第4章 电容和电感

电工基础电工基础主讲：第四章电容和电感掌握电容的概念及其基本特性。了解平行板电容器的基本概念及参数。理解电容充放电的工作规律。理解电容的连接方式。掌握万用表检测电容的方法。了解磁场的基本概念。掌握电感的概念及其基本特性。4.1电容的基本概念4.2电容器的连接4.3电感的基本概念实训1电容器的认识与检测实训2验证楞次定律4.1电容的基本概念在电工电子技术中，电容器是非常有用的元件，如图示收音机电路中应用的电容器。电路板上的电容器4.1.1电容器任何两个彼此绝缘又相隔很近的导体，都可以看成是一个电容器，两个导体称为电容的两极，中间的绝缘物质称为电介质。制作电容器所用电介质主要为陶瓷、玻璃、云母、塑料薄膜、空气、纸和油等，如图所示各种介质的电容器。（a）陶瓷电容器（b）云母电容器（c）薄膜电容器（d）玻璃电容器（e）纸介电容器（f）电解电容器平行板电容器是一种最简单的电容器，它的结构示意图如图所示。电容器的结构不同，其表示符号也不相同，图4-4给出了几种常见的电容器符号。把电容器的两极板分别与直流电源的正负极相接时，在电场力的作用下，两块极板上分别获得等量的正负电荷，这种使电容器储存电荷的过程叫充电。充电后，电容器两极板带有等量的异种电荷，电容器每个极板所带电荷量的绝对值叫做电容器所带电荷量q。用一根导线把充电后的电容器两极板短接，两极板上所带的正、负电荷互相中和，电容器不再带电，这种使电容器失去电荷的过程叫做放电。放电完成后，电容器的两极板上将不再带电。4.1.2电容实验证明加在同一个电容器两极板之间的电压越高，极板上所带的电荷越多，电荷量与电压的比值是一个常数。电容器所带电荷量q与其两极板间的电压U的比值称为电容器的电容量，简称电容，用符号C表示，即若电容器两极板间的电压一定，上式的比值越大，表明电容器所带的电荷量越多，可以看出电容反映了电容器储存电荷的本领。若加在电容器两极板间的电压为1V，每个极板所储存的电荷量为1C，则其电容为1F，即有通常现实中电容器的电容远小于1F，故常采用较小的电容单位：微法（）和皮法（）换算关系是 小明的MP3内部有一个电容器，其电容为0.01问当该电容器两端所加电压为0.3V时，它所带的电荷量为多少？解：C即该电容器所带电荷量为C。习惯上，电容器通常简称为电容，所以符号C具有双重意义，它既代表电容器元件，也代表参数电容量。一般情况下，电容器两极板间的距离越小，其电容越大；两极板的正对面积越大，其电容越大；另外，两极板中间的介质不同，其电容也不相同。因此电容器的电容取决于电容器本身的结构。4.1.3平行板电容器的电容平行板电容器是一种最简单的电容器。设平行板电容器两极板间的正对面积为S，两极板间的距离为d，实验证明：表示电介质的介电常数，单位为法/米（F/m）。介电常数由介质材料的性质决定，实验测得真空的介电常数为其它介质的介电常数与真空介电常数的比值称为该介质的相对介电常数，用表示，即 是一个无单位的数，用来表征介质对电容器的电容量的影响程度。相对介电常数实际中任何两个相互绝缘的带电导体间都存在着自然形成的电容，称为分布电容。例如在两条输电线之间，输电线与大地之间，三极管的电极之间，电子仪器的外壳与导线之间及线圈的匝与匝之间都存在分布电容。一般分布电容的数值很小，其作用可以忽略不计。但在长距离传输线路中，或在传输高频信号时，分布电容的存在有可能会干扰正常工作，因此在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中必须加以预防。电容器是一种储能元件，在电路中主要是利用它的充电和放电效应。图示电路为测试电容器充放电规律的实验电路，把一个电容器C和一个电灯泡H串联后接到恒压源上，S是单刀双掷开关，A1和A2是电流表，V是电压表。4.1.4电容器的基本特性实验电路中开关S与接点1闭合的一瞬间，电压表读数为0，电流表A1读数最大，灯泡最亮；慢慢地灯泡逐渐变暗，最后熄灭；电流表A1读数由大逐渐变小，直到为零；电压表V读数由零逐渐增大，最后达到。图4-9所示曲线1为电流表A1读数的变化曲线示意图，2为电压表V读数的变化曲线示意图。电容器两个极板由于电源电压的作用，电子在电容器的正极板→灯泡→电流表→电源正极→电源负极→电容器负极板间作定向移动，电容器两极板聚集数量相等而符号相反的电荷，形成电流，电容器实现了充电过程，如图4-10所示电容器充电过程示意图。在充电过程开始的瞬间，电容器两端电压为零而外电路端电压最大，此时电路相当于电容器短路，所以开始时充电电流最大，灯泡最亮；在充电过程中，电容器两端电压逐渐加大，电容器与电源之间的电压随之逐渐减小，所以充电电流也越来越小；当电容器两端电压达到恒压源时，电流变为零，电路达到了平衡状态，充电过程结束。电容器充电后，把开关S从1迅速扳向2，可以发现电灯由于电路断开熄灭一下又亮，且开关S刚刚扳到2的一瞬间，电压表V读数最大，电流表A2读数最大，灯泡最亮；接着电压表V和电流表A2读数缓慢减小，最终为零，图4-11所示曲线1为电流表A2读数的变化曲线示意图，2为电压表V读数的变化曲线示意图。上述过程为电容器放电过程，开关S刚刚扳到2的一瞬间，电容器开始放电，随着电容器两极板正、负电荷不断中和，电容器两端电压逐渐减小，放电电流也随之减小。当电容器两极板正负电荷全部中和时，电压表读数为零，放电结束，图示为电容器放电过程示意图。电容器最基本的功能是储存电荷。电容器在充电过程时，两极板上的电荷q逐渐增多，端电压也逐渐增加，两极板上的正负电荷在电介质中建立电场，如图所示。电容器在放电时，极板上的电荷不断减少，电场不断减弱，把充电时储存的电场能量释放出来，转换为灯泡的光能和热能。从能量转化的角度看，电容器的充电过程实质就是把电源输出的能量储存起来，而电容器的放电过程就是把这部分能量释放出来，在能量转换过程中，电容器本身并不消耗电能，所以说，电容器是一种储能元件。电容器储存和释放能量的性质在实际中得到广泛应用。电容器短接放电产生的热量可以焊接金属，如图（a）所示；利用电容器放电短接产生的火花可以在硬金属表面上进行电火花加工，刻蚀文字或图案如图（b）所示；照相机的闪光灯，是利用充好电的电容器对线圈放电而感应产生高电压，从而触发闪光灯发光如图（c）所示。（a）焊接金属（b）刻蚀文字或图案（c）照相机的闪光灯与电阻的串联一样，将几个电容器首尾相连组成一个电路的连接方式称为电容器的串联。在电容器的串联电路中，与电源直接相连的两块极板分别带有等量的电荷+q和-q，如图虚线圈所示，中间的其余极板由于静电感应也产生等量的感应电荷，故串联电路每个电容器的电量都是相等的。4.2.1电容器的串联4.2电容器的连接由基尔霍夫电压定律知串联电路总电压等于各个电容器两端电压之和，即将图4-15的电容器串联电路等效为图4-16所示的电路，等效电容C两极板电量也为q。设各个电容器的电容分别为电压分别为所以 即 串联电容器的等效电容的倒数等于各个电容器电容的倒数之和，这与电阻并联时的情况类似，这是为什么呢？可以这样理解：电容器串联相当于加大了两极板间的距离，故等效电容小于串联的任一只电容，串联的电容越多，等效电容越小。当n个电容均为的电容元件串联时，其等效电容为实际应用中当电容器的电容量较大，而耐压值小于外加电压时可采用将电容器串联的连接方法。每个电容器都有各自的耐压值，在实际应用中应保证每只电容器上承受的电压都小于其耐压值，这样才能保证电路的正常运行将几个电容器的一个极板连在一起，另一个极板也连在一起的连接方式称为电容器的并联。4.2.2电容器的并联电容器并联时，每个电容器的端电压都等于电源电压U，而电源提供的总电荷量q等于各电容器的电荷量之和，即将图4-18所示的电容器并联电路等效为图4-19所示的电路，则等效电容C的端电压也等于U。设图4-18中各个并联电容器的电容分别为所带电量分别为由于 则 故 并联电容器的等效电容等于各电容器的电容之和，与电阻串联时的情况类似，这是为什么呢？可以这样理解：电容器并联相当于加大了极板的正对面积，从而增大电容量，故等效电容大于并联的任一只电容，并联的电容越多，等效电容越大。当有n个电容均为的电容元件并联时，其等效电容为实际应用中当电容器的总电容量不够时，可以采用电容器并联的连接方法来加大电容量。电容器并联时，外加电压是直接加在每一个电容器上的，所以每只电容器的耐压值都应大于外加电压。在电容器的设计中，为达到增加电容又减小电容器体积的目的，可制作一种多片可调电容器，如图所示，它有5片极板，奇数的一组为动片，可以随轴旋转；偶数的一组为定片，极板间有绝缘介质，这就相当于4个电容器并联。旋转动片，改变动片与定片之间的相对面积，就可以达到调节电容量大小的目的。收音机就是利用这种可变电容器来选择所要接收的电台的。已知电容，耐压值为150V，电容耐压值为360V，求：（1）将两只电容器并联使用，等效电容是多大？最大工作电压是多少？（2）将两只电容器串联使用，等效电容是多大？最大工作电压是多少？（1）将两只电容器并联使用，等效电容为其耐压值为150V。（2）将两只电容器串联使用，等效电容为解：每个电容器允许的最大电量由于两电容串联时电荷量相等，为保证两个电容器实际承受电压都不大于各自耐压值，应取其中最小值作为串联电容器组总电荷量，所以最大工作电压为在磁体的周围都存在着磁场，磁场和电场一样，也是一种特殊的物质，具有力和能的性质。磁场可以用磁力线来描述。所谓磁力线，就是在磁场中所画的一系列假想的有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向，就是该点的磁场方向。4.3电感的基本概念4.3.1磁场及其基本物理量条形磁铁的磁力线分布情况磁力线具有以下特点：磁力线在磁体外部由N极出来，进入S极；在磁体内部由S极回到N极，组成不相交的闭合曲线；磁力线不会彼此相交；磁力线的疏密反映了磁场的强弱。磁铁并不是磁场的唯一来源，1820年，丹麦物理学家奥斯特通过实验首先发现了电流也能产生磁场。通电直导线产生磁场通电直导线的磁力线是以导体为圆心的同心圆，并且在与导体垂直的平面上。可以使用安培定则（右手螺旋定则）来判定直线电流产生的磁场方向，即右手握住导线，让伸直的大拇指指向电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁力线的方向。直线电流的磁场环形电流产生磁场磁力线是一系列围绕环形导线的闭合曲线。在环形导线的中心轴上，磁力线和环形导线平面垂直。环形电流产生磁场的方向也可以用安培定则判定，即让右手弯曲的四指与环形电流的方向一致，则伸直的大拇指所指方向就是磁力线方向。环形电流的磁场螺线管线圈产生磁场把导线一圈圈地绕在空心圆筒上制成螺线管，通电后，由于每匝线圈产生的磁场相互叠加，因而内部能产生较强的磁场。通电螺线管的磁场与条形磁铁相似，一端为N极，一端为S极。磁力线的方向可以用另一种解释的安培定则来确定：用右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向与电流的方向一致，那么大拇指所指的方向就是螺线管内部磁力线方向。通电螺线管的磁场磁感应强度磁感应强度是用来描述磁场中某点的磁场大小和方向的物理量，用B表示。在磁场中的某一点放置一段长度为l，通电电流为I的导体，且使导体与磁场方向垂直，若导体受到的磁场力大小为F，则该点的磁感应强度大小为磁感应强度的方向与该点的磁场方向一致磁感应强度的单位是特斯拉，简称为特（T）。在实际应用中，国际单位制还经常用高斯（Gs）作为磁感应强度的单位，注意若空间中磁场的某个区域内，每一点的磁感应强度的大小相等，且方向相同，那么这个区域内的磁场就可以称为匀强磁场，否则就称为非均匀磁场。磁通磁通是描述磁场中某个面上的磁场情况的物理量，用符号来表示。当匀强磁场垂直于磁通面时，磁通等于磁感应强度与面积的乘积，即磁通的单位是韦[伯]（Wb）。磁导率在通电螺旋管中插入铜棒去吸引铁屑时，可观察到只有少量铁屑被吸起；当插入铁棒去吸引铁屑时，可观察到有大量铁屑被吸起，磁场力增大了很多。这表明：磁场的强弱不仅与电流和导体的形状有关，还与磁场中媒介质的导磁性能有关。通电螺旋管中插入不同物质的实验媒介质导磁性能的强弱用磁导率来表示，的单位是亨/米（H/m）。不同的媒介质有不同的磁导率。真空中的磁导率是个常数，由实验测定与电介质的介电常数类似，媒介质的磁导率也引入相对磁导率的概念：任一媒介质的磁导率与真空的磁导率的比值，即相对磁导率是个倍率，没有单位常用铁磁性材料的相对磁导率磁场强度磁感应强度B的大小不仅与导体形状和通过的电流有关，还与周围介质有关。为方便计算，引入了磁场强度这个物理量来描述磁场的性质。磁场强度的大小仅与导体形状和通过的电流有关，与磁场中的媒介质性质无关。用磁感应强度B与媒介质磁导率的比值来定义该点的磁场强度，用H来表示，即H的单位是安/米（A/m），工程技术中常用的单位还有安/厘米（A/cm）等。电感器电感器是电路的3种基本元件之一，用符号L表示。用导线绕制而成的线圈就是一个电感器。电流通过电感线圈时产生磁场，磁场具有能量，所以电感器与电容器一样，也是一种储能元件。4.3.2电感器和电感各种电感线圈电感器分为空心线圈（如空心螺线管等）和铁心线圈（如日光灯镇流器等）两种，其图形符号如图（a）和图（b）所示。忽略导线电阻的能量损耗和匝间分布电容影响的线圈称为纯电感元件。实际电感线圈若其导线电阻R不能忽略，则可以用电阻R与纯电感L串联来等效表示，如图4-29（c）所示。电感的几种表示方法电感当电流I通过有N匝的线圈时，在每匝线圈中产生磁通量，则该线圈的磁链定义为：磁通量和磁链的单位都是韦伯（Wb）。电感线圈的磁链上述线圈的磁通量和磁链是由流过线圈本身的电流所产生的，并随线圈的电流变化而变化，因此将它们分别称为自感磁通和自感磁链。实践证明，空心线圈的磁通量和磁链与电流I成正比，即其中L是一个常数，把线圈的自感磁链与电流I的比值称为线圈的自感系数，简称电感，用字母L表示。在国际单位制中，电感的单位还有毫亨（mH）和微亨（FH），它们的关系是：电感表征了线圈产生磁链本领的大小。电感L是线圈的固有特性，其大小只由线圈本身因素决定，即与线圈匝数、几何尺寸、有无铁心及铁心的导磁性质等因素有关，而与线圈中有无电流或电流大小无关。理论和实践都证明：线圈截面积越大，长度越短，匝数越多，线圈的电感越大；有铁心时的线圈比空心时的电感要大得多。实际应用中，可以在线圈中放置铁心或磁心来增大电感，如图所示收音机调谐电路中的线圈，就是通过在线圈中放置磁心来获得较大电感、减小元件体积的。收音机调谐电路中的线圈实际上，并不是只有线圈才有电感，任何电路、一段导线、一个电阻、一个大电容等都存在电感，但因其影响极小，所以可以忽略不计。自感现象所示电路中，调节变阻器R使它的阻值等于线圈的电阻，调节变阻器使灯泡和都能正常发光。4.3.3电感器的基本特征自感实验电路闭合开关S瞬间，可以观察到与变阻器R串联的灯泡立即正常发光，而与电感L串联的灯泡却是逐渐亮起来，要经一段时间才能达到同样的亮度。这是为什么呢?原来，在开关S闭合瞬间，通过电感L与灯泡支路的电流I由零开始增大，使穿过线圈的磁通量也随之增大，此时线圈中必然会产生感应电动势来阻碍I的增大，因此I只能逐渐增大，灯泡亮度随之逐渐增强。流过灯泡的电流I自感实验电路在切断电源瞬间，通过线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也很快减小，所以在线圈中必然会产生一个很大的感应电动势来阻碍线圈中电流的减小。这时，线圈L与灯泡H组成闭合电路，产生感应电动势的线圈相当于电源，在电路中就会产生较大的感应电流，因此灯泡不但不立即熄灭，反而会产生短暂的强光。根据楞次定律思考一下，此时通过灯泡的电流方向与开关断开前灯泡的电流方向相同吗?为什么?通过对上述两个实验的观察与分析可以看出：当通过导体的电流发生变化时，穿过导体的磁通量也发生变化，导体两端就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化。这种由于导体本身的电流变化而引起的电磁感应现象叫自感现象。电感线圈中的磁场能量磁场和电场一样具有能量，当电流通过导体时，就在导体周围建立磁场，将电能转化为磁场能，储存在电感元件内部；当电流减小时，变化的磁场通过电磁感应可以在导体中产生感应电流，将磁场能量释放出来，转化为电能。图4-34所示实验中，当开关S断开瞬间，灯泡会发出短暂的强光，就是储存在电感线圈中的磁场能量转化为灯泡的热能和光能，瞬间释放出来产生的。磁场能量与电场能量的转化实训目的了解常用各种类型的电容器掌握使用万用表检测电容器电容量的方法。掌握掌握使用万用表测试电容器质量的方法。实训1电容器的认识与检测基础知识电容器的种类很多，按电容器的介质材料可分为空气电容器、云母电容器、纸介电容器、陶瓷电容器、涤纶电容器和电解电容器等；按电容量是否可变可分为固定电位器、可变电位器和半可变电位器等。各种电容器各种类型电容器比较实训 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 1.认识各种电容器。2.使用数字万用表对电容器的电容量进行测试。3.使用指针式万用表对电容器进行粗略的检测。4.电解电容器极性的判别。实训步骤1.对提供的各种类型电容器进行识别，根据电容器表面的标注读取它们的耐压值等相关参数；若是电解电容器，要确定其“+”“-”端；将相关数据填入下表；2.对于设有电容器测量档的万用表，可将电容器的两个引线插入指定的插孔，万用表将显示电容值；将测量结果填入下表，并与标称值进行比较；3.对于指针式万用表，可利用欧姆档，根据电容器充放电的特性大致判断电容器的质量，步骤如下。(1)被测电容器的电容量在1以下时，使用万用表的大电阻档如“”；在1以上时，使用万用表的“”电阻档。操作时，将万用表的两表笔分别与电容器的两引线端相接。(2)万用表指针摆动一个小角度后复位，对调两个表笔位置现象重复， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 电容器是正常的。(3)万用表指针指零或摆动幅度较大，且不复位，说明电容器短路或严重漏电。(4)万用表指针完全不动，对调两表笔位置测量，指针仍然不动，说明电容器开路。4.电解电容器极性的判别电解电容器极性一般可以根据其漏电阻大小来进行判别，具体方法如下。针对不同容量的电解电容器选用合适的量程。一般情况下，1uF～47uF间的电解电容器可选用R×1k；47uF～1000uF之间的电解电容器可选用R×100挡。将万用表红黑表笔分别接电解电容器的两极。在刚接触的瞬间，若万用表指针向右偏转较大幅度，然后逐渐向左回转，直到停在某一位置。将红、黑表笔对调，重复刚才测量过程。如果电解电容器性能良好的话，在两次测量结果中，阻值大的一次便是正向接法，即红表笔接电解电容器的负极，黑表笔接正极。用万用表检测电解电容器正反向漏电电阻值，并判断电容器极性，填入下表。实训器材数字和指针式万用表各1块。各种类型电容器若干。预习要求掌握常用电工仪表如万用表的使用方法和注意事项等。了解各种类型电容器的基本特性。制定本实验有关数据 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 表格。实训报告要求写出各种类型的电容器及其符号。记录实训过程中的相关数据。写出该实训的收获与体会。实训注意事项对于几千皮法的小容量电容器，若使用万用表“”电阻档检测，指针摆动明显，判断结果更可靠。检测大容量电容器时，应先将电容器引线端短接放电再检测。检测电解电容器时，应反复调换表笔触碰电解电容器的两引脚，以确认电解电容器有无充电现象。重复检测电解电容器时，每次应将被测电解电容器短路一次。检测电解电容器时，手指不要同时接触被测电解电容器的两个引脚。否则，将使万用表指针回不到无穷大的位置，给检测者造成错觉，误认为被测电解电容器漏电。在实际使用中，必须注意电解电容器的极性，按极性要求正确连接到电路中去，否则，可能引起电解电容器击穿或爆炸。实训目的掌握检流计等仪表的使用方法和注意事项。加深理解电磁感应现象及其含义。加深理解楞次定律的含义。实训2验证楞次定律基础知识楞次定律内容为当线圈的磁通发生变化时，线圈中产生的感应电动势总是使感应电流的磁通阻碍原磁通的变化。也就是说，当线圈的磁通增加时，感应电流产生的磁通与原来的磁通方向相反，以反抗原有磁通的增加；当线圈的磁通减少时，感应电流产生的磁通与原来磁通的方向相同，以补偿原有磁通的减少。楞次定律明确了以下两点。产生感应电动势的条件是线圈的磁通必须变化。感应电动势的方向总是阻碍原磁通的变化。楞次定律揭示了确定感应电动势方向的普遍规律。实训内容搭建验证楞次定律的电路。改变电路中线圈的磁通，观察电流计的指针变化情况，验证楞次定律。楞次定律实验实训步骤根据实验室的仪器设备和各种器材搭建实验电路。将永久磁铁插入到线圈中，观察检流计指针的变化情况，分析产生这种现象的原因。将磁铁从线圈中抽出，观察检流计指针的变化，分析产生这种现象的原因。将磁铁放在线圈中不动，观察检流计指针的变化，说明原因。实验器材检流计1只。永久磁铁1只。线圈装置1套。预习要求掌握楞次定律的基本内容。掌握如检流计等各种仪表的使用方法和注意事项。制定本实验有关数据 记录表 体温记录表下载消防控制室值班记录表下载体温记录表 下载幼儿园关于防溺水的家访记录表绝缘阻值测试记录表下载 格。实训报告要求写出楞次定律的内容。记录实训过程的数据及实训现象并进行分析。写出本实训的收获体会。实训注意事项电磁铁不要用力吸合到铁等金属，避免撞坏磁铁。