電容器充電和放電

一、電容器的充電和放電

圖為電容器充、放電實驗電路，其中C大容量（儲存電荷多）未充電的電容器，E為內(nèi)阻很小的直流電源，HL為小燈泡。第一頁，共16頁。1.電容器的充電

當(dāng)開關(guān)“S”置于接點“1”，電源便向電容器充電。觀察到的現(xiàn)象是：開始時燈泡較亮，然后逐漸變暗，從電流表可以觀察到充電電流由大到小的變化，從電壓表可以觀察到電容器兩端電壓由小到大變化。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電動勢，即

，這表明電容器已充滿了電荷。第二頁，共16頁。電容器的充電過程第三頁，共16頁。思考一下：

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，那么它為什么又能儲存電荷呢？第四頁，共16頁。

圖為電容器充電示意圖，在接上電源瞬間，電源負(fù)端的電子便向電容器的負(fù)極板流去，但由于兩極板間絕緣介質(zhì)不導(dǎo)電，所以這些負(fù)電荷只能積累在負(fù)極板上，又由于這些負(fù)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(fù)極板一側(cè)便形成正電荷層，靠近電容器正極板一側(cè)便形成負(fù)電荷層。正極板中的電子則被絕緣介質(zhì)中的負(fù)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。第五頁，共16頁。

隨著正負(fù)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漸減小，當(dāng)兩者電位達(dá)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(fù)端的電子向電容器的負(fù)極板流去，正極板中的電子則被絕緣介質(zhì)中的負(fù)電荷排斥到電源正極，從而就形成了電流。第六頁，共16頁。2.電容器的放電圖3-7所示電路中，電容器充電結(jié)束后，將開關(guān)置于“2”，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(dāng)于一個等效電源。在電容器兩極板間電場力的作用下，負(fù)極板的負(fù)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電壓為零，電路中電流也為零。第七頁，共16頁。電容器的放電過程第八頁，共16頁。思考一下：（1）電容器的充放電電流實際通過電容器的絕緣介質(zhì)嗎？（2）當(dāng)電容器加上交流電壓時，電路中有電流流過嗎？為什么？第九頁，共16頁。（1）電容器的充放電電流沒有通過電容器的絕緣介質(zhì)。（2）當(dāng)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(dāng)交流電壓升高時，電容器充電儲存電荷，形成充電電流，當(dāng)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，電容器交替進(jìn)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，所以通常形象地說有交流電“通過”了電容器。第十頁，共16頁。二、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1K檔，兩支表筆分別于電容器兩端相接。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(biāo)在電容器的表面），黑表筆接電容器正極，紅表筆接電容器負(fù)極。第十一頁，共16頁。第十二頁，共16頁。判斷質(zhì)量好壞的方法：①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)到原位；②若電容器漏電量大很大，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。此值一般應(yīng)大于幾百至幾千歐；③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)部已短路④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，不足以使表針偏轉(zhuǎn)。第十三頁，共16頁。三、電容器中的電場能

斷電后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(dāng)電容器充電時，兩個極板上的正、負(fù)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，充電電容器中儲存的電場能可用下式表示：式中

—電容器中儲存的電場能，單位是J；—電容器兩極板間的電壓，單位是V；C—電容器中的電容，單位是F；Q—電荷量，單位是C。第十四頁，共16頁。

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(dāng)電容器的電容大時，能儲存的能量多)，所以電容反映了電容器儲存電場能量的能力。

當(dāng)電容器充電，電容器兩端電壓增加時，電容器便從電壓吸收能量并儲存起來；而當(dāng)電容器放電，兩端電壓降低時，它便把原來儲存的電場能量釋放出來，可見，電容器只與電源進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，它本身并不消耗能量，所以說電容器是一種儲能元件。

電容器兩端電壓的變化，反映了電容器中電場能量的變化。電容器中電場能量的積累和釋放都是一個逐漸變化的過程，它只能從一種穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一種穩(wěn)定狀態(tài)。因此，電容器兩端的電壓決不會發(fā)生突變，也只能是一個逐漸變化的過程。第十五頁，共16頁。四、RC電路的過渡過程

電容器充放電時，從一種穩(wěn)定狀態(tài)變化到另一種穩(wěn)定狀態(tài)所必須經(jīng)歷的物理過程稱作過渡過程。電容器充電時，其兩端電壓逐漸增大，充電電流逐漸減少；放電時，其兩端電壓逐漸減小，放電電流也逐漸減小。充放電達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所用的時間與R和C的大小有關(guān)。R和C的乘積稱為RC電流的時間常數(shù)，用