电容器的充放电及隔直通交性质说明

电容器的性质主要有“充电”、“放电”和“隔直”、“通交”。

1.电容器的“充电”和“放电”性质

“充电”和“放电”是电容器非常重要的性质，下面以图2-2所示的电路来说明该性质。

（1）充电 在图2-2a所示电路中，当开关S₁闭合后，从电源正极输出电流经开关S₁流到电容器的金属极板E上，在极板E上聚集了大量的正电荷，由于金属极板F与极板E相距很近，又因为同性相斥，所以极板F上的正电荷受到很近的极板E上正电荷的排斥而流走，这些正电荷汇合形成电流到达电源的负极，极板F上就剩下很多负电荷，结果在电容器的上、下极板就存储了大量的上正下负的电荷。注意，在常态时，金属极板E、F不呈电性，但上、下极板上都有大量的正负电荷，只是正负电荷数相等呈中性。

电源输出电流流经电容器，在电容器上获得大量电荷的过程称为电容器的“充电”。

（2）放电 在图2-2b所示电路中，先闭合开关S₁，让电源对电容器C充得上正下负的电荷，然后断开S₁，再闭合开关S₂，电容器上的电荷开始释放，电荷流经的途径是，电容器极板E上的正电荷流出，形成电流→开关S₂→电阻R→灯泡→极板F，中和极板F上的负电荷。大量的电荷移动形成电流，该电流经灯泡，灯泡发光。随着极板E上的正电荷不断流走，正电荷的数量慢慢减少，流经灯泡的电流减少，灯泡慢慢变暗，当极板E上先前充得的正电荷全放完后，无电流流过灯泡，灯泡熄灭，此时极板F上的负电荷也完全被中和，电容器两极板上先前充得的电荷消失。

图2-2 电容充、放电性质说明图

电容器一个极板上的正电荷经一定的途径流到另一个极板，中和该极板上负电荷的过程称为电容器的“放电”。

电容器充电后两极板上存储了电荷，两极板之间也就有了电压，这就像杯子装水后有水位一样。电容器极板上的电荷数与两极板之间的电压有一定的关系，具体可这样概括：在容量不变情况下，电容器存储的电荷数与两端电压成正比，即

Q=C·U

式中，Q表示电荷数（C）；C表示容量（F）；U表示电容器两端的电压（V）。

这个公式可以从以下几个方面来理解：

1）在容量不变的情况下（C不变），电容器充的电荷越多（Q增大），两端电压越高（U增大）。这就像杯子大小不变时，杯子中装的水越多，杯子的水位越高一样。

2）若向容量一大一小的两只电容器充相同数量的电荷（Q不变），那么容量小的电容器两端的电压更高（C小U大）。这就像往容量一大一小的两只杯子装入同样多的水时，小杯子中的水位更高一样。

2.电容器的“隔直”和“通交”性质

电容器的“隔直”和“通交”是指直流不能通过电容器，而交流能通过电容器。下面以图2-3所示的电路来说明电容器的“隔直通交”性质。(www.xing528.com)

图2-3 电容器的“隔直通交”性质说明图

（1）隔直 在图2-3a电路中，电容器与直流电源连接，当开关S闭合后，直流电源开始对电容器充电，充电途径是电源正极→开关S→电容器的上极板获得大量正电荷→通过电荷的排斥作用（电场作用），下极板上的大量正电荷被排斥流出形成电流→灯泡→电源的负极，有电流流过灯泡，灯泡亮。随着电源对电容器不断充电，电容器两端电荷越来越多，两端电压越来越高，当电容器两端电压与电源电压相等时，电源不能再对电容器充电，无电流流到电容器上极板，下极板也就无电流流出，无电流流过灯泡，灯泡熄灭。

以上过程说明，在刚开始时直流可以对电容器充电而通过电容器，该过程持续时间很短，充电结束后，直流就无法通过电容器，这就是电容器的“隔直”性质。

（2）通交 在图2-3b所示电路中，电容器与交流电源连接，由于交流电的极性是经常变化的，故图2-3b中的交流电源的极性也是经常变化的，一段时间极性是上正下负，下一段时间极性变为下正上负。开关S闭合后，当交流电源的极性是上正下负时，交流电源从上端输出电流，该电流对电容器充电，充电途径是：交流电源上端→开关S→电容器→灯泡→交流电源下端，有电流流过灯泡，灯泡发光，同时交流电源对电容器充得上正下负的电荷；当交流电源的极性变为上负下正时，交流电源从下端输出电流，它经过灯泡对电容反充电，电流途径是交流电源下端→灯泡→电容器→开关S→交流电源上端，有电流流过灯泡，灯泡发光，同时电流对电容器反充得上负下正的电荷，这次充得的电荷极性与先前充得电荷极性相反，它们相互中和抵消，电容器上的电荷消失。当交流电源极性重新变为上正下负时，又可以对电容器进行充电，以后不断重复上述过程。

从上面的分析可以看出，由于交流电源的极性不断变化，使得电容器充电和反充电（中和抵消）交替进行，从而始终有电流流过电容器，这就是电容器“通交”性质。

（3）电容器对交流有阻碍作用

电容器虽然能通过交流，但对交流也有一定的阻碍，这种阻碍称为容抗，用X_C表示，容抗的单位是欧姆（Ω）。在图2-4所示电路中，两个电路中的交流电源电压相等，灯泡也一样，但由于电容器的容抗对交流阻碍作用，故图2-4b中的灯泡要暗一些。

图2-4 容抗说明图

电容器的容抗与交流信号频率、电容器的容量有关，交流信号频率越高，电容器对交流信号的容抗越小，电容器容量越大，它对交流信号的容抗越小。在图2-4b所示电路中，若交流电频率不变，当电容器容量越大，灯泡越亮；或者电容器容量不变，交流电频率越高灯泡越亮。这种关系可用下列公式表示：

式中，X_C表示容抗；f表示交流信号频率；π为常数3.14。

在图2-4b所示电路中，若交流电源的频率f=50Hz，电容器的容量C=100μF，那么该电容器对交流电的容抗为