电容器的结构及特性分析：电介质、极板储能与测试方法

为了研究电容器在电路中的作用和电容器中的电场能，必须先学习和掌握电容器的充、放电原理。

1.电容器的充电过程

实训与思考7

1）按图3-15a所示连接电路。其中C是容量为100μF的未充电电容器，E是内阻可以忽略的直流电源，HL是指示灯。实验前开关S应放置到“2”的位置。

2）按图3-15b所示，将开关S置于“1”的位置，从电路中的指示灯、电流表和电压表上可以观察到下列现象。

①指示灯HL开始较亮，然后逐渐变暗，经过一段时间，指示灯HL不亮了。

②电流表指针最初偏转一个较大的角度（电流较大），然后指针渐渐向零位偏转，经过一段时间，电流表指针指零位（电流为零）。

③自开关S置于“1”的位置这一时刻起，电压表的指针所指示的电压从零开始上升，逐步变大，经过一段时间，电压表指针停在电源电压大小的位置上（U_C=E）。

图3-15 电容器的充电电路

思考分析：

◆在实验中，为什么指示灯的亮度会有变化？____

◆当电压表指示最大值时，为什么指示灯反而不亮了？____

◆若换取电容量大小不同的电容器做实验，整个过程的时间是否不一样？____

上述实验过程，实际上就是电容器的充电过程。

在直流电压作用下，自由电子从电容器正极板经导线、电源内部移动到负极板上去，形成了充电电流。在开关S与“1”接通的瞬间，电源的正极和与它相连接的电容器极板间有较大的电压，这时的充电电流较大。随着电容器正极板上自由电子的流失，其电位逐渐升高，与电源正极间的电压逐渐减小，电流也就随之越来越小。当电容器正极板与电源正极的电位相等时，电流为零，充电过程结束。这时，电容器两极板间的电压等于电源电动势。

2.电容器的放电过程

知道了电容器的充电原理后，不难想象，充电后的电容器就相当于一个简单的电源，可以为负载提供能量，即充电后的电容器，若连接上一只合适的灯泡，灯泡就会发光，这就是电容器的放电现象。

实训与思考8

1）按图3-16所示连接电路，先对电容充电，注意电流表正、负极的换接。(www.xing528.com)

2）将开关S置于“2”的位置，从电路中的指示灯、电流表和电压表上可以观察到下列现象。

①指示灯HL开始较亮，然后逐渐变暗，经过一段时间后，指示灯HL不亮了。

②电流表指针最初偏转一个较大的角度（电流较大），然后逐渐向零位偏转，经过一段时间，电流表指针指零。

③电压表指针最初指向电源电动势E的数值，然后逐渐向零位偏转，经过一段时间，电压表指针指零。

思考分析：

◆为什么电流表的正、负极接法与电容器放电电路相反？____

◆实验中，电路什么时候不再充电，什么时候不再放电？____

◆若换取电容量大小不同的电容器做实验，整个过程的时间是否不一样？____

图3-16 电容器的放电电路

上述实验过程，实际上就是电容器的放电过程。

电容器两极板间的电压最初等于电源电动势E，开关S与“2”接通后，回路中有电流。随着两极板上正、负电荷不断中和，两极板间的电压随之下降，电路中的电流随之减小。当电容器两极板的正、负电荷完全中和时，两极板间的电压为零，电路中电流为零，放电过程结束。

应当指出，电路中的电流没有通过电容器中的电介质，是电容器充、放电形成的电流。在充电过程中，电容器储存了电荷，也储存了能量；在放电过程中，电容器将正、负电荷中和，也随之放出了能量。

通过上述分析，可以得到这样的结论：当电容器极板上所储存的电荷发生变化时，电路中就有电流流过；若电容器极板上所储存的电荷恒定不变，电路中就没有电流流过。

假设Δt时间内，电容器极板上电荷的变化量为Δq，那么，电路中的电流为

因为Q=CU，则Δq=CΔu_C。所以