电工基础-第三章

第三章电容器§3-1电容器与电容§3-2电容器的选用与连接§3-3电容器的充电和放电§3-1电容器与电容一、电容器两个相互绝缘又靠得很近的导体就组成了一个电容器。这两个导体称为电容器的两个极板，中间的绝缘材料称为电容器的介质。电容器能够储存电荷，这是它的最基本的特性。使电容器带电的过程称为充电。充电后的电容器失去电荷的过程称为放电。由于电容器的两个极板之间是绝缘的，所以直流电不能通过电容器，电容器的这一特性称为隔直。在电路中使用的电容器，切断电源后，电容器中仍有剩余电荷。因此，在检测电容器之前必须先将其“放电”，以免损坏测试设备，或对操作者造成电击。二、电容电容器容纳电荷的能力叫电容器的电容量，可简称为电容，用符号C表示。电容器容纳电荷时，其内部就建立了电场，两极间就产生电压。同一电容器的带电量Q与极间电压U的比值是常数，故定义Q/U为电容器的电容量。即式中：Q—电容器极板上的电量，单位为库仑（C）；U—电容器极板上的电压，单位为伏特（V）；C—电容器的电容量,电容的单位是法拉，简称法，用F表示，F这个单位太大，实际使用中很小容量达到1F的电容器。常用单位是微法（uF）和皮法（pF）。QCU1F=106μF，1μF=106pF，1F=1012pF课堂练习:已知电容器一的容量为C1，电容器二的容量为C2，并且C1C2，问：(1)若Q1=Q2，则U1大还是U2大？(2)若U1=U2时，则Q1大还是Q2大？三、平行板电容器平行板电容器是最常见的电容器。电容是电容器的固有属性。它只与电容器的极板正对面积、极板间距离以及极板间电介质的特性有关；而与外加电压的大小，电容器带电多少等外部条件无关。SCd式中S、d、C的单位分别是m2、m、F，介电常数ε的单位是F/m。真空中的介电常数ε0≈8.86×10-12F/m，某种介质的介电常数ε与ε0之比，称该介质的相对介电常数，用εr表示。用介电常数较大的物质作为电容器的电介质可显著增大电容，而且能做成很小的极板间隔，因而应用很广。任何两个导体之间都存在着电容。§3-2电容器的选用与连接一、电容器的分类电容器固定电容器可变电容器电力电容器纸介电容器瓷介电容器有机薄膜电容器电解电容器可变电容器微调电容器二、电容器的选用1.电容器的标称值大多数电容器的电容量都直接标在电容器的表面上。往往只标数值，不标单位。2.电容器额定工作电压电容器在电路中能长期可靠工作而不被击穿的直流电压，又称耐压。三、电容器的连接1.电容器的串联串联电容器总电容的倒数等于各电容器的电容倒数之和。电容器串联之后，相当于增大了两极板间的距离，所以总电容小于每个电容器的电容。两个电容器的串联：电容器上的电压分配为：21121212CCUUUUCCCC电容器上分配的电压和它的电容成反比。电容器串联可提高耐压。当电容量和耐压值都不相同的电容器串联时，必须使任何一个电容器上的工作电压都不超过其耐压。2.电容器的并联电容器储存的总电荷量等于各电容器所带电荷量之和，即Q=Q1＋Q2＋Q3=（C1＋C2＋C3）U设并联电容器的总电容为C，因为Q=CU，所以C=C1＋C2＋C3即并联电容器的总电容等于各电容器的电容之和。电容器并联之后，相当于增大了两极板的面积，所以总电容大于每个电容器的电容。应用电容器的并联增大电容量时，任一电容器的耐压都不能低于外加工作电压，否则该电容器会被击穿。所以，并联电容器组的耐压值应取电容器中耐压值最小的那一电压值。§3-3电容器的充电和放电一、电容器的充电和放电动画二、电容器中的电场能当电容器充电时，两个极板上的正、负电荷不断累积，两极板间就形成了电场，电容器在储存了电荷的同时也储存了能量。充电电容器中储存的电场能可用下式表示：2CCC1122WQUCU式中WC电容器中储存的电场能，J；C电容器中的电容，F；uc电容器两极板间的电压，V；Q电荷量，C。电容器中储存的电场能量与电容器的电容成正比，所以电容反映了电容器储存电场能量的能力。电容器只与电源进行能量的转换，它本身并不消耗能量，所以说电容器是一种储能元件。电容器两端电压的变化，反映了电容器中电场能量的变化。电容器中电场能量的积累和释放都是一个逐渐变化的过程，它只能从一种稳定状态逐渐变化到另一种稳定状态。因此，电容器两端的电压决不能发生突变，也只能是一个逐渐变化的过程。三、RC电路的过渡过程电容器充放电时，从一种稳定状态变化到另一种稳定状态所必须经历的物理过程称作过渡过程。充放电达到稳态值所需要的时间与R和C的大小有关。R与C的乘积称为RC电路的时间常数，用τ表示，即：τ=RC时间常数的单位为s。τ越大，充电越慢，放电也越慢，即过渡过程就越长。反之，τ越小，过渡过程就越短。在实际应用中，当过渡过程经过（3～5）τ时间后，可认为过渡过程基本结束，已进入稳定状态了。