4-2电容器的充电和放电(课件）- 高二《电工基础》同步教学（劳动版）

§4-2 电容器的充电和放电 1 学习目标 1. 掌握电容器的充电过程及特点。 2. 掌握电容器的放电过程及特点。 3. 熟悉电容器中的电场能。 2 第一章　电路基础 图所示为电容器充电、放电实验电路，其中C是一个没有充电的、容量较大的电容器，E是一个内阻很小的直流电源。 3 电容器充电、放电实验电路 第一章　电路基础 一、电容器的充电 1. 实验现象 电容器存储电荷的过程可通过上图所示的实验电路来验证。 在上图中，开关S接通触点“2”时，观察到电流表PA2和电压表PV的读数均为零，说明电路中无电流，电容器两极板上没有存储电荷。 当开关S扳向触点“1”时，就组成电容器充电电路。这时可以发现：电流表PA1的读数开始最大，然后逐渐减小到零；与此同时，小灯泡HL开始最亮，然后逐渐变暗直至最后熄灭；电压表PV的读数开始为零，然后逐渐增大至电源电压E。 4 第一章　电路基础 2. 充电原理 在开关S接通触点“1”瞬间，电容器极板上没有存储电荷，两极板间的电压为零。电源两极与电容器两极板之间存在较大电位差，使大量电荷移向电容器两极板，在电路中形成较大的充电电流，小灯泡较亮。随着电容器两极板上电荷的堆积，电容器两极板间的电压逐渐升高，电源两极与电容器两极板间的电位差逐渐减小，充电电流也逐渐减小，小灯泡逐渐变暗。当电容器两端的电压升高至电源电压时，电荷停止定向移动，电流为零，小灯泡熄灭，充电过程结束。 可见，电容器的充电过程相当于向水容器注水的过程。使电容器两极板带上等量且异号电荷的过程，叫作电容器的充电。 5 第一章　电路基础 二、电容器的放电 1. 实验现象 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。 在上图中，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；小灯泡HL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逐渐下降为零。 6 第一章　电路基础 2. 放电原理 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，小灯泡较亮。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，小灯泡逐渐变暗。当两极板的电荷全部中和后，极板上不再带有电荷，电压下降为零，电流为零，小灯泡熄灭，放电过程结束。 7 第一章　电路基础 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。 由以上分析可以看出，电容器在充放电过程中，电路中都会出现电流。充电时电容器两极板上的电荷不断增加，电容器两端的电压不断升高；放电时电容器两极板上的电荷不断减少，电容器两端的电压不断降低。当电容器极板上所存储的电荷量发生变化（增加或减少）时，电容器两端的电压也在发生变化（升高或降低），电容器电路中就会产生电流；若极板上存储的电荷量恒定不变，其两端的电压也恒定不变，则电容器电路中没有电流流过。 8 第一章　电路基础 这说明，电容器电路中的电流是与电容器两极板之间电压的变化率成正比，而不是与其两端的电压uC成正比。用公式表示为： 9 第一章　电路基础 三、电容器中的电场能 由于充电后的电容器的两极板上存储着等量而异号的电荷，所以电容器两极板间就存在着电场，并在其中存储电场能量。实际上，电容器充电的过程就是吸收电源输出的能量，并转换成电场能量存储于电容器中的过程；而放电过程是电容器把在充电时存储的电场能量释放出来，又转换成其他形式能量的过程。可见，电容器在充放电过程中，只是吸收和释放能量，本身并不消耗能量，所以电容器和一般的水容器一样，是一种储能元件。 10 第一章　电路基础 电容器所存储的电场能量WC与电容器的电容量C和两极板之间的电压U有关，其关系为： 式中C——电容器的电容量，F； U——电容器两极板之间的电压，V； WC——电容器存储的电场能量，J。 电场能量和其他能量一样，只能逐渐积累，或逐渐释放，不能产生突变。因此，可以得出一个重要的结论：电容器两端的电压不能突变。 11 第一章　电路基础 $