3.1 电容（2）（课件）《电工技术基础与技能》（机工版 第4版）同步精品课堂

第三章 电容和电感 3.1 电容 《电工技术基础与技能》机工版·第4版 同步精品课堂 1 目录 电容器的连接 1 电容器充放电 2 教学目标 能力目标 情感态度与价值观 知识目标 1.掌握电容器串联、并联的连接规则，明确电解电容正负极连接要求。 2.牢记电容 “隔直流、通交流” 的核心特性，能结合简单电路说明该特性的体现。 1.能通过观察电压表、电流表读数判断电容充放电是否正常。2.具备初步排查电路中 “电容反接、接触不良” 等常见故障；的基本能力。 1.树立电路操作的安全意识及良好实验习惯。 2.通过理论与实操结合，感受电容在电路中的实际应用价值，提升对电子电路学习的兴趣。 课程导入 在电子产品维修和设计制作中，我们通常会遇到这样的情况：一是手头有多个电容器，但每个电容器的耐压都不能满足电路的要求；二是手头有多个电容器，但每个电容器的容量不能满足电路的要求。遇到这样的情况，我们如何来处理？ 在实际应用中，电容器的选择主要考虑电容器的容量和额定电压。如果电容器的容量和额定电压不能满足电路的要求，我们可以通过将电容器进行串联或并联，以满足电路的要求。 一、电容器串联电路 1.电容器的串联 将两个或两个以上电容器的极板首尾依次相连，中间无分支的连接方式称为电容器的串联。 探究新知 一、电容器的连接 探究新知 2.电容器串联电路的特点 （1）电荷量的特点 电容器串联时，每个电容器所带的电荷量相等。 在电容器串联电路中，接上端电压为U 的电源后，串联电容器组两端的两个极板上分别带电，电荷量为+q 和-q ，由于静电感应，中间各极板上所带的电荷量也等于+q 和-q ，因此，串联电容器组中的每个电容器所带的电荷量相等，并等于串联后等效电容器上所带的电荷量。即 探究新知 一、电容器的连接 2.电容器串联电路的特点 （2）电压的特点 电容器串联电路的总电压等于各电容器上电压之和。即 （3）电容的特点 电容器串联电路的总电容的倒数等于各个电容器的电容的倒数之和。 因为，则有 ,即 探究新知 一、电容器的连接 电容器串联后，总电容小于每一个电容器的电容。 电容器串联时，总电容与各分电容间的关系，与电阻并联时电阻间的关系相类似。 若有n个电容器串联，则; 当n个相同容量的电容器串联时，其电容为 。 探究新知 一、电容器的连接 2.电容器串联电路的特点 （4）电压的分配 电容器串联电路中，各电容器两端的电压与其自身的电容量成反比。 两个电容器串联时，因为，则有，即 探究新知 一、电容器的连接 3.电容器串联电路的应用 电容器串联后，耐压增大，因此，当一只电容器的额定工作电压值太小而不能满足电路的需要时，除选择额定工作电压值高的电容器外，还可以采用电容器串联的方法来获得较高的额定工作电压。但也要注意，这是电容器串联后的等效电容将变小。 例1 两个电容器C1 和C2，其中C1为10F，C2为5F，把它们串联后其等效电容为多少？ 解：串联后的等效电容为 探究新知 一、电容器的连接 需要注意的是，实际应用中采用电容器串联时，除应满足电容的总容量要求外，还需注意工作电压的极限选择，方法是求出每个电容器允许储存的电荷量，找出其中存储电荷量最小的一个，作为电容器组储存电荷量的极限值，电容器组的工作电压极限值等于这个电量除以总电容。 探究新知 一、电容器的连接 二、电容器并联电路 1.电容器的并联 将两个或两个以上电容器的正极接在一起，负极也接在一起的连接方式称为电容器的并联。 探究新知 一、电容器的连接 2.电容器并联电路的特点 （1）电压的特点 电容器并联电路中，每个电容器两端的电压相等，并等于外加电压。即 （2）电荷量的特点 电容器并联电路中，总电荷量等于各个电容器的电荷量之和。即 探究新知 一、电容器的连接 电容器并联后，总电容量增大了，这种情况相当于增大了两极板的面积，因此，总电容大于每个电容器的电容。 若有n个电容器并联，则；当n个相同容量的电容器并联时，其总电容为。 探究新知 一、电容器的连接 二、电容器并联电路 3.电容器并联电路的应用 电容器并联电路中，每个电容器均承受相同的外加电压，因此，每个电容器的额定工作电压均应大于外加电压。否则，如果一个电容器击穿，将造成整个电路被短路，会对电路造成危害。 所以，等效电容的耐压值为所有并联电容器中耐压值最小的电容器的耐压。 探究新知 一、电容器的连接 例2 两个电容器的容量和额定工作电压分别“20F 15V”“30F 15V”，现将它们并联起来后接到15V的电压上，问（1）此时的等效电容为多少？（2）两个电容器储存的电荷量分别是多少？ 解： （1）此时的等效电容为 （2）两个电容器储存的电荷量分别为 探究新知 二、电容器的充放电 如图所示为电容器的充电、放电实验电路图。图中C 是一个大容量未充电电容器，E 是内阻很小的直流电源，EL是白炽灯，实验前开关S应放置在“2”位置。 电容器充电、放电实验电路 探究新知 二、电容器的充放电 实验开始时，将开关S置于“1”位置，发现白炽灯EL突然亮一下，然后慢慢变暗，最后处于完全不亮状态；同时将观察到电流表A最初偏转一个较大的角度，然后指针渐渐向零位偏转，最后指向零位；而电压表的指针变化是从零位开始，慢慢偏转，最后指向一定位置后不动。 当再将开关S从“1”位置拔向“2”位置时，我们又发现白炽灯与电流表的变化情况与开关S置于“1”位置时相同，只是电压表的指针慢慢回到零位。 探究新知 二、电容器的充放电 一、电容器的充电现象 图所示的电容器的充电电路图中，当开关S置于“1”位置时，其等效电路如图（a）所示，去掉观察电路中现象用的电流表、电压表和白炽灯等仪表与器件后，电路如图（b）所示，即电动势为E 的直流电源直接接在了电容器C 两端。 探究新知 二、电容器的充放电 一、电容器的充电现象 当开关S刚闭合的瞬间，电容器的极板与电源之间存在着较大的电压，正电荷向电容器的上极板移动，负电荷向电容器的下极板移动，电路中形成充电电流。开始时充电电流较大，随着电容器极板上电荷的积聚，两者之间的电压逐渐减小，电流也就越来越小，当两者之间的电压为零时，充电结束，充电电流为零。 探究新知 二、电容器的充放电 所以我们可以看到的现象是：白炽灯突然变亮，然后慢慢变暗，直到完全不亮；电流表的指针偏转角度从大逐渐变小，最后指向零位。而随着充电的进行，电容器两端的电压从“0”开始慢慢变大，直到充电结束，此时。我们看到的现象是：电压表的读数从“0”开始慢慢变大，直到指针指向数值E。 探究新知 二、电容器的充放电   一、电容器的充电现象 使电容器带电（储存电荷和电场能）的过程称为充电。 在充电过程中，电容器储存电荷，把电能转换成了电场能。因此，相对于电阻这个“耗能”元件来说，电容器是一种“储能”元件。 探究新知 二、电容器的充放电   二、电容器的放电现象 当开关S从“1”位置拔向“2”位置时，其等效电路如图（a）所示，去掉观察电路现象用的电流表、电压表和白炽灯等仪表与器件后，电路如图（b）所示，即在充电完成后的电容器两端接了一根短路线。 探究新知 二、电容器的充放电   此时，电容器便通过短路线开始放电，电路中存在放电电流。开始时，由于电容器两端的电压较大，放电电流较大，随着电容器极板上正、负电荷的不断中和，两极板间的电压越来越小，电流也就越来越小，当电容器两端的电压时，放电电流为“0”，放电结束。 我们看到的现象是：白炽灯突然亮，然后慢慢变暗，直到完全不亮；电流表的指针偏转角度从大逐渐就小，最后指向零位；电压表现的读数从最大值“E”慢慢变小，直到指针指向“0”。 探究新知 二、电容器的充放电 二、电容器的放电现象 使充电后的电容器失去电荷（释放电荷和电场能）的过程称为放电。 例如，用一根导线把电容器的两极短路，两极上的电荷互相中和，电容器就会放出电荷和电场能。放电后电容器的两极板之间的电场消失，电场能转化为了其他形式的能。 探究新知 二、电容器的充放电 由电容器的充、放电现象可知，电容器具有以下特点。 1．电容器是一个储能元件 电容器的充电过程就是极板上电荷不断积累的过程。电容器充满电荷时，相当于一个等效电源。随着放电的进行，原来储存的电场能又全部释放出来。即电容器本身只与电源进行能量交流，而并不损耗能量，因此电容器是一种储能元件。 2．电容器能够隔直流、通交流 当电容器接通直流电源时，仅仅在刚接通瞬间发生充电过程。充电结束后，电路处于开路状态，即“隔直流”；当电容器接通交流电源时，由于交流电流的大小和方向不断交替变化，使电容器反复进行充电和放电，电路中就出现连续的交流“电流”，即“通交流”。 应当注意，电容器充、放电时，电路中的电流并没有通过电容器中的电介质，是电容器充、放电形成的电流。 探究新知 二、电容器的充放电 二、电容器中的电场能量 电容器在充电过程中，电容器两个极板上有电荷积累。两极板间形成电场，电场具有能量。电容器充电时，电源正极为电容器正极板补充正电荷，电源负极为电容器负极极板补充充负电荷，使正、负极板上储存的电荷量不断增加。整个充电过程就是电源不断地搬运电荷的过程，所消耗的能量转化为电场能储存在电容器中。 电容器充电时所储存的电场能为 式中，——电容器的电场能，单位是J（焦[耳]）； C——电容器的电容，单位是F（法[拉]）； U——电容器两极板间的电压，单位是V（伏[特]）。 在电压一定的条件下，电容器电容器越大，储存的能量就越多。 巩固练习 一、抢答 序号 问题 1 如图所示，三个电容器、、串联起来后，接到电压为60V的电源上，其中=2F，=3F，=6F，则每个电容器承受的电压、、为这多少？你能得出什么结论？ 巩固练习 二、实战演练——器材和工具 电容器的充放电验证：电容、面包板、电源、二极管、电阻 巩固练习 二、实战演练——要求 注意事项： 初次实验建议使用低压直流电源（如 3-12V），避免使用 220V 交流电源（需专业指导），防止触电；若需高压实验（如电解电容充放电），必须佩戴绝缘手套、护目镜，且电路旁禁止放置金属物品。 电源输出端需明确正负极，禁止反接（可能烧毁电源或元件），接线前务必关闭电源开关。 巩固练习 二、实战演练——电路搭建   根据电路原理图，完成电容充放电的电路搭建 巩固练习 二、实战演练——电路展示   课堂小结 本章节主要学了电容器的两种关键用法：连接时，串联能提高耐压（总电容变小，各电容电压加起来等于总电压），并联能增大容量（各电容电压一样，总电容是各电容之和），特别要注意电解电容正负极不能接反，不然会坏。充放电方面，充电时电容电压慢慢升到电源电压，电流越变越小；放电时电压慢慢降到 0，电流反向且变小。实验里要选对元件、接线规范，做完一定要给电容放电再拆电路，避免触电或元件损坏。学好这些，能帮大家理解电容 “隔直流、通交流” 的特点，也为后面修电器、接电路打基础。 感谢观看 $