电容器在电子电路中的作用

电容器在电子电路中的作用

2010-04-02 09:18:36 来源:《无线电》杂志作者: 【大中

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少年电子技师在进行电子制作中需使用形形色色的电

容器。它们在电路中分别扮演着各种不同的角色。那么，电容器是一种具有什么特性的电子元件呢?它在电路中起着什么样的作用呢?下面就来和少年电子技师谈谈这方面的问题。

储存电荷的容器

从电容器的名称上可以看出，它是一种电的“容器”，具体地说，是一种储存电荷的“容器”。尽管电容器品种繁多，形态各异，但它们的基本结构是相同的。广义地说，两片相距很近的金属板(或金属薄膜)中间被绝缘的物质(固体、气体或液体)所隔开，就构成了电容器，如图1所示。两片金属板称为电容器的极板，中间的绝缘物质叫做介质。电容器储存电荷的过程可以用图2来说明。把电容器的两个极板分别接在干电池的正、负极上，由于干电池的正极带正电，将吸引与它相连的极板上带负电的自由电子，使这块极板因失去了负电荷而带正电；干电池的负极带负电，它会把带负电的自由电子推斥到与它相连

的极板上，这块极板因获得负电荷而带负电，如图2(a)

所示。由于两片极板面积较大，距离很近，正、负电荷之间有着较强的吸引力，这时，即使把干电池断开，两片极板上的电荷仍然会保留下来，这就相当于电容器储存了电荷，如图2(b)所示。值得注意的是，随着电容器极板上正、负电荷的积累，两极板之间也就建立起电压，积蓄起电能，这个过程称为电容器的充电过程。

电容器的充电过程

为了对电容器的充电过程有一个直观的印象，我们先来做一个简单的实验。将一个未充电的电容器(这里选用4000μF、耐压10V的铝电解电容器)接入图3的电路中，当开关S合向1点时，电容器就被电源GB充电，我们注意观察将发现，小灯泡EL开始很亮，然后变暗，说明电路中有电流流过，从大到小变化，经过一定时间之后，灯泡熄灭，说明电流已等于零。

为什么电容器在充电过程中，电路中的电流会由大变小最后就没有电流了呢?这是因为当开关S合向1点的瞬间，电容器上还没有电荷，电容器两端的电压(用uc表示)等于零，电源电压U全部加在小灯泡EL两端，流过小灯

泡的充电电流最大，所以小灯泡最亮。随着充电过程的进行，两极板分别积累起正、负电荷，电容器两端的电压也由零值逐渐增大，小灯泡两端的电压(U－uc)则逐渐减小，充电电流也逐渐下降。最后，电容器极板上的电荷积累到一定程度，它两端的电压升高到uc=U时，由于uc与U的极性相反，达到了动态平衡，电容器极板上的电荷不再变动，充电电流等于零，小灯泡就不亮了，充电过程到此结束。

上述实验使我们了解了电容器充电的物理过程：电容器接通直流电源后，电源的正极从与它相连的极板上吸引电子，电源的负极将电子推斥到与它相连的极板上，电路中出现了自由电子的有规则的运动，形成了电容器的充电电流。随着充电的进行，充电电流由大逐渐减小，电容器两端的电压由零逐渐增大。当电容器两端的电压上升到与电源电压相等时，充电电流等于零，充电过程结束。显然，接有电容器的电子电路，只是在电容器充电的过程中，电路中流过充电电流，充电过程结束后，电容器是不能通过直流电的，在电路中起着“隔直流”的作用。

电容器的放电过程

一个充好电的电容器两端，建立起一定的电压，积蓄着一定的能量，这一能量释放时，会在电路中做功，把电能转换成其它形式的能量。电容器储存的电荷向电路释放的过程，称为电容器的放电。

为了直观地了解电容器的放电过程，我们继续进行图3所示的简单实验。当电容器C充好电后，把开关S扳向2点，注意观察将会发现，小灯泡开始很亮，逐渐由亮变暗，最后熄灭。这个实验说明，充好电的电容器储存了电荷，建立起电压，积蓄着能量，如同是一个直流电源。把它和小灯泡EL接成闭合回路时，回路中将产生电流——电容器的放电电流。此时，电容器极板上的电荷逐渐释放，电容器两端的电压逐渐降低，回路中的放电电流逐渐减小，直到电荷释放殆尽，放电过程结束。

怎样衡量电容器容量的大小

电容器既然是一种储存电荷的“容器”，就必然会有个“容量”大小的问题。为了衡量电容器储存电荷的能力，于是确定了电容量这个物理量。大家知道，电容器必须在外加电压的作用下才能储存电荷。不同的电容器在电压作用下储存的电荷量也可能很不相同。为此国际上统一

规定，给电容器外加1伏特直流电压时，它所能储存的电荷量，为该电容器的电容量，用字母C表示。电容量的基本单位为法拉。在1伏特直流电压作用下，如果电容器储存的电荷为1库仑，电容量就被定为1法拉，法拉用符号F表示。在实际应用中，电容器的电容量往往比1法拉小得多，常用较小的单位，如微法(μF)、皮法(pF)等，它们的关系是：1微法等于百万分之一法拉；1皮法等于百万分之一微法，即

1法拉(F)=1000000微法(μF)

1微法(μF)=1000000皮法(pF)

衡量充放电时间长短的指标—时间常数

由以上实验可以观察到，在由电阻( 图3中的小灯泡)和电容器组成的电路(常称为RC电路)中，电容器的充电和放电需要一定的时间。那么，怎样定量估算一个RC电路(图4)电容器充电(或放电)所经历的时间呢?大家可以对图4的电路进行推敲：如果电容器的电容量C一定，电阻R越大，充电电流就越小，充电时间也就越长；如果电阻R一定，电容量C越大，电容器充满电所需要的电荷就越多，

充电时间也就越长。显然，电容量C和电阻值R是决定电容器充电快慢的两个主要因素，与电源电压无关。人们把RC电路中电阻R与电容量C的乘积，称为RC充(放)电回路的时间常数，用希腊字母τ表示，它的单位是秒，即τ=RC(秒)理论分析和实验都可以证明，从RC电路中电容器开始放电瞬间起，经过3τ时间，电容器两端的电压可以充到电源电压的95％，经过5τ时间，上升到电源电压的99?3％。于是，在电路分析与计算中，将RC电路的充(放)电时间取为5τ。例如图3的电路，电容器的电容量C=4000微法，小灯泡的电阻R=60欧姆，可以算出回路的时间常数τ=0?24秒。充电或放电所经历的时间大致需要5τ，也就是1?2秒。

交流电为什么能够通过电容器

在电子电路中，电容器常被用作耦合、旁路、滤波等，都是利用它“隔直流，传交流”的特性。为什么交流信号可以顺利地“通过”电容器，又可靠地隔断直流电流呢?为了说明这个问题，我们先来简单谈谈交流电的特点。图5给出了常见的正弦波交流电的波形图。把交流电往复变化的一个周期分成4段：在0－1段，电压从零值向最大值连续增长；在1－2段，电压从最大值连续减小到零；2