電容器的作用：儲(chǔ)存電荷的容器

從電容器的名稱(chēng)上可以看出，它是一種電的“容器”，具體地說(shuō)，是一種儲(chǔ)存電荷的“容器”。盡管電容器品種繁多，形態(tài)各異，但它們的基本結(jié)構(gòu)是相同的。廣義地說(shuō)，兩片相距很近的金屬板(或金屬薄膜)中間被絕緣的物質(zhì)(固體、氣體或液體)所隔開(kāi)，就構(gòu)成了電容器。兩片金屬板稱(chēng)為電容器的極板，中間的絕緣物質(zhì)叫做介質(zhì)。電容器儲(chǔ)存電荷的過(guò)程可以用來(lái)說(shuō)明。把電容器的兩個(gè)極板分別接在干電池的正、負(fù)極上，由于干電池的正極帶正電，將吸引與它相連的極板上帶負(fù)電的自由電子，使這塊極板因失去了負(fù)電荷而帶正電；干電池的負(fù)極帶負(fù)電，它會(huì)把帶負(fù)電的自由電子推斥到與它相連的極板上，這塊極板因獲得負(fù)電荷而帶負(fù)電。由于兩片極板面積較大，距離很近，正、負(fù)電荷之間有著較強(qiáng)的吸引力，這時(shí)，即使把干電池?cái)嚅_(kāi)，兩片極板上的電荷仍然會(huì)保留下來(lái)，這就相當(dāng)于電容器儲(chǔ)存了電荷。值得注意的是，隨著電容器極板上正、負(fù)電荷的積累，兩極板之間也就建立起電壓，積蓄起電能，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為電容器的充電過(guò)程。

電容器的充放電過(guò)程

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(guò)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,見(jiàn)圖.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(kāi)始電流最大,以后逐漸減小,在電 荷移動(dòng)過(guò)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(kāi)關(guān)閉合,通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)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.


怎樣衡量電容器容量的大小

電容器既然是一種儲(chǔ)存電荷的“容器”，就必然會(huì)有個(gè)“容量”大小的問(wèn)題。為了衡量電容器儲(chǔ)存電荷的能力，于是確定了電容量這個(gè)物理量。大家知道，電容器必須在外加電壓的作用下才能儲(chǔ)存電荷。不同的電容器在電壓作用下儲(chǔ)存的電荷量也可能很不相同。為此國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定，給電容器外加1伏特直流電壓時(shí)，它所能儲(chǔ)存的電荷量，為該電容器的電容量，用字母C表示。電容量的基本單位為法拉。在1伏特直流電壓作用下，如果電容器儲(chǔ)存的電荷為1庫(kù)侖，電容量就被定為1 法拉，法拉用符號(hào)F表示。在實(shí)際應(yīng)用中，電容器的電容量往往比1法拉小得多，常用較小的單位，如微法(μF)、皮法(pF)等，它們的關(guān)系是：1微法等于百萬(wàn)分之一法拉；1皮法等于百萬(wàn)分之一微法，即

1法拉(F)=1000000微法(μF)

1微法(μF)=1000000皮法(pF)

衡量充放電時(shí)間長(zhǎng)短的指標(biāo)—時(shí)間常數(shù)

如果電容器的電容量C一定，電阻R越大，充電電流就越小，充電時(shí)間也就越長(zhǎng)；如果電阻R一定，電容量 C越大，電容器充滿(mǎn)電所需要的電荷就越多，充電時(shí)間也就越長(zhǎng)。顯然，電容量C和電阻值R是決定電容器充電快慢的兩個(gè)主要因素，與電源電壓無(wú)關(guān)。人們把RC 電路中電阻R與電容量C的乘積，稱(chēng)為RC充(放)電回路的時(shí)間常數(shù)，用希臘字母τ表示，它的單位是秒，即τ=RC(秒)、從RC 電路中電容器開(kāi)始放電瞬間起，經(jīng)過(guò)3τ時(shí)間，電容器兩端的電壓可以充到電源電壓的95％，經(jīng)過(guò)5τ時(shí)間，上升到電源電壓的99.3％。于是，在電路分析與計(jì)算中，將RC電路的充(放)電時(shí)間取為5τ。比如電容器的電容量C=4000微法，小燈泡的電阻R=60歐姆，可以算出回路的時(shí)間常數(shù) τ=0.24秒。充電或放電所經(jīng)歷的時(shí)間大致需要5τ，也就是1.2秒。

交流電為什么能夠通過(guò)電容器

在電子電路中，電容器常被用作耦合、旁路、濾波等，都是利用它“隔直流，傳交流”的特性。為什么交流信號(hào)可以順利地“通過(guò)”電容器，又可靠地隔斷直流電流呢?把交流電往復(fù)變化的一個(gè)周期分成4段：在0－1段，電壓從零值向最大值連續(xù)增長(zhǎng)；在1－2段，電壓從最大值連續(xù)減小到零；2－3段，電壓從零值向負(fù)的最大值連續(xù)增長(zhǎng)；3－4段，電壓從負(fù)的最大值連續(xù)減小到零。顯然，正弦波交流電不僅方向往復(fù)交變，它的大小也在每時(shí)每刻發(fā)生著變化。把電容器接在交流電源上，當(dāng)電壓處于正向或負(fù)向增長(zhǎng)階段，電容器連續(xù)充電；當(dāng)電壓正、負(fù)最大值向零值減小階段，電容器連續(xù)放電。這樣，電路中就會(huì)流過(guò)與正弦波電壓變化規(guī)律一致的充電電流和放電電流，雖然電容器的介質(zhì)并不導(dǎo)電，卻如同交流電“通過(guò)”電容器一樣，在正弦交流電壓的作用下，產(chǎn)生了正弦交流電流。