理论教育 电容器的充放电过程探究

电容器的充放电过程探究

时间:2023-06-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:要了解电容器在电路中的作用,必须先知道电容器的充电和放电特性。图2-1-6电容器充、放电的实验电路当S开关合向触点“1”时,构成充电电路,电源向电容器充电。当开关S由触点“1”扳向触点“2”时,由于电容器充电后两极板之间电压的存在,驱使正极板上的正电荷通过导线与负极板上的负电荷中和,并在电路中产生与充电电流方向相反的放电电流。

电容器的充放电过程探究

要了解电容器在电路中的作用,必须先知道电容器的充电和放电特性。充电是指将电容器的两个极板带上等量异种电荷的过程,即电容器存储电荷的过程;放电是指把电容器存储的电荷释放的过程。

1.电容器的充电过程

图2-1-6所示为电容器充、放电的实验电路,图中E为直流电源,PA1和PA2为直流电流表,PV是直流电压表,S为单刀双掷开关,HL为电灯。

图2-1-6 电容器充、放电的实验电路

当S开关合向触点“1”时,构成充电电路,电源向电容器充电。起初,电灯较亮,然后变暗,说明电路中电流在变化。从电流表PA1上观察到,充电电流由大到小变化,而从电压表V上观察到,电容器上的电压UC由小到大变化,经过一定时间,PA1指针回到零位,但电压表的示值几乎等于电源电压,即UC≈E。

为什么电容器在充电过程中,电流会由大到小,而电容器上的电压却由小到大,并经过一定时间,电容电压近似等于电源电压呢?这是因为当S开关合向触点“1”的瞬间,电源正极与电容A极板间存在着较大的电位差,所以,开始充电电流较大,电灯较亮。随着充电的进行,电容器上的电压逐渐上升,两者电位差随之减小,充电电流也就越来越小。当两者电位差等于0时,充电电流为0,充电结束,此时UC≈E。

2.电容器的放电过程

电容器存储电荷后,在一定条件下可以释放已经存储的电荷,在图2-1-6中,充电结束后,把开关S由触点“1”扳向触点“2”时,构成电容器的放电电路,这时可观察到以下现象:电流表PA2的读数开始最大,然后逐渐减小为零;电灯开始最亮,然后逐渐变暗直至最后熄灭;电压表PV的读数由开始的电源电压E逐渐下降为0。

当开关S由触点“1”扳向触点“2”时,由于电容器充电后两极板之间电压的存在,驱使正极板上的正电荷通过导线与负极板上的负电荷中和,并在电路中产生与充电电流方向相反的放电电流。刚开始放电时,两极板之间的电压较大,所以放电电流较大,电灯较亮。随着放电的继续,电容器两极板上的正负电荷不断中和,极板上的电荷不断减少,两极板间的电压随之下降,放电电流逐渐减小,电灯逐渐变暗。当两极板的电荷全部中和后,极板上不再带有电荷,电压下降为0,电流为0,小灯泡熄灭,放电过程结束。(www.daowen.com)

可见,电容器的放电过程相当于水容器向外放水的过程。使电容器两极板所带正负电荷中和的过程,叫作电容器的放电。

3.电容器充、放电的特点

通过电容器充、放电过程的分析,可以认识到,电容器在充放电过程中有以下特点。

(1)电容器是一种储能元件,充电的过程就是极板上电荷不断积累的过程,当电容器充满电时,相当于一个等效电源。但这一等效电源随着放电的进行,原来积累的电荷不断向外释放,电压减小,最后为0。

(2)电容器充电与放电的快慢,决定充电电路和放电电路中的电阻值R与电容量C的乘积RC,而与电压大小无关。改变RC的大小,可以改变充放电的快慢。

(3)电容器能够隔直流通交流。电容器接通直流电源时,仅仅在刚接通的短暂时间内发生充电过程,只有短暂的电流,充电结束后,UC≈E,电路电流为0,电路处于开路状态,相当于电容器把直流隔断,这就是说电容器具有隔直流的作用,通常把这一作用简称为“隔直”。

如果电容器接通交流电源(交流电的最大值不允许超过电容器的额定工作电压),由于交流电的大小和方向不断交替变化,致使电容器反复进行充、放电,其结果是在电路中出现连续的交流电流,这就是说电容器具有通过交流电的作用,简称为“通交流”,也常常把这种作用称作“通交”。但必须指出,这里所指的交流电流是电容器反复充、放电而形成的,并非电荷能够直接通过电容器的介质。

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