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 理解電容器的充 放電過程 1 理解電容的概念及其計算 2 掌握電容器串 并聯(lián)的性質(zhì)及等效電容的計算 3 理解電容充 放電過程中的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及有關(guān)計算 教學(xué)難點 學(xué)時分配 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 這對導(dǎo)體叫電容器的兩個極板 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 它們在電路中的符號參見表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 使用時不可將極性接反或接到交流電路中 否則會將電解電容器擊穿 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 電容器是儲存和容納電荷的裝置 也是儲存電場能量的裝置 電容器每個極板上所儲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電荷 這個過程叫電容器的充電過程 電容器充電后 極板間有電場和電壓 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 兩極板間的電壓U也隨之增加或減少 但Q與U的比值是一個恒量 不同的電容器 Q U的值不同 電容反映了電容器儲存電荷能力的大小 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 電容器將被擊穿 四 說明 例4 1 將一個電容為6 8 F的電容器接到電動勢為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) 把幾個電容器首尾相接連成一個無分支的電路 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)時每個極板上的電荷量都是q 設(shè)每個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 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 加在每個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 電容器組儲存的總電量q等于各個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 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)電容器中的電場能量 一 電容器中的電場能量 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 電場具有能量 此能量是從電源吸取過來儲存在電容器中的 2 儲能大小的計算電容器充電時 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表示在某個很短的時間內(nèi)電容器極板上增加的電量 在這段時間內(nèi) 可認(rèn)為電容器兩端的電壓為UC 此時電源運(yùn)送電荷做功為 即為這段時間內(nèi)電容器所儲存的能量增加的數(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 電容器兩極板間的電壓達(dá)到穩(wěn)定值UC 此時 電容器所儲存的電場能量應(yīng)為整個充電過程中電源運(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 電容器從電源吸收能量并儲存起來 當(dāng)電容器兩端電壓降低時 電容器便把它原來所儲存的能量釋放出來 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能元件 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 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 任何兩個相互靠近又彼此絕緣的導(dǎo)體 都可看成是一個電容器 3 電容器是儲能元件 充電時把能量儲存起來 放電時把儲存的能量釋放出去 儲存在電容器中的電場能量為 一 電容器 若電容器極板上所儲存的電荷量不變 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 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