電工基礎(chǔ)《第四章電容器》課件(周紹敏)PPT課件

第四章 電容 第四章電容 教學(xué)重點(diǎn) 理解電容器的充 放電過程 1 理解電容的概念及其計(jì)算 2 掌握電容器串 并聯(lián)的性質(zhì)及等效電容的計(jì)算 3 理解電容充 放電過程中的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及有關(guān)計(jì)算 教學(xué)難點(diǎn) 學(xué)時(shí)分配 第四章電容 第一節(jié)電容器和電容 第二節(jié)電容器的連接 第三節(jié)電容器的充電和放電 第四節(jié)電容器中的電場(chǎng)能量 本章小結(jié) 第一節(jié)電容器和電容 一 電容器 二 電容 三 平行板電容器的電容 四 說明 1 結(jié)構(gòu) 兩個(gè)彼此靠近又相互絕緣的導(dǎo)體 就構(gòu)成了一只電容器 這對(duì)導(dǎo)體叫電容器的兩個(gè)極板 2 種類 電容器按其電容量是否可變 可分為固定電容器和可變電容器 可變電容器還包括半可變電容器 它們?cè)陔娐分械姆?hào)參見表4 1 一 電容器 固定電容器的電容量是固定不變的 它的性能和用途與兩極板間的介質(zhì)有關(guān) 一般常用的介質(zhì)有云母 陶瓷 金屬氧化膜 紙介質(zhì) 鋁電解質(zhì)等 電解電容器是有正負(fù)極之分的 使用時(shí)不可將極性接反或接到交流電路中 否則會(huì)將電解電容器擊穿 電容量在一定范圍內(nèi)可調(diào)的電容器叫可變電容器 半可變電容器又叫微調(diào)電容 常用的電容器如圖4 1所示 圖4 1常用電容器 3 作用 電容器是儲(chǔ)存和容納電荷的裝置 也是儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的裝置 電容器每個(gè)極板上所儲(chǔ)存的電荷的量叫電容器的電量 將電容器兩極板分別接到電源的正 負(fù)極上 使電容器兩極板分別帶上等量異號(hào)電荷 這個(gè)過程叫電容器的充電過程 電容器充電后 極板間有電場(chǎng)和電壓 用一根導(dǎo)線將電容器兩極板相連 兩極板上正 負(fù)電荷中和 電容器失去電量 這個(gè)過程稱為電容器的放電過程 4 平行板電容器 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(jiǎn)單的電容器 圖4 2給出了平板電容器的示意圖 圖4 2平行板電容器 1 電容C 如圖4 2所示 當(dāng)電容器極板上所帶的電量Q增加或減少時(shí) 兩極板間的電壓U也隨之增加或減少 但Q與U的比值是一個(gè)恒量 不同的電容器 Q U的值不同 電容反映了電容器儲(chǔ)存電荷能力的大小 它只與電容本身的性質(zhì)有關(guān) 與電容器所帶的電量及電容器兩極板間的電壓無關(guān) 電容器所帶電量與兩極板間電壓之比 稱為電容器的電容 二 電容 圖4 2平行板電容器 2 單位 電容的單位有法拉 F 微法 F 皮法 pF 它們之間的關(guān)系為1F 106 F 1012pF 圖4 2所示的平行板電容器的電容C 跟介電常數(shù) 成正比 跟兩極板正對(duì)的面積S成正比 跟極板間的距離成d反比 即 式中介電常數(shù) 由介質(zhì)的性質(zhì)決定 單位是F m 真空介電常數(shù)為 某種介質(zhì)的介電常數(shù) 與真空介電常數(shù) 0之比 叫做該介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 用 r表示 即 三 平行板電容器的電容 r 0 0 8 86 10 12F m 圖4 2平行板電容器 表4 2給出了幾種常用介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 1 電容是電容器的固有特性 它只與兩極板正對(duì)面積 板間距離及板間的介質(zhì)有關(guān) 與電容器是否帶電 帶電多少無關(guān) 2 任何兩個(gè)導(dǎo)體之間都存在電容 3 電容器存在耐壓值 當(dāng)加在電容器兩極板間的電壓大于它的額定電壓時(shí) 電容器將被擊穿 四 說明 例4 1 將一個(gè)電容為6 8 F的電容器接到電動(dòng)勢(shì)為1000V的直流電源上 充電結(jié)束后 求電容器極板上所帶的電量 解 根據(jù)電容定義式 則Q CU 6 8 10 6 1000 C 0 0068C 例4 2 有一真空電容器 其電容是8 2 F 其間充滿云母介質(zhì) 將兩極板間距離增大一倍后 求云母電容器的電容 解 查表4 2可知云母的相對(duì)介電常數(shù) r 7 則真空電容器的電容為 云母電容器的電容為 比較兩式可得 第二節(jié)電容器的連接 一 電容器的串聯(lián) 二 電容器的并聯(lián) 把幾個(gè)電容器首尾相接連成一個(gè)無分支的電路 稱為電容器的串聯(lián) 如圖4 3所示 一 電容器的串聯(lián) 圖4 3電容器的串聯(lián) 串聯(lián)時(shí)每個(gè)極板上的電荷量都是q 設(shè)每個(gè)電容器的電容分別為C1 C2 C3 電壓分別為U1 U2 U3 則 總電壓U等于各個(gè)電容器上的電壓之和 所以 設(shè)串聯(lián)總電容 等效電容 為C 則由 可得 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 例4 3 如圖4 3中 C1 C2 C3 C0 200 F 額定工作電壓為50V 電源電壓U 120V 求這組串聯(lián)電容器的等效電容是多大 每只電容器兩端的電壓是多大 在此電壓下工作是否安全 圖4 3電容器的串聯(lián) 解 三只電容串聯(lián)后的等效電容為 每只電容器上所帶的電荷量為 每只電容上的電壓為 電容器上的電壓小于它的額定電壓 因此電容在這種情況下工作是安全的 例4 4 現(xiàn)有兩只電容器 其中一只電容器的電容為C1 2 F 額定工作電壓為160V 另一只電容器的電容為C2 10 F 額定工作電壓為250V 若將這兩只電容器串聯(lián)起來 接在300V的直流電源上 如圖4 4所示 問每只電容器上的電壓是多少 這樣使用是否安全 圖4 4例題4 4圖 解 兩只電容器串聯(lián)后的等效電容為 各電容的電荷量為 各電容器上的電壓為 由于電容器C1的額定電壓是160V 而實(shí)際加在它上面的電壓是250V 遠(yuǎn)大于它的額定電壓 所以電容器C1可能會(huì)被擊穿 當(dāng)C1被擊穿后 300V的電壓將全部加在C2上 這一電壓也大于它的額定電壓 因而也可能被擊穿 由此可見 這樣使用是不安全的 本題中 每只電容器允許充入的電荷量分別為 為了使C1上的電荷量不超過3 2 10 4C 外加總電壓應(yīng)不超過 電容值不等的電容器串聯(lián)使用時(shí) 每只電容上分配的電壓與其電容成反比 如圖4 5所示 把幾只電容器的一端連在一起 另一端也連在一起的連接方式 叫電容器的并聯(lián) 二 電容器的并聯(lián) 圖4 5電容器的并聯(lián) 電容器并聯(lián)時(shí) 加在每個(gè)電容器上的電壓都相等 設(shè)電容器的電容分別為C1 C2 C3 所帶的電量分別為q1 q2 q3 則 電容器組儲(chǔ)存的總電量q等于各個(gè)電容器所帶電量之和 即 設(shè)并聯(lián)電容器的總電容 等效電容 為C 由q CU 得 即并聯(lián)電容器的總電容等于各個(gè)電容器的電容之和 例4 5 電容器A的電容為10 F 充電后電壓為30V 電容器B的電容為20 F 充電后電壓為15V 把它們并聯(lián)在一起 其電壓是多少 解 電容器A B連接前的帶電量分別為 連接后的共同電壓為 并聯(lián)后的總電容為 它們的總電荷量為 第三節(jié)電容器的充電和放電 一 電容器的充電 二 電容器的放電 三 電容器充 放電電流 四 電容器質(zhì)量的判別 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(dāng)充電結(jié)束時(shí) 電流為零 電容器兩端電壓 一 電容器的充電 UC E 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(shí)放電過程結(jié)束 由 可得 所以 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(zhì) 二 電容器的放電 三 電容器充 放電電流 充放電過程中 電容器極板上儲(chǔ)存的電荷發(fā)生了變化 電路中有電流產(chǎn)生 其電流大小為 利用電容器的充 放電作用 可用萬用表的電阻擋來判別較大容量電容器的質(zhì)量 將萬用表的表棒分別與電容器的兩端接觸 若指針偏轉(zhuǎn)后又很快回到接近于起始位置的地方 則說明電容器的質(zhì)量很好 漏電很小 若指針回不到起始位置 停在標(biāo)度盤某處 說明電容器漏電嚴(yán)重 這時(shí)指針?biāo)柑幍碾娮钄?shù)值即表示該電容的漏電阻值 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 若指針根本不偏轉(zhuǎn) 則說明電容器內(nèi)部可能斷路 四 電容器質(zhì)量的判別 第四節(jié)電容器中的電場(chǎng)能量 一 電容器中的電場(chǎng)能量 二 電容器在電路中的作用 1 能量來源電容器在充電過程中 兩極板上有電荷積累 極板間形成電場(chǎng) 電場(chǎng)具有能量 此能量是從電源吸取過來儲(chǔ)存在電容器中的 2 儲(chǔ)能大小的計(jì)算電容器充電時(shí) 極板上的電荷量q逐漸增加 兩板間電壓UC也在逐漸增加 電壓與電荷量成正比 即q CuC 如圖4 6所示 一 電容器中的電場(chǎng)能量 圖4 6uC q關(guān)系 把充入電容器的總電量q分成許多小等份 每一等份的電荷量為 q表示在某個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)電容器極板上增加的電量 在這段時(shí)間內(nèi) 可認(rèn)為電容器兩端的電壓為UC 此時(shí)電源運(yùn)送電荷做功為 即為這段時(shí)間內(nèi)電容器所儲(chǔ)存的能量增加的數(shù)值 式中 電容C的單位為F 電壓UC的單位為V 電荷量q的單位為C 能量的單位為J 電容器中儲(chǔ)存的能量與電容器的電容成正比 與電容器兩極板間電壓的平方成正比 當(dāng)充電結(jié)束時(shí) 電容器兩極板間的電壓達(dá)到穩(wěn)定值UC 此時(shí) 電容器所儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量應(yīng)為整個(gè)充電過程中電源運(yùn)送電荷所做的功之和 即把圖中每一小段所做的功都加起來 利用積分的方法可得 當(dāng)電容器兩端電壓增加時(shí) 電容器從電源吸收能量并儲(chǔ)存起來 當(dāng)電容器兩端電壓降低時(shí) 電容器便把它原來所儲(chǔ)存的能量釋放出來 即電容器本身只與電源進(jìn)行能量交換 而并不損耗能量 因此電容器是一種儲(chǔ)能元件 實(shí)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 二 電容器在電路中的作用 本章小結(jié) 一 電容器 二 電容 三 電容器的連接 2 平行板電容器是最簡(jiǎn)單的電容器 是由兩塊相互絕緣 彼此靠得很近的平行金屬板組成 1 任何兩個(gè)相互靠近又彼此絕緣的導(dǎo)體 都可看成是一個(gè)電容器 3 電容器是儲(chǔ)能元件 充電時(shí)把能量?jī)?chǔ)存起來 放電時(shí)把儲(chǔ)存的能量釋放出去 儲(chǔ)存在電容器中的電場(chǎng)能量為 一 電容器 若電容器極板上所儲(chǔ)存的電荷量不變 則電路中沒有電流流過 當(dāng)電容器極板上的所帶的電量發(fā)生變化時(shí) 電路中就有電流流過 其電流大小為 4 加在電容器兩端的電壓不能超過它的額定電壓 否則電容器將有可能被擊穿 1 電容器所帶的電量與它的兩極板間的電壓的比值 稱為電容器的電容 2 電容是電容器的固有特性 外界條件變化 電容器是否帶電或帶電