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电容器在电子电路中的作用
发表日期:2010-04-02 09:18:36 来源:《无线电》杂志 作者: 【 】 浏览:5904次 评论:0
 少年电子技师在进行电子制作中需使用形形色色的电容器。它们在电路中分别扮演着各种不同的角色。那么,电容器是一种具有什么特性的电子元件呢?它在电路中起着什么样的作用呢?下面就来和少年电子技师谈谈这方面的问题。

储存电荷的容器

  从电容器的名称上可以看出,它是一种电的“容器”,具体地说,是一种储存电荷的“容器”。尽管电容器品种繁多,形态各异,但它们的基本结构是相同的。广义地说,两片相距很近的金属板(或金属薄膜)中间被绝缘的物质(固体、气体或液体)所隔开,就构成了电容器,如图1所示。两片金属板称为电容器的极板,中间的绝缘物质叫做介质。电容器储存电荷的过程可以用图2来说明。把电容器的两个极板分别接在干电池的正、负极上,由于干电池的正极带正电,将吸引与它相连的极板上带负电的自由电子,使这块极板因失去了负电荷而带正电;干电池的负极带负电,它会把带负电的自由电子推斥到与它相连的极板上,这块极板因获得负电荷而带负电,如图2(a)所示。由于两片极板面积较大,距离很近,正、负电荷之间有着较强的吸引力,这时,即使把干电池断开,两片极板上的电荷仍然会保留下来,这就相当于电容器储存了电荷,如图2(b)所示。值得注意的是,随着电容器极板上正、负电荷的积累,两极板之间也就建立起电压,积蓄起电能,这个过程称为电容器的充电过程。

  电容器的充电过程

  为了对电容器的充电过程有一个直观的印象,我们先来做一个简单的实验。将一个未充电的电容器(这里选用4000μF、耐压10V的铝电解电容器)接入图3的电路中,当开关S合向1点时,电容器就被电源GB充电,我们注意观察将发现,小灯泡EL开始很亮,然后变暗,说明电路中有电流流过,从大到小变化,经过一定时间之后,灯泡熄灭,说明电流已等于零。

  为什么电容器在充电过程中,电路中的电流会由大变小最后就没有电流了呢?这是因为当开关S合向1点的瞬间,电容器上还没有电荷,电容器两端的电压(用uc表示)等于零,电源电压U全部加在小灯泡EL两端,流过小灯泡的充电电流最大,所以小灯泡最亮。随着充电过程的进行,两极板分别积累起正、负电荷,电容器两端的电压也由零值逐渐增大,小灯泡两端的电压(U-uc)则逐渐减小,充电电流也逐渐下降。最后,电容器极板上的电荷积累到一定程度,它两端的电压升高到uc=U时,由于uc与U的极性相反,达到了动态平衡,电容器极板上的电荷不再变动,充电电流等于零,小灯泡就不亮了,充电过程到此结束。

  上述实验使我们了解了电容器充电的物理过程:电容器接通直流电源后,电源的正极从与它相连的极板上吸引电子,电源的负极将电子推斥到与它相连的极板上,电路中出现了自由电子的有规则的运动,形成了电容器的充电电流。随着充电的进行,充电电流由大逐渐减小,电容器两端的电压由零逐渐增大。当电容器两端的电压上升到与电源电压相等时,充电电流等于零,充电过程结束。显然,接有电容器的电子电路,只是在电容器充电的过程中,电路中流过充电电流,充电过程结束后,电容器是不能通过直流电的,在电路中起着“隔直流”的作用。

  电容器的放电过程

  一个充好电的电容器两端,建立起一定的电压,积蓄着一定的能量,这一能量释放时,会在电路中做功,把电能转换成其它形式的能量。电容器储存的电荷向电路释放的过程,称为电容器的放电。

为了直观地了解电容器的放电过程,我们继续进行图3所示的简单实验。当电容器C充好电后,把开关S扳向2点,注意观察将会发现,小灯泡开始很亮,逐渐由亮变暗,最后熄灭。这个实验说明,充好电的电容器储存了电荷,建立起电压,积蓄着能量,如同是一个直流电源。把它和小灯泡EL接成闭合回路时,回路中将产生电流——电容器的放电电流。此时,电容器极板上的电荷逐渐释放,电容器两端的电压逐渐降低,回路中的放电电流逐渐减小,直到电荷释放殆尽,放电过程结束。

  怎样衡量电容器容量的大小

  电容器既然是一种储存电荷的“容器”,就必然会有个“容量”大小的问题。为了衡量电容器储存电荷的能力,于是确定了电容量这个物理量。大家知道,电容器必须在外加电压的作用下才能储存电荷。不同的电容器在电压作用下储存的电荷量也可能很不相同。为此国际上统一规定,给电容器外加1伏特直流电压时,它所能储存的电荷量,为该电容器的电容量,用字母C表示。电容量的基本单位为法拉。在1伏特直流电压作用下,如果电容器储存的电荷为1库仑,电容量就被定为1法拉,法拉用符号F表示。在实际应用中,电容器的电容量往往比1法拉小得多,常用较小的单位,如微法(μF)、皮法(pF)等,它们的关系是:1微法等于百万分之一法拉;1皮法等于百万分之一微法,即

1法拉(F)=1000000微法(μF)

1微法(μF)=1000000皮法(pF)

衡量充放电时间长短的指标—时间常数

由以上实验可以观察到,在由电阻( 图3中的小灯泡)和电容器组成的电路(常称为RC电路)中,电容器的充电和放电需要一定的时间。那么,怎样定量估算一个RC电路(图4)电容器充电(或放电)所经历的时间呢?大家可以对图4的电路进行推敲:如果电容器的电容量C一定,电阻R越大,充电电流就越小,充电时间也就越长;如果电阻R一定,电容量C越大,电容器充满电所需要的电荷就越多,充电时间也就越长。显然,电容量C和电阻值R是决定电容器充电快慢的两个主要因素,与电源电压无关。人们把RC电路中电阻R与电容量C的乘积,称为RC充(放)电回路的时间常数,用希腊字母τ表示,它的单位是秒,即τ=RC(秒)理论分析和实验都可以证明,从RC电路中电容器开始放电瞬间起,经过3τ时间,电容器两端的电压可以充到电源电压的95%,经过5τ时间,上升到电源电压的99?3%。于是,在电路分析与计算中,将RC电路的充(放)电时间取为5τ。例如图3的电路,电容器的电容量C=4000微法,小灯泡的电阻R=60欧姆,可以算出回路的时间常数τ=0?24秒。充电或放电所经历的时间大致需要5τ,也就是1?2秒。

  交流电为什么能够通过电容器

  在电子电路中,电容器常被用作耦合、旁路、滤波等,都是利用它“隔直流,传交流”的特性。为什么交流信号可以顺利地“通过”电容器,又可靠地隔断直流电流呢?为了说明这个问题,我们先来简单谈谈交流电的特点。图5给出了常见的正弦波交流电的波形图。把交流电往复变化的一个周期分成4段:在0-1段,电压从零值向最大值连续增长;在1-2段,电压从最大值连续减小到零;2-3段,电压从零值向负的最大值连续增长;3-4段,电压从负的最大值连续减小到零。显然,正弦波交流电不仅方向往复交变,它的大小也在每时每刻发生着变化。把电容器接在交流电源上(图6),当电压处于正向或负向增长阶段,电容器连续充电;当电压正、负最大值向零值减小阶段,电容器连续放电。这样,电路中就会流过与正弦波电压变化规律一致的充电电流和放电电流,图6中的小灯泡EL也就连续发光。虽然电容器的介质并不导电,却如同交流电“通过”电容器一样,在正弦交流电压的作用下,产生了正弦交流电流。▲

 
Tags:电容器 电子 电路 作用 责任编辑:无线电
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