電工技術(shù)應(yīng)用 項目4 電容器的認識與檢測

寧鄉(xiāng)市職業(yè)中專學(xué)校精品系列課程《電工技術(shù)應(yīng)用》項目4：電容器的認識與檢測主講：肖義軍電容器是電路的基本元件，在電子技術(shù)中，常用于濾波、移相、耦合和選頻；在電力系統(tǒng)中，可用于電動機的起動與運行、電力系統(tǒng)功率因數(shù)的提高。本項目以電容器的認識與檢測為目標，重點介紹電容器的基本結(jié)構(gòu)和特性、連接方式和測量方法。4.1項目描述4.2知識準備4.2.1電容器與電容任務(wù)導(dǎo)引觀察圖4－1所示幾種常用電容器實物。電容體上標注的文字符號含義是什么？電解電容器為什么是圓柱狀？電容器的圖形符號是怎樣的呢？4.2知識準備4.2.1電容器與電容一、電容器基本概念任何兩個彼此絕緣而又互相靠近的導(dǎo)體，都可以看作一個電容器，兩個導(dǎo)體就是電容器的兩個電極，中間的絕緣物質(zhì)稱為電介質(zhì)。電容器最基本的特性是能夠儲存電荷。使電容器帶電的過程叫充電，把電容器的兩極分別與直流電源的正、負極相接后，與電源正極相接的極板上帶正電荷，與電源負極相接的極板帶等量的負電荷，此時，電容器儲存了能量，極板間建立了電場，兩極間存在電壓。使充電后的電容器失去電荷的過程叫放電，用一根導(dǎo)線把電容器的兩個電極接通，兩極上的電荷就互相中和，電容器就不帶電了，極板間電場消失，兩極間無電壓。4.2知識準備4.2.1電容器與電容一、電容器電容器符號電容器在電路圖中一般用字母C表示，圖形符號如圖所示，其中(a）為有極性電容器符號，(b)為無極性電容器符號，(c)為可變電容器符號。4.2知識準備4.2.1電容器與電容二、電容電容器極板上所儲存的電荷隨著外接電源電壓的增高而增加。對某一個電容器而言，其中任意一個極板所儲存的電荷量，與兩個極板間電壓的比值是一個常數(shù)，但是對于不同的電容器，這一比值則不相同。因此，常用這一比值來表示電容器儲存電荷的本領(lǐng)。如果電容器兩極板間的電壓是U時，電容器任一極板所帶電荷量是Q，那么Q與U的比值叫電容器的電容量，簡稱電容，用字母C表示，即式中Q表示一個極板上的電荷量，單位是C（庫侖）；U表示兩極板間的電壓，單位是V（伏特）；C表示電容，單位是F（法拉）。4.2知識準備4.2.1電容器與電容二、電容如果在電容器兩極板間加1V電壓，每個極板所儲存的電荷量為1C，則其電容就為1F。在實際應(yīng)用中，法拉的單位太大，常用較小的單位有微法(μF)和皮法(pF)，它們之間的換算關(guān)系是4.2知識準備4.2.1電容器與電容三、平行板電容器的電容做中學(xué)、做中教用數(shù)字萬用表電容擋檢測平行板電容器的電容，調(diào)節(jié)電容器調(diào)節(jié)旋鈕，觀察數(shù)字萬用表顯示的數(shù)值與平行板極板正對面積大小的關(guān)系。4.2知識準備4.2.1電容器與電容三、平行板電容器的電容做中學(xué)、做中教根據(jù)上述實踐，發(fā)現(xiàn)平行板電容器正對面積變大，電容量變大；面積變小，電容量變小。理論和實驗證明，平行板電容器的電容量與極板正對面積及電介質(zhì)常數(shù)成正比，與兩極板間的距離成反比，即式中，S表示兩極板正對的面積，單位為m2；d表示兩極板間的距離，單位為m；ε表示電介質(zhì)的介電常數(shù)，單位為F/m；算出的電容單位為F。4.2知識準備4.2.1電容器與電容三、平行板電容器的電容不同電介質(zhì)的介電常數(shù)是不同的，真空中的介電常數(shù)用ε0表示，ε0≈8.86×10－12F/m。某種介質(zhì)的介電常數(shù)ε與ε0之比，稱為該介質(zhì)的相對介電常數(shù)，用εr表示，即εr＝ε/ε0。常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)見表4.2知識準備4.2.1電容器與電容三、平行板電容器的電容電容是電容器的固有特性，只與兩極板的正對面積、極板間距離和極板間的絕緣材料變化有關(guān)，與外界條件變化、電容器是否帶電或帶電多少無關(guān)。為了減小體積，鋁電解電容器將電解質(zhì)卷起來做成圓柱狀，因此，我們平時看到的電解電容器外形為圓柱狀。應(yīng)當指出，并不是電容器才有電容，實際上任何兩個導(dǎo)體之間都存在電容。例如，電力電纜，每根導(dǎo)線之間都被橡膠隔開，存在電容；安裝中如果用搖表進行了檢測，必須進行放電再操作，否則將導(dǎo)致觸電。4.2知識準備4.2.1電容器與電容【例4－1】有一真空電容器，其電容是10μF，將其極板距離增大一倍，并在極板間充滿云母，求云母電容器的容量為多少？解：查表4－1，云母的介電常數(shù)εr＝7真空電容器的電容云母電容器的電容4.2知識準備4.2.2電容器的連接任務(wù)導(dǎo)引在檢修某洗衣機時，發(fā)現(xiàn)電動機起動電容器損壞，原電容器為10μF/450V,現(xiàn)手邊有5μF/450V和20μF/450V電容器若干，如何利用現(xiàn)有電容器科學(xué)連接進行解決呢？4.2知識準備4.2.2電容器的連接一、電容器的串聯(lián)做中學(xué)、做中教用數(shù)字萬用表電容擋對10μF/450V、2.5μF/450V的電容器的容量分單獨和串聯(lián)三次進行測量，分析三次測量結(jié)果之間的關(guān)系？按圖4－3所示連接電路，閉合開關(guān)，讀出各電壓表讀數(shù)，分析三個電壓讀數(shù)之間的關(guān)系。4.2知識準備4.2.2電容器的連接一、電容器的串聯(lián)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叫電容器的串聯(lián)。每個電容器的極板上充有等量異種電荷，所以，電容器串聯(lián)后等效電容器上所帶的電量與各電容所帶電量相等，即：Q=Q1=Q2。特點總電壓等于各電容器電壓之和，即：U=U1=U2。4.2知識準備4.2.2電容器的連接一、電容器的串聯(lián)電容器串聯(lián)后，相當于增大了極板間的距離，因此，總電容小于每一個電容容量。但電容器串聯(lián)后，總電容電壓等于各電容電壓之和，因此，電容器串聯(lián)后耐壓增大了。常用于提高電容器耐壓的場合。結(jié)論電容器串聯(lián)后的總電容的倒數(shù)等于各個分電容的倒數(shù)之和。4.2知識準備4.2.2電容器的連接【例4－2】如圖4－4所示，U=60V,C1＝2μF，C2＝3μF,C3=6μF,求每只電容器的電壓U分別是多少？解：由電容器串聯(lián)的公式求出總電容。則

C=1μF根據(jù)總電容、總電壓和總電荷量的關(guān)系，可求出總電荷量Q4.2知識準備4.2.2電容器的連接電容器串聯(lián)電路中，各個電容器所帶電荷量相等，即電容器C2所承受的電壓U2為可以看出，電容大的電容器分配到的電壓?。浑娙菪〉碾娙萜鞣峙涞降碾妷捍?，即在電容器串聯(lián)電路中，各個電容器兩端的電壓和其自身的電容成反比。電容器C3所承受的電壓U3為電容器C1所承受的電壓U1為4.2知識準備4.2.2電容器的連接【例4－3】有兩個金屬化紙介電容器串聯(lián)后兩端接360V電壓，如圖所示。其中C1=0.25μF，耐壓200V；C2=0.5μF，耐壓300V。問電路能否正常工作？

解：電路能否正常工作，要看串聯(lián)電路中每只電容器上所加的電壓是否超過了自身的耐壓。若在耐壓范圍之內(nèi)，工作是安全可靠的，否則會發(fā)生危險?？傠娙軨為4.2知識準備4.2.2電容器的連接各個電容器所帶電荷量電容器C1承受的電壓電容器C2承受的電壓由于電容器C1所承受的電壓是240V，超過了它耐壓能力（200V），所以C1會被擊穿，C1擊穿后致使360V電壓全部加到C2上，也超過了C2的耐壓能力（300V），所以C2也會被擊穿，這樣使用是不安全的。4.2知識準備4.2.2電容器的連接二、電容器的并聯(lián)做中學(xué)、做中教用數(shù)字萬用表電容擋對10μF/450V、5μF/450V的電容器的容量分單獨和并聯(lián)三次進行測量，分析三次測量結(jié)果之間的關(guān)系？4.2知識準備4.2.2電容器的連接二、電容器的并聯(lián)將兩個或兩個以上電容器的一端接在一起，另一端也接在一起的連接方式叫做電容器的并聯(lián)，如圖4-6所示。電容器并聯(lián)電路每個電容器兩端的電壓相同，并等于外加電源電壓，即：U=U1=U2。特點由于并聯(lián)電容器兩端的電壓相同，每個電容器所儲存的電荷量為Q1=C1U，Q2=C2U4.2知識準備4.2.2電容器的連接二、電容器的并聯(lián)設(shè)并聯(lián)電容器的總電容為C,因

，所以結(jié)論因電容器組儲存的總電荷等于各電容器儲存電荷之和，即Q=Q1+Q2電容器并聯(lián)后的等效電容量等于各個電容器的電容量之和。當n個等值電容并聯(lián)時，其等效電容為C=nC0。電容器并聯(lián)后，相當于增大了極板的面積，電容量增大，因此，常用于增大電容器容量的場合。電容器并聯(lián)電路中，每只電容器均承受外加電壓，因此，每只電容器的耐壓均應(yīng)大于外加電壓。4.2知識準備4.2.2電容器的連接【例4－4】電容器甲容量為10μF，充電后兩端電壓為30V；電容器乙容量為20μF，充電后兩端電壓為15V；若把它們并聯(lián)在一起，其兩端電壓變?yōu)槎嗌?？解：連接前，電容器甲所帶電荷為連接前，電容器乙所帶電荷為并聯(lián)后的總電荷為4.2知識準備4.2.2電容器的連接并聯(lián)后的總電容為因總電荷不會隨連接而改變，因此，連接后的共同電壓為4.2知識準備4.2.3電容器的充電與放電任務(wù)導(dǎo)引按圖4－7連接電路，把開關(guān)打到1位置，仔細觀察電壓表和電流表指針變化情況。把開關(guān)打到2位置，仔細觀察電壓表和電流表指針變化情況。4.2知識準備4.2.3電容器的充電與放電一、電容器的充電在任務(wù)導(dǎo)引電路實驗中，我們把開關(guān)打到1位置時，發(fā)現(xiàn)電流表指針首先往正方向偏轉(zhuǎn)很大，然后慢慢回到零位置；電壓表指針由零逐漸變大。原因分析：這是由于S閉合的瞬間，電容器的極板和電源之間存在著較大的電壓，所以，開始充電電流較大。隨著電容器極板上電荷的積聚，電容器兩端電壓的上升，二者之間的電壓逐漸減小，電流也就越來越小。當二者之間不存在電壓時，電流為零，即充電結(jié)束。此時電容器兩端的電壓UC=E，電容器中儲存的電荷Q=CE。4.2知識準備4.2.3電容器的充電與放電二、電容器的放電在任務(wù)導(dǎo)引電路實驗中，電容充電結(jié)束后我們把開關(guān)打到2位置時，發(fā)現(xiàn)電流表指針首先往負方向偏轉(zhuǎn)很大，然后慢慢回到零位置；電壓表指針則由大逐漸變小，最后回到零。原因分析：這是由于S閉合后，電容器極板上的正、負電荷通過R2不斷中和，兩極板間電壓越來越小，電流也就越來越小。放電結(jié)束，電容器兩極板上的正、負電荷全部中和，兩極板間就不存在電壓了，因此，電路中的電流為零。4.2知識準備4.2.3電容器的充電與放電三、電容器中的電場能電容器在充電過程中，兩個極板上電荷進行積累，兩極板間就形成了電場。電場具有能量，此能量是從電源吸取過來儲存在電容器中。式中,電容C用F作單位,電壓UC用V作單位,電荷Q用C作單位,計算出的能量用J作單位。儲存在電容器中的電場能量可用下式計算結(jié)論：電容器中儲存的電場能量與電容器的電容成正比,與電容器兩極板之間的電壓的平方成正比。4.2知識準備4.2.3電容器的充電與放電電容器和電阻器都是電路中的基本元件,但它們在電路中所起的作用卻不相同。充電時,電容器便從電源吸收能量進行儲存,而當電容器放電時,便把儲存的電場能量釋放出去,也就是說電容器本身只與電源進行能量的交換,并不消耗能量，所以說電容器是一種儲能元件。電阻器則與此不同,它在電路中的作用是把電能轉(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能輻射至空間或傳遞給別的物體，即在電阻器上所進行的電能與熱能之間的能量轉(zhuǎn)換是不可逆的，也就是說電阻器是耗能元件。特別說明，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，這種消耗的能量稱為電容器的損耗。4.3任務(wù)實現(xiàn)4.3.1電容器的認識1.電解電容器電解電容器圖形符號如圖4－8（a）所示。圖4－8（b）為鋁電解電容器實物，外面包有一層塑料薄膜，里面為鋁殼，其極性標識非常清楚，標有“－”號一側(cè)為負極，另一側(cè)為正極；圖4－8（c）為貼片鋁電解電容器實物，有標記的一端為負極；圖4－8（d）為貼片鉭電解電容器實物，有標記的一端為正極，與貼片鋁電解電容正好相反。4.3任務(wù)實現(xiàn)4.3.1電容器的認識2.瓷介電容器圖4－9（a）為無極性電容器圖形符號。圖4－9（b）為瓷片電容器實物，一般為片狀，其標稱值直接標注在外殼上；圖4－9（c）為獨石電容器實物，獨石電容器又稱為多層陶瓷電容器；圖4－9（d）為貼片陶瓷電容器實物。4.3任務(wù)實現(xiàn)4.3.1電容器的認識3.薄膜電容器薄膜電容器實物如圖4－10所示，圖4－10（a）為滌綸電容器實物，外形扁平；圖4－10（b）為CBB電容器實物，CBB電容器為聚丙烯電容器。4.3任務(wù)實現(xiàn)4.3.2電容器的質(zhì)量檢測一、指針式萬用表測量1.用指針式萬用表測量電解電容（1）選擇萬用表擋位針對電容的不同容量選用合適的量程。一般情況下，1～47μF間的電容，可用R×1K擋測量，大于47μF的電容可用R×100擋測量。（2）測量將萬用表紅表筆接電解電容的負（或正）極，黑表筆接正（或負）極，在剛接觸的瞬間，萬用表指針即向右偏轉(zhuǎn)較大角度（對于同一電阻擋，容量越大，擺幅越大），接著逐漸向左回轉(zhuǎn)，直到停在某一位置。此時的阻值便是電解電容的正向（或反向）漏電阻，正向漏電阻略大于反向漏電阻。電解電容的漏電阻一般應(yīng)在幾百千歐以上，否則，將不能正常使用。在測試中，若正向、反向均無充電的現(xiàn)象，即表針不動，則說明電解電容的容量消失或內(nèi)部斷路；如果所測阻值很小或為零，說明電容漏電大或已擊穿損壞，不能再使用。4.3任務(wù)實現(xiàn)4.3.2電容器的質(zhì)量檢測（3）判別極性

對于正、負極標志不明的電解電容器，可利用上述測量漏電阻的方法加以判別，即先任意測一下漏電阻，記住其大小，然后交換表筆再測出一個阻值。兩次測量中阻值大的那一次便是正向接法，即黑表筆接的是正極，紅表筆接的是負極。