高中物理 第2章 電勢(shì)能與電勢(shì)差 第4節(jié) 電容器 電容 電容器素材 魯科版選修3-1（通用）

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1、電容器 電容器通常簡(jiǎn)稱其為電容，用字母C表示。定義1：電容器，顧名思義，是‘裝電的容器’，是一種容納電荷的器件。英文名稱：capacitor。電容是電子設(shè)備中大量使用的電子元件之一，廣泛應(yīng)用于電路中的隔直通交，耦合，旁路，濾波，調(diào)諧回路， 能量轉(zhuǎn)換，控制等方面。定義2：電容器，任何兩個(gè)彼此絕緣且相隔很近的導(dǎo)體（包括導(dǎo)線）間都構(gòu)成一個(gè)電容器。 通用公式C=Q/U平行板電容器專用公式：板間電場(chǎng)強(qiáng)度E=U/d ，電容器電容決定式 C=εS/4πkd 作用：在直流電路中，電容器是相當(dāng)于斷路的。電容器是一種能夠儲(chǔ)藏電荷的元件，也是最常用的電子元件之一。 這得從電容器的結(jié)構(gòu)上說起。最簡(jiǎn)單的電容器

2、是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)（包括空氣）構(gòu)成的。通電后，極板帶電，形成電壓（電勢(shì)差），但是由于中間的絕緣物質(zhì)，所以整個(gè)電容器是不導(dǎo)電的。不過，這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓（擊穿電壓）的前提條件下的。我們知道，任何物質(zhì)都是相對(duì)絕緣的，當(dāng)物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)是都可以導(dǎo)電的，我們稱這個(gè)電壓叫擊穿電壓。電容也不例外，電容被擊穿后，就不是絕緣體了。不過在中學(xué)階段，這樣的電壓在電路中是見不到的，所以都是在擊穿電壓以下工作的，可以被當(dāng)做絕緣體看。 但是，在交流電路中，因?yàn)殡娏鞯姆较蚴请S時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過程是有時(shí)間的，這個(gè)時(shí)候，在極板間形成變化的電場(chǎng)

3、，而這個(gè)電場(chǎng)也是隨時(shí)間變化的函數(shù)。實(shí)際上，電流是通過電場(chǎng)的形式在電容器間通過的。 在中學(xué)階段，有句話，就叫通交流，阻直流，說的就是電容的這個(gè)性質(zhì)。 電容的作用： 1）旁路：旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連接處在通過大電流毛刺時(shí)的電壓降。 2）去耦：去耦，又稱解耦。從電路來說， 總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大， 驅(qū)動(dòng)電路要把電

4、容充電、放電， 才能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候， 電流比較大， 這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作，這就是所謂的“耦合”。 去耦電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾，在電路中進(jìn)一步減小電源與參考地之間的高頻干擾阻抗。 將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去耦合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取0.1μ

5、F、0.01μF 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是10μF 或者更大，依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。 3）濾波：從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過1μF 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000

6、μF）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號(hào)頻率越高則衰減越大，可很形象的說電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值電流就越大，從而緩沖了電壓。濾波就是充電，放電的過程。 4）儲(chǔ)能：儲(chǔ)能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲(chǔ)的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150 000μF 之間的鋁電解電容器（如EPCOS 公司的 B43504 或B43505）是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求，器件有時(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)

7、或其組合的形式， 對(duì)于功率級(jí)超過10KW 的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。 注意事項(xiàng)：由于電容器的兩極具有剩留殘余電荷的特點(diǎn)，所以，首先應(yīng)設(shè)法將其電荷放盡，否則容易發(fā)生觸電事故。處理故障電容器時(shí)，首先應(yīng)拉開電容器組的斷路器及其上下隔離開關(guān)，如采用熔斷器保護(hù)，則應(yīng)先取下熔絲管。此時(shí)，電容器組雖已經(jīng)過放電電阻自行放電，但仍會(huì)有部分殘余電荷，因此，必須進(jìn)行人工放電。放電時(shí)，要先將接地線的接地端與接地網(wǎng)固定好，再用接地棒多次對(duì)電容器放電，直至無火花和放電聲為止，最后將接地線固定好。同時(shí)，還應(yīng)注意，電容器如果有內(nèi)部斷線、熔絲熔斷或引線接觸不良時(shí)，其兩極間還可能會(huì)有殘余電荷，而在自動(dòng)放電或

8、人工放電時(shí)，這些殘余電荷是不會(huì)被放掉的。故運(yùn)行或檢修人員在接觸故障電容器前，還應(yīng)戴好絕緣手套，并用短路線短接故障電容器的兩極以使其放電。另外，對(duì)采用串聯(lián)接線方式的電容器還應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行放電。 故障處理：1、電容器的常見故障。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電容器的下列情況之一時(shí)應(yīng)立即切斷電源。（1）電容器外殼膨脹或漏油。（2）套管破裂，發(fā)生閃絡(luò)有為花。（3）電容器內(nèi)部聲音異常。（4）外殼溫升高于55℃以上示溫片脫落。 電容器的故障處理（1）當(dāng)電容器爆炸著火時(shí)，就立即斷開電源，并用砂子和干式滅火器滅火。（2）當(dāng)電容器的保險(xiǎn)熔斷時(shí)，應(yīng)向調(diào)度匯報(bào)，待取得同意后再拉開電容器的斷路器。切斷電源對(duì)其進(jìn)行放電，先進(jìn)行外部檢查　，如套

9、管的外部有無閃絡(luò)痕跡，外殼是否變形，漏油及接地裝置有無短路現(xiàn)象等，并搖測(cè)極間及極對(duì)地的絕緣電阻值，檢查電容器組接線是否完整、牢固，是否有缺相現(xiàn)象，如未發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，可換好保險(xiǎn)后投入。如送電后保險(xiǎn)仍熔斷，則應(yīng)退出故障電容器，而恢復(fù)對(duì)其余部分送電。如果在保險(xiǎn)熔斷的同時(shí)，斷路器也跳閘，此時(shí)不可強(qiáng)送。須待上述檢查完畢換好保險(xiǎn)后再投入。 （3）電容器的斷路器跳閘，而分路保險(xiǎn)未斷，應(yīng)先對(duì)電容器放電三分鐘后，再檢查斷路器電流互感器電力電纜及電容器外部等。若未發(fā)現(xiàn)異常，則可能是由于外部故障母線電壓波動(dòng)所致。經(jīng)檢查后，可以試投；否則，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)保護(hù)全面的通電試驗(yàn)。通過以上的檢查、試驗(yàn)，若仍找不出原因，則需按制

10、度辦事，對(duì)電容器逐漸進(jìn)行試驗(yàn)。未查明原因之前，不得試投。 3、處理故障電容器時(shí)的安全事項(xiàng)。處理故障電容器應(yīng)在斷開電容器的斷路器后，拉開斷路器兩側(cè)的隔離開關(guān)，并對(duì)電容器組放電后進(jìn)行。電容器組經(jīng)放電電阻、放電變壓器或放電電壓互感器放電之后，由于部分殘余電荷一時(shí)放不盡，應(yīng)將接地的接地端固定好，再用接地棒多次對(duì)電容器放電直至無火花及放電聲為止，然后將接地卡子固定好。由于故障電容器可能發(fā)生引線接觸不良，內(nèi)部斷線或保險(xiǎn)熔斷等現(xiàn)象，因此仍可能有部分電荷未放出來，所以檢修人員在接觸故障電容器以前，還應(yīng)戴上絕緣手套，用短路線將故障電容器的兩極短接，還應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行放電。 充放電：當(dāng)電容器接通電源以后,在電場(chǎng)力的作用下,與電源正極相接電容器極板的 自由電子將經(jīng)過電源移到與電源負(fù)極相接的極板下, 正極由于失去負(fù)電荷而帶正電, 負(fù) 極由于獲得負(fù)電荷而帶負(fù)電,正,負(fù)極板所帶電荷大小相等,符號(hào)相反.電荷定 向移動(dòng)形成電流,由于同性電荷的排斥作用,所以開始電流最大,以后逐漸減小,在電 荷移動(dòng)過程中,電容器極板儲(chǔ)存的電荷不斷增加,電容器兩極板間電壓 Uc 等于電源電 壓 U 時(shí)電荷停止移動(dòng),電流 I=0,開關(guān)閉合,通過導(dǎo)線的連接作用,電容器正負(fù)極板電荷中和掉. 當(dāng) K 閉合時(shí),電容器 C 正極正電荷可以移動(dòng) 負(fù)極上中和掉,負(fù)極負(fù)電荷也可以移到正極中和掉,電荷逐漸減少,表現(xiàn)電流減小,電 壓也 逐漸減小為零.