电容元件又称电容器(简称电容),它是在两个金属板中间隔以绝缘介质构成的。如图3.3.5 所示就是一个电容器。这两个金属板叫做电容器的两个电极,或称极板。
图3.3.5 电容元件
常见的电容器种类很多,按绝缘介质的种类分,有纸介电容器、云母电容器、电解电容器等;按极板的形状分,有平板电容器、圆柱形电容器等。另外,还存在自然形成的电容器(广义电容),如两根输电线与其间的空气就构成一个电容器,线圈的各匝之间、晶体管的各个极之间也存在自然形成的电容。这些自然形成的电容对电路的影响有时是不可忽视的。
当电容器两端加上电压时,两极板就分别积累等量的正、负电荷,这个过程称为对电容器进行充电;当电容器两端接有电阻时,两极板的电荷就可以通过电阻而中和,这个过程称为电容器放电。
每个极板所带电量的绝对值,叫做电容器所带的电荷量。电容元件每个极板所带电荷量的多少与两极间电压的大小有关,电荷量q 与电压U 的比值q/U,反映了电容元件储存电荷的本领,称为电容元件的电容量,用C 表示。它只与电容器的几何尺寸以及内部的介质结构有关,而与储存电荷的多少无关。如果电容元件的电容量为常量,则称为线性电容元件。今后所说的电容元件,如无特别说明,都是指线性电容元件。
电容的单位是法拉,简称法,符号为F。在实际应用中,法拉这个单位太大,常用较小的单位微法(μF)和皮法(pF)。
习惯上常把电容元件和电容元件的容量都简称为电容,所以“电容”一词,有时指电容元件(或电容器),有时则指电容元件(或电容器)的参数。
如图3.3.6 所示,设电压与电流为关联参考方向,根据电流的定义有
图3.3.6 电容元件的电压与电流关系
又由于,即q=Cu(www.xing528.com)
从式(3.3.12)可以看出,如果电容两端的电压保持不变,则通过它的电流为零,因此,直流电路中电容元件相当于开路。如果某一时刻电容元件两端的电压为零,而电压的变化率不为零,则通过电容元件的电流也不为零。由此可见,电容的电流与它两端电压的变化率成正比,所以电容元件又叫动态元件。
如果在电容的两极板间储存了电荷,也就在电容中储存了电场能量,因此,电容也是一个储能元件。
从图3.3.6 中不难看出,其电容器的瞬时功率为
若p>0 时,说明电压的变化率为正,电容吸收能量,处于充电状态;若p<0,说明电压的变化率为负,则电容处于放电状态,向外释放能量。
设t=0 时,电容元件的电压为零,经过时间t,电压升高至u,则任一时刻t 电容元件储存的电场能量
若C、u 的单位分别为F、V,则WC 单位为J。
从式(3.3.14)中可以看出,电容元件在某一时刻所储存的能量,只与这一时刻的电压有关,与达到u 的时间及电流的大小无关。只要电容元件两端有电压,就表示电容中还储有能量。
3.3 测试题及答案
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