说在开头：关于广义相对论

爱因斯坦提出狭义相对论后，有很多物理学大牛都支持他，也有强烈的反对声音，但是更多人则默默地吃着瓜，因为当时物理学界没有几个人能看懂狭义相对论这玩意。对于一般的反对和质疑，爱因斯坦是有信心的，因为他们都没戳到点子上哪。但他自己已经发现了狭义相对论的两个关键的缺陷：1，惯性系无法定义；2，引力放不进相对论的框架。

这两个是大问题，爱因斯坦在论文里说了半天的惯性系，大家都没注意到“惯性系”的定义成了一个难题；如果在绝对时空中，匀速直线运动或静止观察者就是惯性系观察者，可是现在爱因斯坦否定了绝对时空的概念（以前假定以太是绝对静止的），就无法判断匀速直线运动和静止状态啦。那如果按照牛顿第一运动定律的表述来定义参考系：一个不受力的观察者就是惯性观察者；爱因斯坦也不满意，你如何知道它不受力呢？为什么惯性系就比其他参考系要优越？

我们前面讲过伽利略的密封船舱实验，在匀速直线运动的封闭船舱中，人无法通过感知或实验得知自己是静止状态还是匀速直线运动状态，在牛顿看来就是惯性搞的鬼。对于非惯性运动的观察者来说，大家实验结果会不相同，所以对于非惯性系的观察者，必须考虑惯性的因素。法国数学家、物理学家达朗贝尔就提出：假如把惯性系折算成一种力，给牛顿的方法打个补丁，那么就能方便快捷的搞定各种非惯性系。在这个概念的基础上，达朗贝尔和拉格朗日等人就搞出了一套分析力学，惯性被描述成一种虚拟的力：卫星绕地球旋转的离心力，导致热带气旋形成的科里奥利力等。

爱因斯坦打算将相对性原理推广到所有的观察者，做任何运动的观察者，物理学规律都是一样的。但是在非惯性运动中，惯性力就冒出来了。爱因斯坦一个头两个大，一时找不到解决办法，惯性是个啥东西？牛顿老爷子留下了一个大坑：他描述惯性与质量成正比，但是从来没说过惯性到底是怎么来的。爱因斯坦又想起了马赫在自己的书里曾经质疑过牛顿老爷子：1，惯性起源于物质间的相互作用（水桶实验）；2，不存在绝对的空间和时间。马赫的话发挥了哲学家的特色：说起来高屋建瓴、云里雾里，最终也没有说清楚惯性起源于怎样的相互作用。但是马赫说惯性起源于物质之间的相互作用，引力也起源于物质之间相互作用，而惯性和引力都与质量成正比。那质量到底又是啥物理量？惯性和引力互不相干的事，居然都跟质量有关系吗？

其实牛顿老爷子也怀疑这个事情了，他在《自然哲学之数学原理》中提出了两个质量的定义：1，质量就是物质的量，我们对物体称重，其本质上是引力相应，我们称之为“引力质量”；2，质量跟惯性成正比，质量越大惯性越大，我们称之为“惯性质量”。牛顿怀疑这里面有问题，但并不能依靠理论来推导，只能依靠实验来测量是否一样。

最早想到做这个实验的人是老前辈伽利略，据说他做了名垂青史的“比萨斜塔实验”：轻重两个球，从同样的高度，以初速度0同时落下，基本上同时落地。这个实验用引力来提供加速运动所需的力，将引力质量和惯性质量联系到了同一个公式里面，这样就可以靠实验来验证两者是否相等。但牛顿觉得这个实验做的不严谨，于是设计了一个单摆实验，不断比较各种材料：金、银、铅、玻璃、沙子、木头、水等，发现引力质量和惯性质量是一回事。牛顿的实验达到了千分之一的精度。匈牙利物理学家厄缶想出来一个新办法，在1908年得到的第二次测试结果，精度达到了2x10⁻⁹。有了实验验证，就可以理直气壮地说：引力质量和惯性质量就是同一个物理量。爱因斯坦在专利局的办公室里呆呆的望着窗外，想着要是从办公大楼的窗口跳出去，会发生什么事情呢？（在此不久前物理学家玻耳兹曼自杀身亡）

假如有一个人跳楼，他会加速下落：啊，啊，啊，啊，嘭！挂了。但爱因斯坦并没注意到跳楼的感官体验，而是注意到了“失重”这个至关重要的东西。假如这个人在跳楼的时候被装到一个铁盒子里，看不到外面，那还能感受到重力么？做自由落体时引力与惯性力完美的抵消了，所以人在失重状态时是感受不到力的。那这岂不是完美的惯性系？在传统观念中，做匀速直线运动的才是惯性系；而在爱因斯坦看来，一颗炮弹只要出膛速度一样，角度是一样的，无论是铅弹还是石头，他们划出的轨迹是一样的，跟材料没有任何关系。

假如失重才是完美的惯性系，那为什么炮弹走过的路径是曲线而不是直线呢？这跟牛顿的描述不符啊。爱因斯坦豁然开朗：因为空间本身是弯曲的，所以惯性运动不见得走直线，在弯曲的空间中，走的就是曲线，而万有引力本身并不存在！（万有引力不是力，而是弯曲的时空）

经过爱因斯坦的推算，物理学中的时空不再是硬邦邦冷冰冰的概念，时空是柔软的，可以弯曲的，宇宙也是柔软的，可以弯曲的。但是这就需要一套在柔软、弯曲宇宙中好用的数学工具，这个数学工具就是“黎曼几何”（具体参考：《阻容感基础03：电阻器分类（1）》中的介绍）了。1913年底爱因斯坦和格罗斯曼一起发表了一篇论文《广义相对论和引力理论纲要》，这篇论文中首先提到了引力场方程，“黎曼几何”第一次有了实实在在的物理学意义。这个方程仅仅是一个初步成果，还有很多问题要去解决，爱因斯坦又花了两年的时间。（参考自:吴京平-柔软的宇宙）

四，薄膜电容器

薄膜电容器：是以金属箔当电极，将其和聚乙酯，聚丙烯，聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜从两端重叠后，卷绕成圆筒状构造的电容器。薄膜电容器被大量使用在模拟电路上。尤其是在信号交连的部分，必须使用频率特性良好，介质损失极低的电容器，才能确保信号在传送时，不致于有太大的失真发生。

1. 按薄膜种类分类：聚乙酯电容（Mylar电容），聚丙烯电容（PP电容/CBB），聚苯乙烯电容（PS电容）和聚碳酸酯电容；

1, pp与ps电容器是众多薄膜电容中性能最好，也是所有薄膜电容中价钱最贵的电容器；

——PP电容器具有很高耐水/酸性，电性能优良，温度、频率特性好；但其易受光、热和空气中的氧所腐蚀，常用于电源-安规电容—X电容（由于安规的要求，要求X电容的失效模式是开路，避免失效后电源短路；Y电容用的是陶瓷电容器）。

——PS电容器额定直流电压范围宽（40KV），精度高（0.1%），绝缘电阻高（100GΩ），高频损耗小，电容量稳定性好，具有负温度系数，适合在- 40℃~ +55℃的条件下工作，常用于各类精密测量仪表，高精度的数模转换电路等。

2, 聚酯（PET）薄膜电容的介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。

——PET电容器的机械强度好（弹性大、易成膜），有较好耐热性（-60~125c）；同时其介电常数大，易于金属化，容积比高；一般用于低频场合，照明和低端电源市场。

2. 按电极分类：金属箔薄膜电容（Film/Foil）和金属化薄膜电容（Metallized Film）。

——从分类电容的名字上，我们就可以看出两种类型电极以及工艺的不同。

1, 金属箔薄膜电容器：直接在塑料膜上加一层薄金属箔，通常是铝箔，作为电极；

——制造工艺相对简单，而且耐电流强度高，无自愈能力，峰值耐压查。

2, 金属化薄膜电容器：是在塑料薄膜上以真空蒸镀上一层很薄的金属以做为电极。

——电极厚度薄（相同体积叠层更多，容量更大），耐压能力强，但耐电流能力差。

薄膜电容器三种卷绕方法，如下图所示：

1. 有感绕法：在卷绕前，引线就已经和内部电极连在一起；

2. 无感绕法：在绕制后，采用镀金等工艺，将两个端面的内部电极连成一个面，从而获得较小的ESL，高频性能较高；

3. 叠层型无感电容：如上右图所示，结构与MLCC类似，性能较好，便于做成SMD封装。

如下图所示，不同类型电容器之间的参数对比；薄膜电容器相对陶瓷电容器和电解电容器：

1. 更低的频率损耗，介质吸收（Dielectric absorption）效应更小；

2. 更高的电容精度（可与NPO相比，但电容量更大）；

3. 随外加电压、频率及环境温度的稳定性非常高，无直流偏压损耗，无压电效应（啸叫）；

无极性要求；

4. 非常好的耐热及机械应力冲击能力；

——不易被外部热和机械应力而损坏，大封装（>1206）陶瓷电容器对机械应力非常敏感。

5. 具有自我恢复（自愈）功能，开路的失效模式（陶瓷和电解电容是短路），可靠性更高。

五，其它电容器

这些个“其它电容器”在一般的数字硬件电路中很少被用到，或由于我个人项目经验有限用的很少。当然，我们知道这个“其它电容器”种类更多，针对接下来的这些电容器，更多的只是搬抄所看到的资料。

1，纸介质电容器

纸介电容器：是由介质厚度很薄的纸作为介质，铝箔作为电极，经掩绕成圆柱形，再经过浸渍用外壳封装或环氧树脂灌封组成的电容器。

纸介质电容器结构：用两片金属箔(锡箔或铝箔)做电极，再在两层金属箔中间夹以极薄的电容纸，一起卷成圆柱形或者扁柱形芯子，然后密封在金属壳或者绝缘材料(如陶瓷、玻璃釉等)壳中制成。

——纸介电容器是以纸为介质的电容器，其电容纸实经过浸渍料浸渍过的复合介质，利用这种复合介质与极板构成电容器；电容器密封的形式有：铝外壳灌注树脂、铁外壳、甚至用陶瓷外壳（高压）。

纸质电容器主要应用于直流及低频电路，有如下特点：

1. 成本低，电容量范围宽，工作电压高；

2. 热稳定性较差(电容量稳定性不高)，工作温度低，易吸潮、老化，高频损耗（tgδ）较大。

——纸介电容器被击穿后纸介质被烧焦，两层金属箔在被击穿处熔化后形成短路。

金属化纸介电容器的结构与纸介电容器基本相同，在电容器纸上覆上一层金属膜来代替金属箔。特点如下：

1. 被击穿后有自愈作用，电路电压恢复正常后仍能正常工作；

2. 电容器失效模式只有开路，没有短路，安全性高。

——金属化纸介电容器被击穿后，被击穿处的金属膜在高温下蒸发，只留下绝缘的小孔，不会短路。

2，其它电容器

云母电容器：在云母片上喷涂银层或用金属箔做电极板，极板和云母一层一层叠合后，再压铸在胶木粉或封固在环氧树脂中制成（结构类似MLCC）。云母电容特点：

1. 介质损耗小、耐压高、绝缘电阻大、温度系数小（耐热性好）；

2.寄生电感小、频率特性稳定，不易老化，适用高频电路；

3.体积大、容量小，价格贵。

玻璃釉电容器：介质是玻璃釉粉加压制成的薄片。玻璃釉电容特点：

1. 介质介电常数大、体积小、损耗小，耐温性和抗湿性较好；

2. 适合半导体电路和小型电子仪器中的交、直流电路或脉冲电路使用。

涤纶电容器：是指用两片金属箔做电极，夹在极薄绝缘介质中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，介质是涤纶。有如下特点特点：

1. 额定工作电压大：金属化涤纶电容器工作电压可达上万伏；

2.电容量范围宽：从几皮法到几百微法；

3.介电常数较高、体积小、容量大，稳定性好，工作温度可达120~130℃；

4.损耗角正切值较大，一般用于直流及脉动电路中，不宜在高频电路中使用。

写在最后

电容特性原理相对电阻更难了一些，但实际上它还是在我们可理解的范围之内，并没有超脱出高中物理的认知范围。如果你还对电容器是否是储能元件存在疑虑（考虑电容器除了储能，是否还有损耗发生？），那么需要重新看下上一章《电容器原理》中关于理想电容器的模型，或则接下来看下《电感器原理》章节中关于电磁能量的传递原理（坡印亭矢量）。我们首先需要理解电容特性的本质和模型，在此基础上再来看各种不同类型的电容器。

使用不同的导电材料和结构，决定了不同种类的电阻器；而不同类型的电容器，则基于使用不同的介质材料和结构，或则说不同种类电容器特性取决于介质材料特性。这是它们基于电阻和电容特性原理而产生的差别。

同样对于硬件设计来说：满足客户需求（并非超越）是硬件设计平衡的基点。所以硬件设计工作，除了对硬件设计技能本身的掌握之外，更在于对产品、客户需求的理解。我们在此基础之上，开展的硬件设计就是一个相对“完美”的状态。

本章部分相关资料及图片参考自《硬件十万个为什么论坛》相关文章。下一章《电容器应用》。

~更多内容，欢迎关注：知乎“牧神园地”专栏更新~

阻容感基础06：电容器分类（3）-薄膜电容器相关推荐

阻容感基础06：电容器分类（1）-陶瓷电容
说在开头:关于"钟慢尺短"效应爱因斯坦这个小伙子还得出了另外一个结论:光速是一切运动速度的上限,任何有质量物体的运动速度都不可能超越光速,也没有任何信号的传播速度能超过光速.他在 ...
阻容感基础06：电容器分类（2）-电解电容
说在开头:关于"双生子佯谬"的几何学解释爱因斯坦的数学老师闵可夫斯基看到了爱因斯坦的相对论,觉得十分惊奇:当年那个经常翘课的小子还是个潜力股啊.从1905年开始,闵可夫斯基把全部 ...
阻容感基础05：电容器原理（2）-电容器参数
说在开头:关于相对性原理爱因斯坦在1905年发表了划时代意义的6篇论文,但对当时物理学界来说,并没有引起太大的波澜,直到他的论文引起了普朗克的关注.普朗克当时正担任<物理学年签>的主编, ...
阻容感基础04：电阻器应用
说在开头:关于相对运动牛顿老爷子认为是存在绝对空间和绝对时间的,正如<论语>中的子曾说过:逝者如斯夫,不舍昼夜.时间哪,它就像一条河流,永远均匀且不停歇的流着,不依赖任何外界事物.而&q ...
阻容感基础05：电容器原理（1）-电容器模型
说在开头:关于关于狭义相对论 19世纪末,大多数物理学家都认为宇宙中是有"以太"存在的(当然这个"以太",并非是现在的"以太网"),但是经过 ...
阻容感基础10：电感器分类（4）-变压器
说在开头:关于引力波(1) 爱因斯坦在捣鼓相对论的时候,就隐约感觉到有引力波的存在,他认为:在这个宇宙中没有什么信号传播的速度能超越光速,那么引力传播也不可能超越光速,必定需要时间,那么显然就会以波的 ...
阻容感基础11：电感器应用（终结篇）
说在开头:关于引力波(2) 爱因斯坦虽然算出了引力波公式,但这玩意在当时根本没有办法检测,一般天文事件发出的引力波微乎其微,举个栗子:木星(质量是地球的300倍)绕太阳旋转,期间会不断辐射出引力波,其 ...
阻容感基础07：电容器应用
说在开头:关于时空弯曲测量爱因斯坦在1911年时就预言:光线路过大质量天体附近的时候,会发生弯曲,光线会沿着时空的曲率进行.在爱因斯坦看来,所谓的引力就是时空弯曲而并非真正的力.那如何才能检验这一点 ...
阻容感基础10：电感器分类（1）-片式电感器
说在开头:关于暗物质(1) 1933年,兹威基是加州理工大学的一位年轻的学者(预言了中子星的人之一),当时他已经把注意力放在了后发座星系团上,这个星系团大约后1千个大星系,3万个小星系组成.要测量星系 ...

阻容感基础06：电容器分类（3）-薄膜电容器