电工技术基础与技能(第4章)

第4章电容和电感4.1电容与电容器4.2磁场与电磁感应4.3电感与电感器实训项目L/O/G/O学习目标了解电容器的概念、种类、外形和主要参数。掌握电容器串、并联电路的特点，能根据需要利用串、并联获得合适电容。理解电容器的充电、放电过程，会判断电容器的好坏。理解磁场的基本概念和基本物理量（磁通、磁感应强度、磁导率、磁场强度）。掌握磁场方向与电流方向的关系，会判断通电直导体与螺线管周围磁场的方向。理解磁场对通电直导体的作用，会用左手定则判断电磁力的方向。了解磁化现象和常用铁磁性材料，以及充磁与消磁的原理和方法。了解磁路、主磁通、漏磁通、磁通势、磁阻的概念。理解电磁感应定律，掌握感应电流产生的条件和方向的判定。了解自感现象、自感电动势和自感电流。了解电感的概念和影响电感量的因素。了解电感器的外形、主要参数，会判断电感器的好坏。理解互感、同名端的概念，了解它们在工程实际中的应用。4.1电容与电容器4.1.1电容器的基本概念简单地讲，电容器是一种能够容纳电荷的器件，它是通过电荷的充放电进行工作的。电容器在直流电路和交流电路中都有着广泛的应用，其作用一般可概括为“隔直流通交流”。常见电容器的外形如图所示。尽管形状各异，但电容器的基本结构是相同的，都是由两个彼此靠近、相互绝缘的金属电极构成。两个电极之间通常隔有专用纸、陶瓷、云母、塑料薄膜（涤纶、聚苯乙烯、聚丙乙烯）、金属氧化膜（铝、钽）、玻璃膜等绝缘物质，称为电容器的介质。4.1.1电容器的基本概念对于某一个电容器，当两电极间所加电压增大时，电容器所储存的电荷量也随之增大，即其中任意一个电极所带的电荷量与两电极间电压的比值是一个常数。但对于不同的电容器，这一比值是不同的。电容器所储存的电荷量Q与其两电极间电压U的比值，称为电容器的电容量，简称电容，用字母C表示，即式中，C，Q，U的单位分别为法拉（F）、库仑（C）、伏特（V）。电容是描述电容器容量大小的物理量，代表了电容器储存电荷的能力。电容的单位是法拉（F），简称法，常用单位还有微法（μF）、皮法（pF）等，它们之间的换算关系为QCU61F10F，121pF10F【例】将一个电容量为60μF的电容器接到4.5V的直流电源上，求带电后电容器所带的电荷量。解：6460104.5C2.710CQCU4.1.2电容器的种类和参数1．电容器的种类电容器按结构可分为固定电容器、可变电容器和微调电容器；按电解介质可分为有机介质电容器、无机介质电容器、液体介质电容器、空气介质电容器、电解电容器等；按极性可分为有极性电容器和无极性电容器。几种常见电容器的电路符号如图所示。固定电容器可变电容器微调电容器电解电容器2．电容器的参数额定电压：通常也称耐压，是指在允许的环境温度范围内，电容器在电路中长期可靠地工作所允许加的最大直流电压。在交流电路中工作时，交流电压的峰值不得超过电容器的额定电压，否则电容器中的介质会被击穿进而造成电容器损坏。标称容量：指电容器上所标明的电容量的数值。标称容量越大，表示电容器储存电荷的能力越强。允许误差：指电容器的实际容量与标称容量之间允许的最大偏差范围，一般标在电容器的外壳上。一般有极性电容器的允许误差范围较大，例如铝电解电容器为。4.1.2电容器的种类和参数3．电容器的标注方法电容器的标注方法主要有直标法、文字符号法、数码法和色标法。标称容量：0.1μF标称容量：220μF0.01μF680pF允许误差：±5%额定电压：25V额定电压：500V（a）标单位的情况（b）不标单位的情况直标法4.1.2电容器的种类和参数1.5μF3.9nF47nF文字符号法nF也是电容的一个单位，称为纳法，91nF10F数码法33310pF33nF21010pF1000pF12210pF2.2pF4.1.2电容器的种类和参数色标法是指用黑、棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白10种颜色分别代表0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，其容量的单位是pF，读数方法与电阻器相似。对于立式电容器，色环的顺序是自上而下，沿引线方向排列。如果有某个色环的宽度等于标准宽度的2倍或3倍，则表示相同颜色的两个或三个色环，如图所示。色标法12710pF270pF23310pF3300pF4.1.3电容器的连接1．电容器的串联将两个或两个以上电容器的首尾依次相连，且中间无任何分支的连接方式称为电容器的串联，如图所示。电容器串联电路具有以下几个特点：（1）每个串联电容器所带的电荷量相等，即（2）串联电路的总电压等于各个电容器上的电压之和，即（3）串联电路的总电容（等效电容）的倒数等于各个电容器的电容的倒数之和，即（4）串联电路中各电容器两端的电压与其自身的电容量成反比，即12nQQQQ…12nUUUU…121111nCCCC…11CUUC22CUUCnnCUUC，，…，4.1.3电容器的连接【例】现有两个电容器，一个电容器的电容C1=10μF，额定工作电压为25V；另一个电容器的电容C2=20μF，额定工作电压为18V。若将这两个电容器串联后接到45V的直流电源上，求每个电容器上的电压是多少？并判断电路能否正常工作。解：串联后的总电容为12121020F6.67F1020CCCCC各电容器所带的电荷量为64126.671045C310CQQQCU电容器C1上的电压为411611310V30V1010QQUCC电容器C2上的电压为422622310V15V2010QQUCC由于电容器C1上承受的电压是30V，已经超过了它的额定工作电压25V，所以C1会被击穿，进而电压全部加在电容器C2上，C2也会被击穿。因此，电路不能正常工作。4.1.3电容器的连接2．电容器的并联将两个或两个以上电容器的相同电极分别相连（如电解电容器的正极连在一起，负极连在一起），接在两个共同端点之间的连接方式称为电容器的并联，如图所示。电容器并联电路具有以下几个特点：（1）并联电路中各电容器两端的电压相同，都等于外加电压，即（2）并联电路的总电荷量等于各个电容器的电荷量之和，即（3）并联电路的总电容等于各个电容器的电容之和，即（4）并联电路中各电容器的电荷量与其自身的电容量成正比，即12nUUUU…12nQQQQ…12nCCCC…11QCU22QCUnnQCU，，…，4.1.3电容器的连接【例】将两个电容器并联后接到电压为U的电路上，已知C1=30μF，U1=24V；C2=50μF，U2=36V，求：（1）此时的等效电容；（2）电路的最大安全电压；（3）两个电容器储存的电荷量之比。解：（1）此时的等效电容为12(3050)F80FCCC（2）由于电容器并联电路中各电容器两端的电压相同，且都等于外加电压，所以电路的最大安全电压等于最小的电容器额定工作电压，即max124VUU（3）两个电容器储存的电荷量之比为112235QCQC∶4.1.4电容器的充电和放电使电容器带电（即储存电荷和电场能量）的过程称为电容器的充电；使充电后的电容器失去电荷（即释放电荷和电场能量）的过程称为电容器的放电。下面以图为例，分析电容器的充电和放电过程。图中，C是一个大容量的未充电的电容器，EL是一只灯泡（指示灯）。电容器的充电和放电4.1.4电容器的充电和放电1．电容器的充电将开关S拨向1端，电源E开始向电容器C充电，灯泡EL开始较亮，然后逐渐变暗。从电流表上可以看到充电电流在减小，而从电压表上可以看到电容器两端的电压从零开始慢慢上升。经过一段时间后，灯泡完全熄灭，电流表的指针回到零。为什么会出现上述现象呢？因为开关S刚闭合的一瞬间，电容器的极板与电源之间存在着较大的电压，所以开始充电电流较大，灯泡较亮。随着电容器极板上电荷的积聚，两者之间的电压逐渐减小，充电电流也越来越小，灯泡逐渐变暗。当两者之间的电压为零时，充电电流为零，灯泡熄灭，充电结束，此时电容器两端的电压Uc=E。因而在此过程中，电压表的读数即Uc从零逐渐增大到E。4.1.4电容器的充电和放电2．电容器的放电电容器充电结束后（此时Uc=E），将开关S从1端拨向2端，电容器便开始放电。这时，灯泡EL重新开始变亮，然后逐渐变暗。通过电流表可以看到电路中有电流流过，但在逐渐减小，而从电压表上可以看到电容器两端的电压Uc在逐渐下降。经过一段时间后，灯泡再次完全熄灭，电流表和电压表的指针都回到零，说明电容器的放电过程已结束。在电容器的放电过程中，由于电容器上、下两极板间的电压使回路中有电流产生。开始时，电容器两极板间的电压较大，故电流较大，灯泡较亮。随着电容器两极板上正、负电荷的不断中和，两极板间的电压逐渐减小，回路中电流也越来越小，灯泡逐渐变暗。当电容器两极板上的正、负电荷全部中和时，两极板间的电压为零，回路中电流为零，灯泡熄灭，放电结束。通过对电容器的充电和放电过程进行分析，不难发现：（1）只有当电容器极板上储存的电荷发生变化时，电路中才有电流产生。（2）当直流电源对电容器充电结束后，电容器两端的电压不再改变，电路中的电流为零，因此电容器具有隔断直流电的作用。4.1.4电容器的充电和放电3．电容器中的电场能量电容器在充、放电过程中，只是将从电源吸收的能量暂时储存起来，再将储存的能量释放出去，它本身只与电源进行能量交换，并不消耗能量，所以电容器是一种储能元件。而电阻器则是一种耗能元件，它会将获取的电能转化成热能散发掉或传递给别的物体。电容器在充电过程中，两个极板上聚集了大量的正、负电荷，极板间形成了电场。电场具有能量，此能量是从电源吸收过来而储存在电容器中的。电容器中的电场能量用字母Wc表示，其计算公式为式中：Wc——电容器中的电场能量，单位为焦耳（J）；Q——电容器上的电荷量，单位为库仑（C）；C——电容器的电容量，单位为法拉（F）；Uc——电容器两端的电压，单位为伏特（V）。上式表明，电容器中储存的电场能量与电容器的电容量成正比，与电容器两端电压的平方成正比。21122CCCWQUCU4.2磁场与电磁感应4.2.1磁场的基本概念1．磁体、磁极和磁场自然界中有一种物体，它具有吸引铁、钴、镍等物质的性质，我们把物体的这种特性称为磁性，把具有磁性的物体称为磁体。磁体的两端吸引铁的能力最强，这个磁性最集中的区域称为磁极。实验证明，任何磁体都有两个磁极。一个在水平面内可以自由转动的磁体，静止时它总是一个磁极指向南方，另一个磁极指向北方。我们把指向南方的磁极称为南极，用S表示；把指向北方的磁极称为北极，用N表示。任何磁体的磁极总是成对出现的，即使把一个磁体打成两段，磁体的每一半也都有它自己的北极和南极，常见磁体的磁极指向如图所示。磁极之间具有同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的特性。（a）磁针（b）条形磁铁（c）马蹄形磁铁4.2磁场与电磁感应4.2.1磁场的基本概念1．磁体、磁极和磁场自然界中有一种物体，它具有吸引铁、钴、镍等物质的性质，我们把物体的这种特性称为磁性，把具有磁性的物体称为磁体。磁体的两端吸引铁的能力最强，这个磁性最集中的区域称为磁极。实验证明，任何磁体都有两个磁极。一个在水平面内可以自由转动的磁体，静止时它总是一个磁极指向南方，另一个磁极指向北方。我们把指向南方的磁极称为南极，用S表示；把指向北方的磁极称为北极，用N表示。任何磁体的磁极总是成对出现的，即使把一个磁体打成两段，磁体的每一半也都有它自己的北极和南极，常见磁体的磁极指向如图所示。磁极之间具有同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的特性。（a）磁针（b）条形磁铁（c）马蹄形磁铁4.2.1磁场的基本概念1．磁体、磁极和磁场磁体吸引铁的特性和同性磁极相互排斥、异性磁极相互吸引的现象都是通过相互的作用力来实现的，这些力在磁极周围的分布称为磁场。在磁体周围存在着磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介来实现的。磁场是一个空间区域内连续分布的向量场，也是有方向的。我们规定：