電容的產(chǎn)電效應(yīng)

深圳和而泰智能控制股份有限公司 羅振華

一、電解電容

一盤很久沒用的220μF/50V貼片鋁電解電容，拿出來測(cè)得單個(gè)放置的電容，正極對(duì)負(fù)極有電壓分別為1.07V，0.874V，1.212V，1.9V，其它的也都是正極對(duì)負(fù)極有正向壓差，1.9V的甚至能讓紅色發(fā)光二極管（紅色LED導(dǎo)通電壓1.6-1.7V）發(fā)光，這是怎么回事？

在網(wǎng)上搜索了一下，電容器充電后將電放掉，過一段時(shí)間端子間又會(huì)產(chǎn)生電壓，電壓值能夠達(dá)到原先施加電壓的15%到25% ，這個(gè)電壓被稱為再生電壓，其存在與介質(zhì)吸收現(xiàn)象有關(guān)，是否就是這樣呢？

當(dāng)把它們的電壓短路到0V后，馬上解除短路，可以測(cè)得電壓緩慢的升上去，說明原來存儲(chǔ)的電能是會(huì)繼續(xù)被轉(zhuǎn)運(yùn)到兩極變成電壓。

但把上面的電容正、負(fù)極短路，壓差變?yōu)?V，一直保持短路10小時(shí)，可以認(rèn)為原來存儲(chǔ)的電能已經(jīng)完全釋放，然后解除短路，過了12小時(shí)后，電壓分別為：

24.3 mV 18.8mV 7.5mV

把電壓24.3mV這只串入萬用表200μA電流檔位量程，可以看到電流從15μA到8μA，再到0.3μA，最后放完電到0μA。

為了方便測(cè)量電壓，另外拿了幾只長(zhǎng)期放置的插件470μF/25V鋁電解電容，測(cè)得電壓：225mV 92mV 149mV 117mV 40mV ，

在春天中午的陽(yáng)光下曬了30分鐘后再測(cè)，電壓對(duì)應(yīng)為：

267mV 167mV 191mV 167mV 129mV ，

5只電容的電壓分別增加了: 42mV 75mV 42mV 50mV 89mV。

經(jīng)過試驗(yàn)，電容產(chǎn)生電壓和環(huán)境溫度和溫度變化關(guān)系非常大：

把5只470μF/25V鋁電解電容（只有一只電容有165mV，其它為0mV）的正極引腳用電烙鐵在350℃溫度焊接在一起，所有負(fù)極也焊一起，也就是并聯(lián)起來，正負(fù)極間加1MΩ阻值電阻，焊完后正負(fù)極間電壓馬上測(cè)得為653mV，過了10個(gè)小時(shí)，在21℃環(huán)境溫度0.1mV；在環(huán)境溫度中，慢慢穩(wěn)定到1.5mV，拿到太陽(yáng)下面曬30分鐘，電阻上電壓升到15mV！按照功率公式：P=U2/R ，因?yàn)檠趸る娮柙趲锥葴囟炔町惖淖柚底兓囟认禂?shù)10-4/℃級(jí)別）可以忽略。

P2/P1=(15×15）÷(1.5×1.5）=100

能量提高到100倍！

把4只470μF/25V鋁電解電容一直并一只1MΩ電阻，在相對(duì)穩(wěn)定的不同環(huán)境下，經(jīng)過數(shù)月連續(xù)測(cè)量，電阻上電壓測(cè)得下面二表：

表一 室內(nèi)、恒溫±1℃測(cè)得的數(shù)據(jù)

表二 室外、自然環(huán)境下測(cè)得的數(shù)據(jù)

當(dāng)把這4只電容從-2 ℃的室外拿到20℃的室內(nèi)，過了30分鐘，電阻兩端的電壓從-0.6mV升到3.1mV。

電容產(chǎn)生的電壓最后會(huì)因?yàn)闇囟?，?nèi)阻，空氣中水分放電等而形成動(dòng)態(tài)平衡，最后穩(wěn)定下來，所以把電容裝在塑料自封口膠袋中電壓能更高些。

電容容量大小與產(chǎn)電關(guān)系：

經(jīng)試驗(yàn)，在一定范圍內(nèi)，電解電容越大，在環(huán)境中相對(duì)更能產(chǎn)生和存儲(chǔ)電能（當(dāng)然就算同樣大小的電容，產(chǎn)能大小也有高低）；

當(dāng)電容容量太小，則在正負(fù)極雖然也能產(chǎn)生電壓，但能量很小，一只2.2μF/400V的電解電容(體積比100μF/16V大)用萬用表測(cè)量時(shí)：電壓在2.3mV到0.1mV變化不能穩(wěn)定；

4.7 μF/25V無極性的貼片電容（X7R材質(zhì)）測(cè)得：10到-3mV變化；

1μF/50V無極性的貼片電容（X7R材質(zhì)）測(cè)得： 4.8 到-2.6mV變化；

100μF/16V電解電容雖然能測(cè)得產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓，但在萬用表的測(cè)量下因?yàn)榉烹?，電壓?huì)不斷下降；

而220μF/50V，470μF/25V電解電容產(chǎn)生的電壓不但可以穩(wěn)定的被萬用表測(cè)量到，甚至可以用示波器看到該電壓，并可以帶1MΩ阻值電阻負(fù)載；

一只4700μF/35V帶1MΩ電阻負(fù)載：室溫測(cè)得0.8mV，1mV，1.2mV；

一只22mF/25V帶470KΩ電阻負(fù)載：室溫測(cè)得12mV，17mV，19mV；

一只47mF/16V帶470KΩ電阻負(fù)載：室溫測(cè)得1.1mV，1.5mV，2.4mV；

電容的儲(chǔ)能A（單位：焦耳）與電容容量C，電壓U的關(guān)系為：

A=1/2*C*U*U

所以容量越高，電容上電壓越高，儲(chǔ)能越多。

當(dāng)然超級(jí)電容的容量可以更大，它的產(chǎn)電情況下面一節(jié)專門介紹。

產(chǎn)電極性：

220μF及以上的大容量電解電容，絕大部分產(chǎn)生的電壓都是正極腳也是正，負(fù)極腳也是負(fù)，少部分則和引腳極性相反，有壓壞的4700μF/35V在長(zhǎng)期穩(wěn)定后上面的電壓是-106mV，也有一只正常的470μF/25V在一年多時(shí)間里都是負(fù)電壓，現(xiàn)在還保持-141.1mV；

三只100μF/50V電解電容在室內(nèi)長(zhǎng)期放置后分別是:-34.2，117，172mV，有正有負(fù)；

一只10μF/400V電解電容，可能有時(shí)候測(cè)得-31mV，有時(shí)候又測(cè)得139mV ，隨環(huán)境變化（比如：溫度不同，升溫，降溫）極性會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)；

當(dāng)電解電容反向充電（負(fù)極為正電壓，注意不能電壓太高，否則電容會(huì)擊穿，與產(chǎn)電極性相反），當(dāng)給它升溫，兩極間電壓會(huì)不斷降低，甚至極性反轉(zhuǎn)，變成按產(chǎn)電的正常極性。

二、超級(jí)電容

超級(jí)電容，通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能，在其儲(chǔ)能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，有比普通電容器更大的容量。

因?yàn)楦蟮碾娙?，超?jí)電容表現(xiàn)出更大的帶負(fù)載能力，也意味著更大的產(chǎn)能能力，見下面三表，都是在24小時(shí)連續(xù)測(cè)量情況下數(shù)據(jù)：

表三 室內(nèi)、三只5F超級(jí)電容并聯(lián)后加470KΩ負(fù)載

表四 室內(nèi)、二只4F超級(jí)電容并聯(lián)后加1MΩ負(fù)載

將三只5F，二只4F超級(jí)電容并聯(lián)加1MΩ負(fù)載測(cè)得表五數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)是連續(xù)測(cè)得的，但溫度有時(shí)候沒測(cè)）

表五 室內(nèi)、三只5F，二只4F超級(jí)電容并聯(lián)加1MΩ負(fù)載

三只5F/2.7V超級(jí)電容串聯(lián)在一起，上面電壓1.956V，無負(fù)載，在夏天室內(nèi)6天后，電壓上升到1.963V；

和電解電容不同，在短時(shí)間的升溫情況，超級(jí)電容的電壓（儲(chǔ)能）是下降的：

室內(nèi)：三只5F并470KΩ，21.5mV； 二只4F并1MΩ，15.2mV.

在陽(yáng)光下曬30分鐘后，負(fù)載上電壓變?yōu)椋?/p>

三只5F并470KΩ，21.3mV； 二只4F并1MΩ，15.0mV.

電壓都下降了0.2mV，用電烙鐵焊引腳也同樣導(dǎo)致電壓下降。

三、X7R貼片電容4.7μF/25V

一盤放了一年的4.7μF/25V貼片電容（X7R材質(zhì)，0805封裝，無極性），測(cè)得里面的電容兩端有86mV，24.5mV，20mV的，取20只并聯(lián)焊在電路板上，短接二端放電到0V后，加1MΩ負(fù)載，在室溫23℃，可穩(wěn)定在0.1mV電壓，用電吹風(fēng)吹熱風(fēng)，可使電壓上升到67mV。

將9只貼片電容并聯(lián)焊在一塊電路板上，共5塊這樣的板，全部短路放電后，在室溫下它們二端產(chǎn)生的電壓不同，有的-40.2mV，有的20.6mV，有的-28.1mV，有的30.7mV，極性的不同是相對(duì)電路板上定義的極表現(xiàn)出來的，在環(huán)境中，并聯(lián)后的電容產(chǎn)電極性還會(huì)發(fā)生變化。

將15只貼片電容從取出時(shí)測(cè)量帶電極性，然后同極在一邊焊在敷銅板上，極間劃開防短路，也就是并聯(lián)，測(cè)得電壓2.8mV，用電吹風(fēng)加熱，電壓升到150mV，再短路放電，反向充電到約-1.5V后，再短路，然后放開，電壓會(huì)慢慢升到，-2.0mV，用電吹風(fēng)加熱，電壓升到-58mV。

四、平行板電容

沒有腐蝕的雙面敷銅板，大小為115mm*122mm，厚度1.0mm，其實(shí)就是一塊平行板電容，電容約30nF,電阻7MΩ，用萬用表量得兩面的電壓差有33mV，28mV，一直在變化，如果把它們短路，則在電壓變成0mV后，只要不再短路，該壓差馬上可以測(cè)到。

如果用一根點(diǎn)著的蠟燭在旁邊靠近其中一面，則在一瞬間可以測(cè)得180mV的電壓差。

五、電壓提升和利用

另外，把電解電容的鋁殼剝掉，再用高頻開關(guān)變壓器使用的聚酰亞胺帶纏繞，也能提高一定的電壓，如下是一只22mF/25V電解電容剝掉鋁殼，用聚酰亞胺帶包裹后再包電工膠布，并4只470μF/25V剝掉鋁殼并包裹聚酰亞胺帶的電解電容，加1MΩ負(fù)載的測(cè)量表：

表六 室內(nèi)、一只22mF，4只470μF并聯(lián)加1MΩ負(fù)載

雖然電容產(chǎn)生的電壓比較低，但通過升壓電路，比如LTC3109芯片能以低至±30mV 的輸入電壓工作，轉(zhuǎn)化為3.3V電壓給單片機(jī)或者傳感器工作（見圖一）。

在上面的表六中，已經(jīng)看到可以產(chǎn)生超過30mV（1MΩ負(fù)載）情況，32℃時(shí)穩(wěn)定產(chǎn)能3.8nW（10億分之1瓦），而1nW可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)最簡(jiǎn)單的無線電發(fā)射機(jī)；

有些間歇工作，大多數(shù)時(shí)候休眠的電路具有超低功耗，平均功率可降至不到20μW；心臟起搏器可以在40μW的供電下工作；

2015年，澳大利亞和中國(guó)研究人員首次合成能把熱能轉(zhuǎn)化為電能的布料，體溫類似溫度下產(chǎn)生電流，功率約1nW，和上面電容的產(chǎn)能差不多。

圖一 適用于單極性輸入工作方式的LTC3109原理圖

六、產(chǎn)生機(jī)制的探討

通過以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，我認(rèn)為：

1.電容的產(chǎn)電效應(yīng)不是溫差電現(xiàn)象；

溫差電現(xiàn)象：又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。

當(dāng)電解電容帶負(fù)載，在室內(nèi)一天24小時(shí)內(nèi)保持溫差±1℃（見表一），依然可以產(chǎn)生電壓，并在一定范圍內(nèi)隨環(huán)境溫度的升高而增加，并且，體積的差異沒有電容的容量的產(chǎn)能差異大，在從-5℃到+30℃溫度范圍內(nèi)電解電容（470μF/25V，工作溫度-40℃到105℃）產(chǎn)電極性從負(fù)到正，無論超級(jí)電容、電解電容、貼片電容，平行板電容，都有產(chǎn)電效應(yīng)，所以，可以排除是溫差電現(xiàn)象。

2.只要是電容，不管它是含電解液（電解電容，超級(jí)電容），還是不含（X7R貼片電容，平行板電容），有極性還是無極性電容，就有產(chǎn)電效應(yīng)，都可以在二個(gè)電極產(chǎn)生電壓。

3.在不同的溫度環(huán)境，相對(duì)來說溫度越高，電容產(chǎn)生能量越多，同時(shí)溫度的突變也會(huì)導(dǎo)致能量輸出的劇變。

4.電容的容量大小與產(chǎn)能大小是有關(guān)系的。

5.溫度，外電阻，內(nèi)電阻，還有電荷的累積，最后可形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，儲(chǔ)存電荷Q與兩極電壓U，電容容量C的關(guān)系為：

Q=U*C；

6.充電后，再短路放電到0V，馬上放開，里面剩余存儲(chǔ)的電荷還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到兩極，也就是再生電壓，同時(shí)，電容的產(chǎn)電效應(yīng)在進(jìn)行，但電解電容的產(chǎn)電是有對(duì)應(yīng)極性的，而X7R貼片電容的產(chǎn)電是沒有極性的。

總之，電容的產(chǎn)電效應(yīng)，是一種和電容性有關(guān)的能力，能把環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)能力大小和溫度，溫度變化有關(guān)系。

七、電容產(chǎn)電效應(yīng)的展望

如果我們能大幅度提高電容的產(chǎn)電效率，并通過做大、并聯(lián)，以及通過升壓手段，在高溫地區(qū)，或者利用廢熱，就很有希望能廉價(jià)地，或者方便地，直接從環(huán)境中獲得可利用的能量。

高溫，干燥的沙漠，比如撒哈拉沙漠，也許能用上這樣的不怕灰塵的電池。

[1]虞燕軍,張亞.金屬氧化膜電阻溫度系數(shù)的測(cè)定[J].山西電子技術(shù),2006年第2期.

[2]引用地址http://www.eepw.com.cn/article/134145.htm.

[3]大科技.2015年10A,38頁(yè).