第六节、纯电容电路
一、交流电能够通过电容器
照图 3–17 那样，把白炽灯泡和，电容器串联在电路里，如果接通直流电源，灯泡不亮，说明直流电不能通过电容器。如果接通交流电源，灯泡就亮了，说明交流电能够“通过”电容器。我们看到，这里交流电又表现出跟直流电不同的特性。
直流电不能通过电容器是容易理解的。交流电为什么能够“通过”容器呢？原来，电流实际上并没有通过电容器的电介质，只不过在交变电压的作用下，当电源电压升高时，电容器充电，电荷向电容器的极板上集聚，形成充电电流；当电源电压降低时，电容器放电，电荷从电容器的极板上放出，形成放电电流。电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，似乎交流电通过了电容器。
二、电容对交流电的阻碍作用
在图 3–17 的实验中，如果把电容器从电路中取下来，使灯泡直接与交流电源相接，可以看到，灯泡要比接有电容器时亮得多。这表明电容也对交流电有阻碍作用。
为什么电容对交流电有阻碍作用呢？原来，对导线中形成电流的自由电荷来说，当电源的电压推动它们向某一方向做定向运动的时候，电容器两极板上积累的电荷却反抗它们向这个方向做定向运动，这就产生了电容对交流电的阻碍作用。
三、容抗
只接有电容器的电路，连接导线的电阻一般都很小，可以略去不计，而认为电路中只有电容。只有电容的电路叫纯电容电路。
我们用图 3–18 所示的电路来研究纯电容电路中电流跟电压的关系。改变电路两端的电压，电路中的电流就随着改变。记下几组相应的电流和电压的数值，就会发现，在纯电容电路中，电流强度跟电压成正比，即 I ∝ U，用 \(\frac{1}{{{X_{\rm{C}}}}}\) 作为比例恒量，写成等式，就得到
\[I = \frac{U}{{{X_{\rm{C}}}}}\]
这就是纯电容电路中欧姆定律的表达式。把这个表达式跟 I = \(\frac{U}{R}\) 相比，可以看出 XC 相当于电阻 R。XC 表示出电容对交流电阻碍作用的大小，叫做容抗，它的单位也是欧姆。
容抗的大小跟哪些因素有关呢？在图 3–17 所示的实验中，换用电容不同的电容器来做实验，可以看到，电容越大，灯泡越亮。这表明电容器的电容越大，容抗越小，如果保持电源的电压不变，而改变交流电的频率，可以看到，频率越高，灯泡越亮。这表明交流电的频率越高，容抗越小。
为什么电容器的容抗与它的电容和交流电的频率有关呢？这是因为电容越大，在同样电压下电容器容纳的电荷越多，充电电流和放电电流就越大，因而容抗就越小，交流电的频率越高，充电和放电就进行得越快，充电电流和放电电流就越大，因而容抗就越小，进一步的研究指出，电容器的容抗 XC 跟电容 C 和交流电的频率 f 间有如下的关系：
\[{X_{\rm{C}}} = \frac{1}{{2\pi fC}}\]
由于 1 F = 1 C·V，1 s/F = 1 s·V/C = 1 V/A = 1 Ω，因此上式中的 XC、f、C 的单位应分别用欧姆、赫兹、法拉。
四、隔直电容器和旁路电容器
跟感抗类似，容抗也跟通过的电流的频率有关，容抗与频率成反比，频串越高，容抗越小。例如，10 微法的电容器，对于直流电，f = 0，XC 为 ∞；对于 50 赫的交流电，XC = 318 欧；对于 500 千赫的交流电，XC = 0.0318 欧。所以电容器在电路中有“通交流、隔直流”或“通高频、阻低频”的特性。这种特性，使电容器成为电子技术中的一种重要元件。
在电子技术中，从某一装置输出的电流常常既有交流成分，又有直流成分。如果只需要把交流成分输送到下一级装置，只要在两级电路之间串联一个电容器（图 3–19 甲），就可以使交流成分通过，而阻止直流成分通过，作这种用途的电容器叫做隔直电容器。隔直电容器的电容一般较大。
在电子技术中，从某一装置输出的交流电常常既有高频成分，又有低频成分，如果只需要把低频成分输送到下级装置，只要在下一级电路的输入端并联一个电容器（图 3–19 乙），就可以达到目的，电容器对高频成分的容抗小，对低频成分的容抗大，高频成分就通过电容器，而使低频成分输入到下一级，作这种用途的电容器叫做高频旁路电容器。高频旁路电容器的电容一般较小。
练习五
（1）电容是 100 皮法的电容器，对频率是 108 赫的高频电流和频率是 103 赫的音频电流，容抗各是多大？
（2）把电容为 5 微法的电容器接到 220 伏、50 赫的交流电路中，通过电容器的电流是多少？把电容器换为 0.05 微法的，通过的电流是多少？
（3）在有 220 伏、50 赫交流电源的地方，使用一个交流电流表可以测定电容器（耐压在 311 伏以上）的电容，说明测定的方法和原理。
（4）线圈的自感系数为 L，电容器的电容为 C。要使感抗和容抗相等，交流电的频率应该满足什么条件？
发布时间：2025/3/8 下午9:14:51 阅读次数：213
