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。

图 3–17

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 IU,用 1XC 作为比例恒量,写成等式,就得到

I=UXC

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 = UR 相比,可以看出 XC 相当于电阻 RXC 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。

图 3–18

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:

XC=12πfC

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 XCfC 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。

图 3–19

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:259

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