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章节课题 4.2. 电容器与电容 课时 4节
教 学 目 的 掌握：1.电容量的概念 2.电容器的导电特性及电容器中所储存的电场能量 3.电容器的连接方法及其特点 了解：1.电容器的结构 2.电容器的分类及其工程应用
重点难点 重点：1.电容器的基本知识及其储能特性 2.电容器的连接及工程应用 难点：电容器的导电特性及滤波原理
教学方法 课堂讲授与练习相结合，综合学生实际，适当处理教材，因材施教，讲解问题时力求清晰明了，注意引导学生对本课程的兴趣和调动学生的学习积极性，并通过练习加深对所学知识的理解与掌握，尽可能达到好的教学效果，以提高学生的理论水平。
教具及参考书 1.《电工基础》 李梅主编 机械工业出版社 2.《电工电子技术基础》 王兆义主编 高等教育出版社 3.《电工基础》 谭恩鼎主编 高等教育出版社 4.《电工基础》 薛涛主编 高等教育出版社
作业 P96 4-2-1 4-2-2
课 后 小 结 1.电容器是电工技术中的三大基本元件之一，在工程中有着广泛的应用。 2.电容器的结构及其概念。 3.电解电容器是有极性电容器。 4.电容器和电容量的区别。 5.在工程中要考虑分布电容的影响。 6.电容可以充放电，具有隔断直流的作用。 7.电容器是储能元件。2.电容器用途广，可用作滤波、隔直、定时、储能等，还可用作移相、组成振荡电路以及对交流电路进行无功补偿。 8.电容器串联总容量变小，并联总容量变大。
教学内容 4.2. 电容器与电容 教学目的 掌握：1.电容量的概念 2.电容器的导电特性及电容器中所储存的电场能量 了解：电容器的结构 技能要求 掌握：会使用指针万用表判断电容器的好坏，会根据需要正确选用电容器。 教学内容 4.2.1电容器的结构 两块彼此绝缘的导体就构成一个电容器，两个导体称为电容器的电极。图4-8是平行板电容器结构图，两个平行的金属板构成电容器的极板，两个极板之间为电介质，电介质可为空气、纸、云母、塑料薄膜等材料。图4-9是一只电容器的解剖图。 a) b) 图4-8平行板电容器 图4-9电解电容器结构 a) 结构 b)符号 电容器分为有极性和无极性两种类型，无极性电容器在接入电路时不考虑其极性，有极性电容器在接入电路时正负极不得接反。电解电容器是有极性电容器，使用时要注意。
4.2.2电容量和工作电压 1.电容量 当给电容器两端加上电压，如图4-10所示，则电容器的两个极板上就聚集起等量异号的电荷，两极板间就形成电场。 图4-10 电容器带电 实验证明，当电容器的电介质、几何尺寸确定之后，电容器两极板上所加的电压越高，极板上聚集的电荷量越多，并且电荷量与电压成正比，其比值为一常数。我们将这一常数称为电容器的电容量，亦简称电容，用大写英文字母C 表示。即 F 的单位太大，工程中常用μF（微法）和pF（皮法）来表示，电容器和电容量都简称为电容，但其含义不同，前者是元件的名称，后者是元件的容量，从概念上要加以区别。 2.工作电压 电容器因为两个极板之间为绝缘材料，因为绝缘材料的耐压不同，电容器的工作电压亦不同。每种电容器都有一个电压系列，供应用时选择。如果选择的电容器耐压值低于工作电压，则会因为耐压不足而损坏。
4.2.3电容器的导电特性及储能 1.电容器的充电和放电 当电容器两端加上电压时，电容两极板上要聚集等量异号的电荷。电容器两端电压发生变化时，极板上的电荷同时发生变化，电容中形成位移电流。我们由图4-11分析电容器充放电过程。 a)充电 b)放电 图4-11 电容的电压电流方向 （1）电容器充电 在图4-11a中，给电容器加上外电压E，由于E>>UC，电容器充电，正电荷从电源的正极流向电容器极板，形成充电电流，如图所示。随着充电时间的延长，电容器极板上的电荷越来越多，电容器两端电压UC上升，充电电流下降。当电容器两端电压UC=E时，充电停止，充电曲线如图4-12a所示。 （2）电容器放电 在图4-11b中，将已经充上电的电容器通过电阻放电。刚接通电阻时，因为电容器上的电压最高，放电电流最大；随着放电时间的延长，电容器极板上的电荷越来越少，电容器两端电压下降，放电电流下降。当电容器两端电压下降到零，放电停止，放电曲线如图4-12b所示。 a) b) 图4-12 充放电曲线 a)充电曲线 b)放电曲线
由充放电曲线可以看出，电容器有以下特性： 1）充电电流与电压的变化率成正比 当电容两端电压发生变化时，电容中有电流；当电容两端电压不变化时（图4-12a中UC=E），电容中充电电流下降为零。即电容是一个动态器件，电容两端电压变化，电流变化，电压不变化，电流为零。在直流电路中，如果电压不变化，则，电路中没有电流流动，所以电容具有隔断直流的作用。 2) 当UC增加，电流i为正值，电容器充电，电流与电压的方向相同，如图4-12a所示；当UC下降，电流i为负值，电容器放电，电流与电压的方向相反，如图4-12b所示。 3) 电容器在充放电过程中，只是将电能储存在电容器中或由电容器放出电能，电容器并不消耗电能，所以电容器是一个储能器件。 2.电容器中的电场能量 电容器在充电过程中，由于两极板上聚集了大量的电荷，形成了电场，便储存有电场能量。电场能量用WC 表示，其值为 （3-4） 式中，WC的单位为J（焦）； C 的单位为F（法） UC的单位为V（伏）。 电容器中储存的能量是以电场的形式储存在电容器中的，它只与电容器两端的电压有关，而与电压的建立过程无关。
4.2.4 电容器规格参数 1.电容器的主要技术指标 1）额定电压 在规定条件下，电容器在电路中连续长时间工作而不被击穿的最大直流电压，它与电容器的结构、电介质以及介质厚度有关。 2.电容器的类型与用途 电容器按其结构，可分为固定电容器、可变电容器和半可变电容器；按其介质材料，可分为纸介电容器、云母电容器、油浸电容器、瓷介电容器、有机薄膜电容器（介质材料为聚苯乙烯薄膜或涤纶薄膜）、金属化纸介电容器及电解电容器等。固定电容器的电容量是一固定值，使用中不可改变；可变电容器的电容量在应用中可根据电路要求进行调节。 4.2.5电容器的并联和串联 电容器在使用过程中，有时需要串联连接或并联连接，下面对这两种连接方式进行分析。 1.电容器并联 并联电路如图4-13所示。电路具有以下特点： （1）各电容上加的为同一电压U。 （2）并联电路的总电容量C为各并联电容的电容量之和，即 图4-13 电容并联电路
（3）电源提供的总电荷量Q为各并联电容的电荷量之和，即 （3-6） 电容器并联使用时应注意：并联电容器的额定电压和总电容量要符合使用要求。 【例4-1】 有一电容电路，其工作电压为120 V，需要电容量﹥80 F。现有几种规格的电容器为：100 F/50 V；47 F/160 V；22 F/250 V；10 F/400 V。请选择合适规格的电容器接入电路中。 解：根据电路要求，所选电容器的耐压必须大于120 V，电容量大于80 F。在给定的电容器中选取47 F/160 V的电容器两只并联较为合适，并联总电容量为 F﹥80 F 电容量和耐压均符合电路要求。 4.2.5电容器串联和并联 串联电路如图4-14所示。电路具有以下特点： 图4-14 电容串联电路 电容器串联时，各电容极板上所带电荷量相等，即 电容器串联电路的总电容量C的倒数等于各电容器电容量的倒数之和，即 当有两个电容器串联时，总电容量为 （3-9）
（3）电容器串联电路中各电容器两端电压与总电压的关系为 ， ，… 式（3-10）称为电容器串联电路的分压公式。由公式可知，各电容器分得的电压跟电容器的电容量成反比，即电容量越小，分得的电压越大；电容量越大，分得的电压越小。 【例4-2】 两只电容器的参数分别为10 F/63 V和2.2 F/63 V，串联后接入电压为100V的电路中。试计算串联后的总电容量和每只电容器上承受的电压，并判断电容器能否正常工作。 解：根据所给参数有 F V V 由以上计算可知，2.2 F的电容器额定电压值（63 V）低于使用电压值（82 V），电容器将因耐压不足而损坏。一旦此电容器击穿短路，100V电压将加在10 F的电容器上，还会造成10 F的电容器击穿损坏。所以在电容器串联电路中，各电容器的耐压一定要符合电路要求。串联电路中各电容器的质量要好，因为质量差的电容器工作一段时间后可能电容量会下降，造成电容器两端电压上升而使电容器击穿。
【案例1—隔直通交】 案例叙述：在电子电路中，当需要将前级的电信号传到下级，但前后级的直流电位又不能相互影响时，可将电容器接在两级之间，利用电容器的动态特性，隔直通交，将交流信号耦合到下级，如图4-15所示。 a)脉动直流信号 b)电容电路 c)取出交流信号 图4-15 隔直通交 案例效果：图4-15a是一个脉动信号，是根据叠加原理由一个直流电和一个交流电叠加形成的。当我们需要将交流信号取出，在电路中接入电容器，根据电容器电压“动”，有电流，电压“不动”，没有电流的特点，将输入端变动的成分取出。 【案例2—电容滤波】 案例叙述：在直流电路中，可由电容器组成滤波电路。将电容器并联在负载电阻两端，电路如图4-16所示。 案例效果：当脉动的直流电压上升时，给电容器充电，当脉动的直流电压下降时，电容器对电路放电，通过电容器的充放电，将电压拉平。使负载两端的电压变成平滑的直流电 a) 滤波前 b）电路 c) 滤波后 图4-16电容滤波
【案例3—储能应用】 案例叙述：根据电容器能量公式可知，电容器储存的能量和电容量与电压的平方成正比，电容器上充得的电压越高，储存的能量越大。又知储存的能量与电压的建立过程无关。当需要瞬间大能量的场合，可电源又供不出，我们可以采取电容放电的方法。先给电容小电流充电，当电容器的能量充到一定值，突然放电，向负载输出大电能，完成需要瞬间大能量的场合。 案例效果：图4-17是点焊机电路框图，电极中间是两块薄金属板，当将电极压下时，电容器放电，在两金属板的压点处通过瞬间大电流，使压点处的金属熔化焊接在一起。 电容器的瞬间放电原理，有着广泛的应用，如照相机的闪光灯，就是通过电容瞬间放电点亮的，为什么我们在用闪光灯连续拍照时，中间要隔一点时间，这点时间就是电容的充电时间。 图4-17 点焊机电路框图

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