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電容器的基礎(chǔ)知識

發(fā)布時(shí)間:2012-11-04 責(zé)任編輯:rexliu

【導(dǎo)讀】本文介紹了一些電容器的基礎(chǔ)知識,比如電容器的作用、電容器的充放電過程、怎樣衡量電容器容量的大小、衡量充放電時(shí)間長短的指標(biāo)以及交流電能夠通過電容器的原因。

電容器的作用:儲存電荷的容器

從電容器的名稱上可以看出,它是一種電的“容器”,具體地說,是一種儲存電荷的“容器”。盡管電容器品種繁多,形態(tài)各異,但它們的基本結(jié)構(gòu)是相同的。廣義地說,兩片相距很近的金屬板(或金屬薄膜)中間被絕緣的物質(zhì)(固體、氣體或液體)所隔開,就構(gòu)成了電容器。兩片金屬板稱為電容器的極板,中間的絕緣物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器儲存電荷的過程可以用來說明。把電容器的兩個(gè)極板分別接在干電池的正、負(fù)極上,由于干電池的正極帶正電,將吸引與它相連的極板上帶負(fù)電的自由電子,使這塊極板因失去了負(fù)電荷而帶正電;干電池的負(fù)極帶負(fù)電,它會把帶負(fù)電的自由電子推斥到與它相連的極板上,這塊極板因獲得負(fù)電荷而帶負(fù)電。由于兩片極板面積較大,距離很近,正、負(fù)電荷之間有著較強(qiáng)的吸引力,這時(shí),即使把干電池?cái)嚅_,兩片極板上的電荷仍然會保留下來,這就相當(dāng)于電容器儲存了電荷。值得注意的是,隨著電容器極板上正、負(fù)電荷的積累,兩極板之間也就建立起電壓,積蓄起電能,這個(gè)過程稱為電容器的充電過程。

電容器的充放電過程

當(dāng)電容器接通電源以后,在電場力的作用下,與電源正極相接電容器極板的 自由電子將經(jīng)過電源移到與電源負(fù)極相接的極板下, 正極由于失去負(fù)電荷而帶正電, 負(fù) 極由于獲得負(fù)電荷而帶負(fù)電,正,負(fù)極板所帶電荷大小相等,符號相反,見圖.電荷定 向移動形成電流,由于同性電荷的排斥作用,所以開始電流最大,以后逐漸減小,在電 荷移動過程中,電容器極板儲存的電荷不斷增加,電容器兩極板間電壓 UC 等于電源電 壓 U 時(shí)電荷停止移動,電流 I=0,開關(guān)閉合,通過導(dǎo)線的連接作用,電容器正負(fù)極板電荷中和掉. 當(dāng) K 閉合時(shí),電容器 C 正極正電荷可以移動 負(fù)極上中和掉,負(fù)極負(fù)電荷也可以移到正極中和掉,電荷逐漸減少,表現(xiàn)電流減小,電 壓也 逐漸減小為零.


怎樣衡量電容器容量的大小

電容器既然是一種儲存電荷的“容器”,就必然會有個(gè)“容量”大小的問題。為了衡量電容器儲存電荷的能力,于是確定了電容量這個(gè)物理量。大家知道,電容器必須在外加電壓的作用下才能儲存電荷。不同的電容器在電壓作用下儲存的電荷量也可能很不相同。為此國際上統(tǒng)一規(guī)定,給電容器外加1伏特直流電壓時(shí),它所能儲存的電荷量,為該電容器的電容量,用字母C表示。電容量的基本單位為法拉。在1伏特直流電壓作用下,如果電容器儲存的電荷為1庫侖,電容量就被定為1 法拉,法拉用符號F表示。在實(shí)際應(yīng)用中,電容器的電容量往往比1法拉小得多,常用較小的單位,如微法(μF)、皮法(pF)等,它們的關(guān)系是:1微法等于百萬分之一法拉;1皮法等于百萬分之一微法,即

1法拉(F)=1000000微法(μF)

1微法(μF)=1000000皮法(pF)

衡量充放電時(shí)間長短的指標(biāo)—時(shí)間常數(shù)

如果電容器的電容量C一定,電阻R越大,充電電流就越小,充電時(shí)間也就越長;如果電阻R一定,電容量 C越大,電容器充滿電所需要的電荷就越多,充電時(shí)間也就越長。顯然,電容量C和電阻值R是決定電容器充電快慢的兩個(gè)主要因素,與電源電壓無關(guān)。人們把RC 電路中電阻R與電容量C的乘積,稱為RC充(放)電回路的時(shí)間常數(shù),用希臘字母τ表示,它的單位是秒,即τ=RC(秒)、從RC 電路中電容器開始放電瞬間起,經(jīng)過3τ時(shí)間,電容器兩端的電壓可以充到電源電壓的95%,經(jīng)過5τ時(shí)間,上升到電源電壓的99.3%。于是,在電路分析與計(jì)算中,將RC電路的充(放)電時(shí)間取為5τ。比如電容器的電容量C=4000微法,小燈泡的電阻R=60歐姆,可以算出回路的時(shí)間常數(shù) τ=0.24秒。充電或放電所經(jīng)歷的時(shí)間大致需要5τ,也就是1.2秒。

交流電為什么能夠通過電容器

在電子電路中,電容器常被用作耦合、旁路、濾波等,都是利用它“隔直流,傳交流”的特性。為什么交流信號可以順利地“通過”電容器,又可靠地隔斷直流電流呢?把交流電往復(fù)變化的一個(gè)周期分成4段:在0-1段,電壓從零值向最大值連續(xù)增長;在1-2段,電壓從最大值連續(xù)減小到零;2-3段,電壓從零值向負(fù)的最大值連續(xù)增長;3-4段,電壓從負(fù)的最大值連續(xù)減小到零。顯然,正弦波交流電不僅方向往復(fù)交變,它的大小也在每時(shí)每刻發(fā)生著變化。把電容器接在交流電源上,當(dāng)電壓處于正向或負(fù)向增長階段,電容器連續(xù)充電;當(dāng)電壓正、負(fù)最大值向零值減小階段,電容器連續(xù)放電。這樣,電路中就會流過與正弦波電壓變化規(guī)律一致的充電電流和放電電流,雖然電容器的介質(zhì)并不導(dǎo)電,卻如同交流電“通過”電容器一樣,在正弦交流電壓的作用下,產(chǎn)生了正弦交流電流。
電容器

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