量的比例就是相对介电常数：εr = E/E0 = E/(E-E’) = C/C0。

当绝缘介质材料受到静电场作用时，往往要经过一段时间（驰豫时间/偶极子运动时间）极化强度才能达到其最终值。极化是由于绝缘介质材料内部带电粒子的运动导致的，带电粒子受到外部电场力发生移动，是需要一定时间的，这个时间就是：驰豫时间/偶极子运动时间。

如果电介质受交变电场作用，而交变电场的改变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后，从而导致动态介电常数与静态介电常数之间的不同。当信号频率上升到驰豫极化完全跟不上电场的变化（假设100GHz），只会有瞬时极化发生，此时εr 趋向于 1，且无介质损耗发生。

信号频率变化引起介电常数变化的同时，会导致介质损耗。这是由于电介质在电场作用下偶极子会发生移动（从而产生极化），此时会导致电场能量的损耗。介质损耗分如下几种情况：

1，随着信号频率的增加，电场周期变短，介质损耗跟着增加。

2，信号频率继续增加，当翻转时间短到可以与驰豫时间相比，极化时间逐渐跟不上电场的变化，此时介质损耗逐渐减小；

3，偶极子运动所产生的极化电流（信号路径与回流路径之间的漏电流/电导）也逐渐增加。

介质损耗是除了趋肤效应外的另一种高频损耗，且跟电介质本身特性强相关。