第三節(jié)電容器充放電

1、電工基礎(chǔ)電工基礎(chǔ)第三節(jié)電容器的充電和放電第三節(jié)電容器的充電和放電 第四章第四章 電容電容高等教育出版社高等教育出版社復(fù)習(xí)：電容器的串并聯(lián)電路的特點比較復(fù)習(xí)：電容器的串并聯(lián)電路的特點比較3 32 21 1C C1 1C C1 1C C1 1C C1 1U U3 3U U2 2U U1 1U Uq3q3q2q2q1q1q q+q+q1 1-q-q1 1+q+q2 2+q+q3 3-q-q2 2-q-q3 3U UC1C1C2C2C3C3U1U1U2U2U3U3電容器的電容器的串聯(lián)串聯(lián)電路電路電容器的電容器的并聯(lián)并聯(lián)電路電路3 32 21 1C C1 1C C1 1C C1 1C C1 1U3U3U

2、2U2U1U1U Uq3q3q2q2q1q1q qC C3 3C C2 2C C1 1C C一、電容器的充電和放電一、電容器的充電和放電 圖為電容器充、放電實驗電路，其中圖為電容器充、放電實驗電路，其中C C大容量（儲存電荷多）未充電的電容器，大容量（儲存電荷多）未充電的電容器，E E為內(nèi)阻很小的直流電源，為內(nèi)阻很小的直流電源，HLHL為小燈泡。為小燈泡。1.1.電容器的充電電容器的充電 當開關(guān)當開關(guān)“S”“S”置于接點置于接點“1”“1”，電源便向電容器充電。，電源便向電容器充電。觀察到的現(xiàn)象是：觀察到的現(xiàn)象是：開始時燈泡較亮，然后逐漸變暗開始時燈泡較亮，然后逐漸變暗，從電，從電流表可以觀察

3、到流表可以觀察到充電電流由大到小的變化充電電流由大到小的變化，從電壓表可以，從電壓表可以觀察到觀察到電容器兩端電壓由小到大變化電容器兩端電壓由小到大變化。經(jīng)過短短一段時間，。經(jīng)過短短一段時間，燈泡熄滅，電流表指針回到零，電壓表所示電壓值接近于燈泡熄滅，電流表指針回到零，電壓表所示電壓值接近于電動勢，即電動勢，即 ，這表明電容器已充滿了電荷。，這表明電容器已充滿了電荷。電容器的充電過程電容器的充電過程思考一下：思考一下： 電容器的基本結(jié)構(gòu)是在兩塊金屬極板之間電容器的基本結(jié)構(gòu)是在兩塊金屬極板之間夾一層絕緣介質(zhì)，在本質(zhì)上它是不能導(dǎo)電的，夾一層絕緣介質(zhì)，在本質(zhì)上它是不能導(dǎo)電的，那么它為什么又能儲存電荷

4、呢？那么它為什么又能儲存電荷呢？ 圖為電容器充電示意圖，圖為電容器充電示意圖，“ 在接上電源在接上電源瞬間，電源負端的電子便向電容器的負極板瞬間，電源負端的電子便向電容器的負極板流去，但由于兩極板間絕緣介質(zhì)不導(dǎo)電，所流去，但由于兩極板間絕緣介質(zhì)不導(dǎo)電，所以這些負電荷只能積累在負極板上，又由于以這些負電荷只能積累在負極板上，又由于這些負電荷對絕緣介質(zhì)中的電子有排斥作用，這些負電荷對絕緣介質(zhì)中的電子有排斥作用，于是絕緣介質(zhì)中靠近電容器負極板一側(cè)便形于是絕緣介質(zhì)中靠近電容器負極板一側(cè)便形成正電荷層，靠近電容器正極板一側(cè)便形成成正電荷層，靠近電容器正極板一側(cè)便形成負電荷層。正極板中的電子則被絕緣介質(zhì)中

5、負電荷層。正極板中的電子則被絕緣介質(zhì)中的負電荷排斥到電源正極去，這樣，電容器的負電荷排斥到電源正極去，這樣，電容器正極板上便積累下了正電荷正極板上便積累下了正電荷?！?隨著正負電荷的不斷積累，電容器正極隨著正負電荷的不斷積累，電容器正極板電位逐漸升高，與電源正極間的電位差逐板電位逐漸升高，與電源正極間的電位差逐漸減小，當兩者電位達到相等時，電荷不再漸減小，當兩者電位達到相等時，電荷不再移動，充電電流為零，電容器兩極板上所積移動，充電電流為零，電容器兩極板上所積累的電荷也就不再增加，而電荷也就被儲存累的電荷也就不再增加，而電荷也就被儲存在電容器中了。電源負端的電子向電容器的在電容器中了。電源負端

6、的電子向電容器的負極板流去，正極板中的電子則被絕緣介質(zhì)負極板流去，正極板中的電子則被絕緣介質(zhì)中的負電荷排斥到電源正極，從而就形成了中的負電荷排斥到電源正極，從而就形成了電流。電流。2.2.電容器的放電電容器的放電 電容器充電結(jié)束后，將開關(guān)置于電容器充電結(jié)束后，將開關(guān)置于“2”“2”，可以觀察到小燈泡，可以觀察到小燈泡亮了一下又熄滅了。這是電容器放電引起的，這時的電容器相當亮了一下又熄滅了。這是電容器放電引起的，這時的電容器相當于一個等效電源。在電容器兩極板間電場力的作用下，負極板的于一個等效電源。在電容器兩極板間電場力的作用下，負極板的負電荷不斷移出與正極板的正電荷中和，電容器兩端的電壓也隨負

7、電荷不斷移出與正極板的正電荷中和，電容器兩端的電壓也隨之而下降，直至兩極板上的電荷完全中和。這是電容器兩極板間之而下降，直至兩極板上的電荷完全中和。這是電容器兩極板間電壓為零，電路中電流也為零。電壓為零，電路中電流也為零。電容器的放電過程電容器的放電過程思考一下：思考一下：（1 1）電容器的充放電電流實際通過電容器的絕緣）電容器的充放電電流實際通過電容器的絕緣介質(zhì)嗎？介質(zhì)嗎？（2 2）當電容器加上交流電壓時，電路中有電流流）當電容器加上交流電壓時，電路中有電流流過嗎？為什么？過嗎？為什么？ （1 1）電容器的充放電電流沒有通過電容器的電容器的充放電電流沒有通過電容器的絕緣介質(zhì)。絕緣介質(zhì)。 （2

8、 2）當電容器加上交流電壓時，電路中有電當電容器加上交流電壓時，電路中有電流流過，但電流并沒有流過電容器，當交流電壓流流過，但電流并沒有流過電容器，當交流電壓升高時，電容器充電儲存電荷，形成充電電流，升高時，電容器充電儲存電荷，形成充電電流，當交流電壓降低時，電容器放電釋放電荷，形成當交流電壓降低時，電容器放電釋放電荷，形成放電電流，交流電壓不斷的升高降低，電容器交放電電流，交流電壓不斷的升高降低，電容器交替進行充電放電，使有電容器的電路中有了電流。替進行充電放電，使有電容器的電路中有了電流。從電容器兩頭看，電流的連續(xù)性似乎仍舊保持，從電容器兩頭看，電流的連續(xù)性似乎仍舊保持，所以通常形象地說有

9、交流電所以通常形象地說有交流電“通過通過”了電容器。了電容器。二、電容器中的充、放電電流二、電容器中的充、放電電流說明說明: :電路中的電流是由于電容器充放電形成的，并非電電路中的電流是由于電容器充放電形成的，并非電荷直接通過了介質(zhì)。所以，要在電路中得到持續(xù)的電流，荷直接通過了介質(zhì)。所以，要在電路中得到持續(xù)的電流，就必須讓電容器不斷地充電、放電就必須讓電容器不斷地充電、放電. 充放電過程中，電容器極板上儲存的電荷發(fā)生了變化，充放電過程中，電容器極板上儲存的電荷發(fā)生了變化，電路中有電流產(chǎn)生。設(shè)在電路中有電流產(chǎn)生。設(shè)在 時間段內(nèi)，電容器極板上的時間段內(nèi)，電容器極板上的電荷增加了電荷增加了q q ，

10、則電路中的電流大小為：，則電路中的電流大小為：由由q = C uC 得得q = CuC 知知：i =qti = CuCti i 充放電電流，充放電電流，A A；C C 電容器電容量，電容器電容量，F(xiàn) F；uuC C 電容器兩端電壓變化，電容器兩端電壓變化，V V；t t 電流變化時間，電流變化時間，s s。課堂練習(xí)課堂練習(xí)1、電容器在、電容器在充電充電過程中，電容器兩端電壓由過程中，電容器兩端電壓由 變變 ， 最后等于最后等于 ；電流會由；電流會由 變變 ，最后變，最后變 為為 ，充電結(jié)束，充電結(jié)束 。2、電容器在、電容器在放電放電過程中，電容器兩端電壓由過程中，電容器兩端電壓由 變變 ， 最

11、后等于最后等于 ；電流也由；電流也由 變變 ，最后變，最后變 為為 ，放電結(jié)束。，放電結(jié)束。小小0 0大大電源電壓電源電壓大大小小大大小小0 00 0大大小小3 3、有一只、有一只0.1F0.1F的電容器，若以直流電流充電，的電容器，若以直流電流充電，在在100s100s內(nèi)相應(yīng)的電壓變化量為內(nèi)相應(yīng)的電壓變化量為10V10V，試求該段，試求該段時間的充電的電流為多少？時間的充電的電流為多少？i =i = Cu uC Ctt解解: := 0.1= 0.11010100100= 0.01A= 0.01A4、有一只有一只0.5F0.5F的電容器，若以直流電流的電容器，若以直流電流充電，在充電，在400

12、400s s內(nèi)相應(yīng)的電壓變化量為內(nèi)相應(yīng)的電壓變化量為40V40V，試求該段時間的充電的電流為多少？試求該段時間的充電的電流為多少？解：解：tUc Ci= 0.5x10= 0.5x10-6-6FxFx40V40V400 x10400 x10-6-6s s= 0.05A= 0.05A5 5、有一只、有一只47uF47uF的電容器，若以直流電流充的電容器，若以直流電流充電，在某時間內(nèi)的充電的電流為電，在某時間內(nèi)的充電的電流為1A1A，相應(yīng)的，相應(yīng)的電壓變化量為電壓變化量為200V200V，試問要多長時間可以充，試問要多長時間可以充滿電？滿電？解：解：C CU Uc c/ /i it t t tU U

13、c c C Ci i得得由由= 47x10= 47x10-6-6x200/1x200/1= 9.4x10= 9.4x10-3-3s s小結(jié)：小結(jié)：1 1、電容器的充、放電過程、電容器的充、放電過程極板電荷量極板電荷量電壓電壓充電過程充電過程放電過程放電過程逐漸增加逐漸增加逐漸減少逐漸減少由大變小由大變小由小變大由小變大2 2、電容器充、放電電流大小的計算、電容器充、放電電流大小的計算i =qtti i = C = Cu uC Ctt三、三、電容器的簡易檢測電容器的簡易檢測 利用電容器充放電原理，可以用萬用表大致判斷大容量電容利用電容器充放電原理，可以用萬用表大致判斷大容量電容器的質(zhì)量好壞。那么

14、應(yīng)該怎么做呢？器的質(zhì)量好壞。那么應(yīng)該怎么做呢？ 檢測方法：將萬用表置于歐姆檔的檢測方法：將萬用表置于歐姆檔的 1K1K 檔檔或或100100檔檔，兩支兩支表筆分別與電容器兩端相接。若被測元件為電解電容器，則要注表筆分別與電容器兩端相接。若被測元件為電解電容器，則要注意其極性（電容器極性一般都會直接標在電容器的表面），黑表意其極性（電容器極性一般都會直接標在電容器的表面），黑表筆接電容器正極，紅表筆接電容器負極。筆接電容器正極，紅表筆接電容器負極。 理想的電容其兩極間的電阻值是無窮大，若兩極間的阻值非理想的電容其兩極間的電阻值是無窮大，若兩極間的阻值非無窮大即可說該無窮大即可說該電容漏電電容漏電

15、。實際中的電容絕緣電阻不可能是無窮。實際中的電容絕緣電阻不可能是無窮大，但應(yīng)該非常大，否則接于電路后將有一定的電流通過該電容，大，但應(yīng)該非常大，否則接于電路后將有一定的電流通過該電容，使電路不能良好工作，造成電容漏電。使電路不能良好工作，造成電容漏電。實際的電容器由于介質(zhì)漏電及其他原因，也要消耗一些能實際的電容器由于介質(zhì)漏電及其他原因，也要消耗一些能量，使電容器發(fā)熱，這種能量消耗稱為電容器的損耗。量，使電容器發(fā)熱，這種能量消耗稱為電容器的損耗。判斷質(zhì)量好壞的方法：判斷質(zhì)量好壞的方法：若電容足夠大且電容器質(zhì)量很好，則萬用表表針若電容足夠大且電容器質(zhì)量很好，則萬用表表針會先向右偏轉(zhuǎn)，后很快左偏恢復(fù)

16、到原位；會先向右偏轉(zhuǎn)，后很快左偏恢復(fù)到原位；若電容器漏電若電容器漏電量大，量大，則萬用表指針回不到原位，而則萬用表指針回不到原位，而是停留在某一刻度上，其讀數(shù)即為電容器的漏電阻值。是停留在某一刻度上，其讀數(shù)即為電容器的漏電阻值。此值一般應(yīng)大于幾百至幾千歐；此值一般應(yīng)大于幾百至幾千歐；若表針偏轉(zhuǎn)到歐姆零位后不再偏轉(zhuǎn)回原位，說明若表針偏轉(zhuǎn)到歐姆零位后不再偏轉(zhuǎn)回原位，說明電容器內(nèi)部已電容器內(nèi)部已短路短路( (擊穿擊穿) )若表針根本就沒有偏轉(zhuǎn)則說明電容器內(nèi)部可能已經(jīng)若表針根本就沒有偏轉(zhuǎn)則說明電容器內(nèi)部可能已經(jīng)斷路，或電容很小，充放電電流很小，不足以使表針斷路，或電容很小，充放電電流很小，不足以使表針

17、偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)。對非電解電容的質(zhì)量檢測的示意圖檢測現(xiàn)象檢測現(xiàn)象測量時表針向右偏轉(zhuǎn)角度不大，測量時表針向右偏轉(zhuǎn)角度不大，說明電容器有一定的充電現(xiàn)象。說明電容器有一定的充電現(xiàn)象。指針按逆時針方向逐漸退指針按逆時針方向逐漸退回回“”“”處，表針穩(wěn)定后處，表針穩(wěn)定后所指的讀數(shù)就是該電容器所指的讀數(shù)就是該電容器的漏電的電阻值的漏電的電阻值 1 1、可以用萬用表電阻擋的任何一個倍率來檢測較大容量、可以用萬用表電阻擋的任何一個倍率來檢測較大容量的電容器的質(zhì)量。的電容器的質(zhì)量。 （ ）、在檢測較大容量電容器的質(zhì)量時，當萬用表的表筆分、在檢測較大容量電容器的質(zhì)量時，當萬用表的表筆分別與電容器的兩端接觸時，發(fā)現(xiàn)指針根

18、本就不偏轉(zhuǎn)，這說別與電容器的兩端接觸時，發(fā)現(xiàn)指針根本就不偏轉(zhuǎn)，這說明電容器內(nèi)部已短路。明電容器內(nèi)部已短路。 （）練習(xí)：判斷題練習(xí)：判斷題3、在檢測較大容量電容器的質(zhì)量時，當萬用表的表筆分、在檢測較大容量電容器的質(zhì)量時，當萬用表的表筆分別與電容器的兩端接觸時，若指針偏轉(zhuǎn)到零歐位置后不再別與電容器的兩端接觸時，若指針偏轉(zhuǎn)到零歐位置后不再回去，說明電容器內(nèi)部短路?；厝?，說明電容器內(nèi)部短路。 （ ）四、四、電容器中的電場能電容器中的電場能 充電后的電容器可使小燈泡發(fā)光，說明電容器在釋充電后的電容器可使小燈泡發(fā)光，說明電容器在釋放能量。實際上當電容器充電時，兩個極板上的正、負放能量。實際上當電容器充電時

19、，兩個極板上的正、負電荷不斷積累，兩極板間形成了電場，電容器在儲存了電荷不斷積累，兩極板間形成了電場，電容器在儲存了電荷的同時也儲存了能量。理論分析和實驗證明，充電電荷的同時也儲存了能量。理論分析和實驗證明，充電電容器中儲存的電場能電容器中儲存的電場能 可用下式表示：可用下式表示：式中式中 W WC C 電容器中儲存的電場能，單位是電容器中儲存的電場能，單位是J J；U UC C 電容器兩極板間的電壓，單位是電容器兩極板間的電壓，單位是V V；C C 電容器中的電容，單位是電容器中的電容，單位是F F；Q Q 電荷量，單位是電荷量，單位是C C。22121CCCCUQUW 上式說明，電容器中儲存的電場能量與電容器的電容上式說明，電容器中儲存的電場能量與電容器的電容成正比（當電容器的電容越大