第三章_電容器

1、電工基礎 （第2版）主編：劉志平、蘇永昌第三章 電容器第一節(jié) 電容器與電容第二節(jié) 電容器的參數(shù)與種類第三節(jié) 電容器的連接 電容器是電路的基本元件之一，在各種電子產品和電力設備中，有著廣泛的應用。本章重點是介紹電容器的參數(shù)和種類、電容的概念、電容器的串并聯(lián)及電容器中的電場能量。第四節(jié) 電容器中的電場能3-1 電容器與電容一、電容器一、電容器 是由兩個導體電極中間夾一層絕緣體（又稱電介質）是由兩個導體電極中間夾一層絕緣體（又稱電介質）所構成。所構成。用途：用途： 具有具有“隔直通交隔直通交”的特點，的特點，在電子技術中，常用于濾波、移在電子技術中，常用于濾波、移相、旁路、信號調諧等；在電力相、旁路

2、、信號調諧等；在電力系統(tǒng)中，電容器可用來提高電力系統(tǒng)中，電容器可用來提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。系統(tǒng)的功率因數(shù)。 。基本特性：基本特性： 能夠存儲電荷能夠存儲電荷 。一、電容器工作原理：工作原理： 把電容器的兩個極板分別接把電容器的兩個極板分別接到電源到電源E的正、負極上，電容器的的正、負極上，電容器的兩極板間便有電壓兩極板間便有電壓U，在電場力，在電場力的作用下，自由電子定向運動，的作用下，自由電子定向運動，使得使得A板帶有正電荷，板帶有正電荷，B板帶有等量的負電荷，如圖板帶有等量的負電荷，如圖3-1所示。所示。電荷的移動直到兩極板間的電壓與電源電動勢相等時為止。電荷的移動直到兩極板間的電壓與電

3、源電動勢相等時為止。這樣，在兩個極板間的介質中建立了電場，電容器儲存了一這樣，在兩個極板間的介質中建立了電場，電容器儲存了一定量的電荷和電場能量。定量的電荷和電場能量。 單位：單位：電容器的電容器的SI（國際單位制）單位是法拉，簡稱法，（國際單位制）單位是法拉，簡稱法，通常用符號通常用符號“F”表示。表示。 二、電容UQC 不同電容器存儲電荷的本領是不同的，我們用電容來表征不同電容器存儲電荷的本領是不同的，我們用電容來表征電容器這個本領的大小。電容器這個本領的大小。 含義：含義： 電容器任一極板所儲存的電荷量，與兩極板間電壓的電容器任一極板所儲存的電荷量，與兩極板間電壓的比值是一個常數(shù)，不同的

4、電容器，這一比值則不同。將這比值是一個常數(shù)，不同的電容器，這一比值則不同。將這一比值定義為電容器的電容量，簡稱電容。來表示電容器一比值定義為電容器的電容量，簡稱電容。來表示電容器存儲電荷的本領大小。用字母存儲電荷的本領大小。用字母C表示，電容定義式為：表示，電容定義式為： 單位：單位：電容的單位有電容的單位有法拉法拉(F)、微法微法( F)、皮法皮法(pF)，它們之間的關系為它們之間的關系為1 F = 10 6 F = 10 12 pF三、平行板電容 由兩塊相互平行、靠得很近、彼此絕緣的金屬板由兩塊相互平行、靠得很近、彼此絕緣的金屬板所組成的電容器，叫平行板電容器。是一種最簡單的所組成的電容器

5、，叫平行板電容器。是一種最簡單的電容器。下圖給出了平板電容器的示意圖。電容器。下圖給出了平板電容器的示意圖。三、平行板電容器dSC 理論與實驗證明，平行板電容器的電容量與極板面積S及電介質介電常數(shù)成正比，與兩極板之間的距離成反比。 其數(shù)學表達式為 上式說明：上式說明：對某一個平行板電容器而言，它的電容是一對某一個平行板電容器而言，它的電容是一個確定值，其大小僅與電容器的個確定值，其大小僅與電容器的極板面積大小極板面積大小、相對位置相對位置以以及及極板間的電介質極板間的電介質有關；與兩極板間電壓的大小、極板所帶有關；與兩極板間電壓的大小、極板所帶電荷量多少無關。電荷量多少無關。 幾種常用介質的相

6、對介電常數(shù)幾種常用介質的相對介電常數(shù)表表1 1幾種常用介質的相對介電常數(shù)幾種常用介質的相對介電常數(shù) 2.28.56 6.57 8.511.6聚苯乙烯聚苯乙烯三氧化二鋁三氧化二鋁無線電瓷無線電瓷超高頻瓷超高頻瓷五氧化二鉭五氧化二鉭4.21.03.535 80 7.0石英石英空氣空氣硬橡膠硬橡膠酒精酒精純水純水云母云母相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)/(F/m)介質名稱介質名稱相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) (F/m)介質名稱介質名稱1電容是電容器的固有特性，它只與兩極板正對電容是電容器的固有特性，它只與兩極板正對面積、板間距離及板間的介質有關，與電容器是否帶面積、板間距離及板間的介質有關，與電容器是否帶電、帶

7、電多少無關。電、帶電多少無關。2任何兩個導體之間都存在電容。任何兩個導體之間都存在電容。3電容器存在耐壓值，當加在電容器兩極板間的電容器存在耐壓值，當加在電容器兩極板間的電壓大于它的額定電壓時，電容器將被擊穿。電壓大于它的額定電壓時，電容器將被擊穿。說明說明3-2 電容器的參數(shù)和種類一、電容器的參數(shù)一、電容器的參數(shù)1、額定工作電壓、額定工作電壓 一般叫做耐壓，它是指使電容器能長時間地穩(wěn)定工作，一般叫做耐壓，它是指使電容器能長時間地穩(wěn)定工作，并且保證電介質性能良好的支流電壓的數(shù)值。并且保證電介質性能良好的支流電壓的數(shù)值。 必須保證電容器的額定工作電壓不低于工作電壓的最必須保證電容器的額定工作電壓

8、不低于工作電壓的最大值。（交流電路，考慮交流電壓的峰值。）大值。（交流電路，考慮交流電壓的峰值。） 2、標稱容量和允許誤差、標稱容量和允許誤差 電容器上所標明的電容量的值叫做標稱容量。電容器上所標明的電容量的值叫做標稱容量。 批量生產中，不可避免的，實際電容值與標稱電容值批量生產中，不可避免的，實際電容值與標稱電容值之間總是有一定誤差。國家對不同的電容器，規(guī)定了不同之間總是有一定誤差。國家對不同的電容器，規(guī)定了不同的誤差范圍，在此范圍之內誤差叫做允許誤差。的誤差范圍，在此范圍之內誤差叫做允許誤差。 二、電容器的種類 按照電容量是否可變，可分為規(guī)定電容器和可按照電容量是否可變，可分為規(guī)定電容器和

9、可變電容器（包括半可變電容器）。變電容器（包括半可變電容器）。 1、固定電容器：、固定電容器：常用的介質有云母、陶瓷、金屬氧化膜、紙常用的介質有云母、陶瓷、金屬氧化膜、紙介質、鋁電解質等等。介質、鋁電解質等等。 2、可變電容器：、可變電容器：電容量在一定范圍內可調節(jié)的電容器，常用電容量在一定范圍內可調節(jié)的電容器，常用電介質有薄膜介質、云母等。電介質有薄膜介質、云母等。 3、半可變電容器：、半可變電容器：又叫微調電容，在電路中常被用作補償電又叫微調電容，在電路中常被用作補償電容。容量一般都只有幾皮法到幾十皮法。常用的電介質有瓷容。容量一般都只有幾皮法到幾十皮法。常用的電介質有瓷介質、有機薄膜等。

10、介質、有機薄膜等。 幾種常用電容3-3 電容器的連接一、電容器的串聯(lián)一、電容器的串聯(lián) 與電阻串聯(lián)類似，將兩個或兩個以上的電容器，與電阻串聯(lián)類似，將兩個或兩個以上的電容器，連接成一個無分支電路的連接方式。連接成一個無分支電路的連接方式。適用情形適用情形：當單獨一個電容器的耐壓不能滿足電路要求，而它當單獨一個電容器的耐壓不能滿足電路要求，而它的容量又足夠大時，可將幾個電容器串聯(lián)起來，再接到電路中的容量又足夠大時，可將幾個電容器串聯(lián)起來，再接到電路中使用。使用。 串聯(lián)時每個極板上的電荷量都是串聯(lián)時每個極板上的電荷量都是 q 。 設每個電容器的電容分別為設每個電容器的電容分別為 C1、C2、C3，電壓

11、分別為，電壓分別為U1、U2、U3，則，則332211 CqU,CqU,CqU 總電壓總電壓U等于各個電容器上的電壓之和，所以等于各個電容器上的電壓之和，所以 )111(32121CCCqUUUU 3設串聯(lián)總設串聯(lián)總電容電容( (等效電容等效電容) )為為 C，則由，則由 ，可得，可得UqC 3211111CCCC 即串聯(lián)電容器總電容的倒數(shù)等于各電容器電容的倒數(shù)之和。即串聯(lián)電容器總電容的倒數(shù)等于各電容器電容的倒數(shù)之和。 串聯(lián)電容的計算 電容的并聯(lián)：把幾只電容器接到兩個節(jié)點之間的連電容的并聯(lián)：把幾只電容器接到兩個節(jié)點之間的連接方式。接方式。 二、電容器的并聯(lián)適用情形適用情形：當單獨一個電容器的電

12、容量不能滿足電路：當單獨一個電容器的電容量不能滿足電路的要求，而其耐壓均滿足電路要求時，可將幾個電容的要求，而其耐壓均滿足電路要求時，可將幾個電容器并聯(lián)起來，再接到電路中使用。器并聯(lián)起來，再接到電路中使用。 并聯(lián)電容的計算 電容器并聯(lián)時，加在每個電容器上的電壓都相等。設電容器電容器并聯(lián)時，加在每個電容器上的電壓都相等。設電容器的電容分別為的電容分別為 C1、C2、C3，所帶的電量分別為，所帶的電量分別為 q1、q2、q3，則，則UCq,UCq,UCq332211 電容器組儲存的總電量電容器組儲存的總電量 q 等于各個電容器所帶電量之和，即等于各個電容器所帶電量之和，即UCCCqqq)(3213

13、21 設并聯(lián)電容器的總電容設并聯(lián)電容器的總電容(等效電容等效電容)為為 C ，由，由 q = CU ，得得 321CCCC 即并聯(lián)電容器的總電容等于各個電容器的電容之和。即并聯(lián)電容器的總電容等于各個電容器的電容之和。 3-4 電容器中電場能一、電容器的充電和放電一、電容器的充電和放電 電容在充電過程中，電容器儲存了電荷，也儲存了能量；電容在充電過程中，電容器儲存了電荷，也儲存了能量；在放電過程中，電容器將正、負電荷中和，也隨之放出了能在放電過程中，電容器將正、負電荷中和，也隨之放出了能量。量。 1、電容器的充電、電容器的充電 充電過程中，隨著電容器兩極板上所帶的電荷量的增加，充電過程中，隨著電

14、容器兩極板上所帶的電荷量的增加，電容器兩端電壓逐漸增大，充電電流逐漸減小，當充電結束時電容器兩端電壓逐漸增大，充電電流逐漸減小，當充電結束時，電流為零，電容器兩端電壓電流為零，電容器兩端電壓 UC = E2、電容器的放電 放電過程中，隨著電容器極板上電量的減少，電容器兩端放電過程中，隨著電容器極板上電量的減少，電容器兩端電壓逐漸減小，放電電流也逐漸減小直至為零，此時放電過程電壓逐漸減小，放電電流也逐漸減小直至為零，此時放電過程結束。結束。3、電容器的充放電電流tqi 由由 ，可得，可得 。所以。所以 CCuq CuCq tuCtqiC 需要說明的是，電路中的電流是由于電容器充、放電形需要說明的

15、是，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。成的，并非電荷直接通過了介質。 充放電過程中，電容器極板上儲存的電荷發(fā)生了變化，電充放電過程中，電容器極板上儲存的電荷發(fā)生了變化，電路中有電流產生。其電流大小為路中有電流產生。其電流大小為電容充放電注意事項 （2）若將交變電壓加在電容兩端，則）若將交變電壓加在電容兩端，則電路中有交變的充發(fā)電流通過，即電容電路中有交變的充發(fā)電流通過，即電容具有通交流作用。具有通交流作用。 （1）若電容兩端加直流，）若電容兩端加直流， ，電容器相當于開路，所以電容器具有，電容器相當于開路，所以電容器具有隔直流的作用隔直流的作用。0tuCiCC二、

16、電容器中的電場能1能量來源能量來源 電容器在充電過程中，兩極板上有電荷積累，極板間形成電容器在充電過程中，兩極板上有電荷積累，極板間形成電場。電場具有能量，此能電場。電場具有能量，此能量是從電源吸取過來儲存在電容器量是從電源吸取過來儲存在電容器中的。中的。 從能量轉化角度看，電容器的充放電過程，實質上是電容從能量轉化角度看，電容器的充放電過程，實質上是電容器與外部能量的交換過程。在此過程中，電容器本身不消耗能器與外部能量的交換過程。在此過程中，電容器本身不消耗能量，所以說電容器是一種儲能元件。量，所以說電容器是一種儲能元件。 2儲能大小的計算儲能大小的計算221CUWC3-4 電容器中電場能一

17、、電容器的充電和放電一、電容器的充電和放電 電容在充電過程中，電容器儲存了電荷，也儲存了能量；電容在充電過程中，電容器儲存了電荷，也儲存了能量；在放電過程中，電容器將正、負電荷中和，也隨之放出了能在放電過程中，電容器將正、負電荷中和，也隨之放出了能量。量。 1、電容器的充電、電容器的充電 充電過程中，隨著電容器兩極板上所帶的電荷量的增加，充電過程中，隨著電容器兩極板上所帶的電荷量的增加，電容器兩端電壓逐漸增大，充電電流逐漸減小，當充電結束時電容器兩端電壓逐漸增大，充電電流逐漸減小，當充電結束時，電流為零，電容器兩端電壓電流為零，電容器兩端電壓 UC = E2、電容器的放電 放電過程中，隨著電容

18、器極板上電量的減少，電容器兩端放電過程中，隨著電容器極板上電量的減少，電容器兩端電壓逐漸減小，放電電流也逐漸減小直至為零，此時放電過程電壓逐漸減小，放電電流也逐漸減小直至為零，此時放電過程結束。結束。3、電容器的充放電電流tqi 由由 ，可得，可得 。所以。所以 CCuq CuCq tuCtqiC 需要說明的是，電路中的電流是由于電容器充、放電形需要說明的是，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。成的，并非電荷直接通過了介質。 充放電過程中，電容器極板上儲存的電荷發(fā)生了變化，電充放電過程中，電容器極板上儲存的電荷發(fā)生了變化，電路中有電流產生。其電流大小為路中有電流產生。其電流大小為電容充放電注意事項 （2）若將交變電壓加在電容兩端，則）若將交變電壓加在電容兩端，則電路中有交變的充發(fā)電流通過，即電容電路中有交變的充發(fā)電流通過，即電容具有通交流作用。具有通交流作用。 （1）若電容兩端加直流，）若電容兩端加直流， ，電容器相當于開路，所以電容器具有，電容器相當于開路，所以電容器具有隔直流的作用隔直流的作用。0tuC