電容器和電感器3-2電容器和電感器1.?電容器的結(jié)構(gòu)和類型平行板電容器的結(jié)構(gòu)如圖3-2-1所示，兩個(gè)相互絕緣又靠得很近的導(dǎo)體就組成了一個(gè)電容器。這兩個(gè)導(dǎo)體稱為電容器的兩個(gè)極板，中間的絕緣材料稱為電容器的介質(zhì)。一、電容器3-2電容器和電感器電容量是反映電容器儲存電荷能力的一個(gè)物理量，它在數(shù)值上等于電容器在單位電壓作用下所儲存的電荷量，即電容量的單位是法拉（F），常用較小的單位有微法（μF）和皮法（pF）。其換算關(guān)系為3-2電容器和電感器電容量簡稱電容。電容的大小取決于電容器的結(jié)構(gòu)及極板間介質(zhì)的絕緣性能，而與外加電壓的大小、電容器帶電多少等外部條件無關(guān)。如圖3-2-1所示，設(shè)平行板電容器極板正對面積為S，兩極板間的距離為d，極板間電介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，則平行板電容器的電容可按下式計(jì)算式中，S、d、C

的單位分別是m2、m、F，介電常數(shù)ε的單位是F/m。3-2電容器和電感器真空中的介電常數(shù)ε0≈8.86×10-12F/m，某種介質(zhì)的介電常數(shù)ε與ε0

之比，稱為該介質(zhì)的相對介電常數(shù)，用εr

表示?？諝獾南鄬殡姵?shù)εr

約為1，石蠟、油、云母等的相對介電常數(shù)εr較大，作為電容器的電介質(zhì)可顯著增大電容，而且能做成很小的極板間隔，因而應(yīng)用廣泛。實(shí)際上，任何兩個(gè)導(dǎo)體之間都存在電容，例如，輸電線之間、輸電線與大地之間都存在電容；電子元器件的引腳之間、導(dǎo)線與儀器的金屬外殼之間也存在電容。但由于它們兩個(gè)“極板”之間距離較大，而且空氣的介電常數(shù)又很小，所以這個(gè)電容就很小，可以忽略不計(jì)。3-2電容器和電感器常用電容器的外形見表3-2-1。3-2電容器和電感器常用電容器的圖形符號見表3-2-2。3-2電容器和電感器2.?電容器的儲能作用電容器的充、放電實(shí)驗(yàn)電路如圖3-2-2所示。實(shí)際上，電容器的充電和放電過程就是電場能的存儲和釋放的過程。3-2電容器和電感器（1）電容器的充電如圖3-2-2a所示，當(dāng)開關(guān)S置于A端，電源E通過電阻R對電容器C開始充電。起初，充電電流iC

較大，但隨著電容器C兩端電荷的不斷積累，形成的電壓uC

越來越高，它阻礙了電源對電容器的充電，使充電電流越來越小。當(dāng)電容器兩端電壓達(dá)到最大值E時(shí)，則不再變化，電流為零。故在直流穩(wěn)態(tài)電路中，電容器相當(dāng)于開路，這就是電容的隔直作用。3-2電容器和電感器（2）電容器的放電如圖3-2-2b所示，當(dāng)電容器兩端充足電后，若將開關(guān)S置于B端，電容器通過電阻R開始放電。起初，放電電流iC

很大，但隨著電容器C兩端電荷的不斷減，電壓uC

越來越低，放電電流越來越小，直至為零，這時(shí)電容器兩端的電壓也為零。在電容器的充、放電過程中，電容器兩端電壓發(fā)生變化，其電荷量也發(fā)生變化，電荷在電路中移動(dòng)，便形成了電流。電容電流與其兩端電壓的變化率成正比，即只有當(dāng)電容上電壓隨時(shí)間變化時(shí)，電容上才有電流流過，因此電容為動(dòng)態(tài)元件。當(dāng)電容兩端的電壓增大時(shí)，電場能量增大，在此過程中，電容從電源取用電能轉(zhuǎn)換為電場能量；當(dāng)電容兩端的電壓減小時(shí)，電場能量減小，電容釋放能量，電場能量轉(zhuǎn)換為電能。可見電容器是一種儲能元件。3-2電容器和電感器當(dāng)電容器外接交流電時(shí)，電源與電容器之間不斷地充電和放電，電容器對交流電會有阻礙作用，將電容對交流電的阻礙作用稱為容抗，用XC表示，容抗的單位也是歐姆（Ω）。容抗的計(jì)算式為電容器的容抗與信號頻率的關(guān)系可以簡單概括為隔直流、通交流，阻低頻、通高頻。因此，電容器也被稱為高通元件。二、容抗——電容對交流電的阻礙作用應(yīng)用鏈接1.超級電容器超級電容器是一種新型高能量密度的儲能元件（見圖3-2-3），其結(jié)構(gòu)近似于平行板電容器。它采用多孔活性碳材料作為電極，大大增加了極板面積，同時(shí)極板間距離又非常小，因此，與同樣體積的普通電容器相比，可具有更大的電容量。超級電容器可以并聯(lián)使用以增加電容量，也可以采取均壓措施后串聯(lián)使用。與可充電電池相比，超級電容器可以進(jìn)行不限流充電，瞬間放電電流可達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千安培。其儲能過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且這種過程是可逆的，因此可實(shí)現(xiàn)充放電數(shù)十萬次而不需要任何維護(hù)和保養(yǎng)。而且它所用的材料都是安全、無毒的，用在公交車上符合低碳、節(jié)能、綠色環(huán)保的要求。電容器在汽車中的應(yīng)用應(yīng)用鏈接圖3-2-4所示為超級電容城市公交車。車輛停站后，利用乘客上下車的時(shí)間，車頂?shù)某潆娫O(shè)備可升起，搭到充電站的電纜上充電，以補(bǔ)充能量。應(yīng)用鏈接2.油罐車油位傳感器當(dāng)平行板電容器的極板正對面積或電介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電容器的電容量也會發(fā)生變化，電容式油位傳感器就是利用電容器的這一特性制成的。圖3-2-5a所示為油位檢測原理圖。電容器的電容量與電容器兩極板浸入油液（介質(zhì)）的深度有關(guān)，即與液位高低有關(guān)，利用電容量的變化可將油位高低的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。油罐車油位傳感器實(shí)物如圖3-2-5b所示。傳感器利用探極與容器間形成的電容量隨油位高低呈線性變化的規(guī)律，將電容的變化量（即液位的變化量）轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，經(jīng)系統(tǒng)處理后，可直接顯示液位高度或通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。3-2電容器和電感器1.?電感器的結(jié)構(gòu)和類型電感器的基本結(jié)構(gòu)是用銅導(dǎo)線繞成的圓筒狀線圈。線圈的內(nèi)腔有空的，也有是鐵芯或鐵氧體芯，加入鐵芯或鐵氧體芯的目的是把磁感線更緊密地約束在電感器的周圍，能更有效地發(fā)揮其功能。三、電感器3-2電容器和電感器常用電感器的外形和圖形符號分別見表3-2-3和表3-2-4。3-2電容器和電感器3-2電容器和電感器電感量是一個(gè)反映電感器抗拒電流變化能力的物理量，它在數(shù)值上等于當(dāng)電流以1安培/秒的變化速率通過電感器時(shí)，能產(chǎn)生多少伏特的感應(yīng)電動(dòng)勢。電感量的大小與線圈的匝數(shù)、形狀、大小及磁芯的材料有關(guān)。空心電感器（也稱線性電感器）的電感量大小取決于自身結(jié)構(gòu)，與線圈是否通電及通電大小無關(guān)。電感量用符號L

表示，單位是亨利，用字母H表示。實(shí)際常取毫亨（mH）和微亨（μH）作為電感量的單位，換算關(guān)系如下1亨利=103

毫亨=106

微亨1H=103mH=106μH電感量也簡稱電感。電感量通常也是采用數(shù)碼、符號或用直標(biāo)法標(biāo)注在電感器的外殼上，有些還特別標(biāo)明了額定工作電流。選用電感器時(shí)，其額定工作電流一般要稍大于電路中流過的最大電流。3-2電容器和電感器2.?電感器的儲能特性電感器兩端的電壓與通過電流的變化率成正比，當(dāng)電流不隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)（穩(wěn)恒直流），則電感器兩端電壓為零，這時(shí)電感器相當(dāng)于短路。當(dāng)流過電感器的電流增大時(shí)，磁場能量增大，在此過程中，電感器從電源取用電能轉(zhuǎn)換為磁場能量；當(dāng)流過電感的電流減小時(shí)，磁場能量減小，電感器釋放能量，磁場能量轉(zhuǎn)換為電能?？梢婋姼衅饕彩且环N儲能元件。3-2電容器和電感器將電感線圈接入交流電路中，由于交流電的大小和方向隨時(shí)都在變化，在電感線圈中便不停地產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，自感電動(dòng)勢時(shí)刻起著阻礙電流變化的作用，將電感對交流電的阻礙作用稱為感抗，用XL

表示。感抗的單位也是歐姆（Ω）。線圈自感系數(shù)越大，感抗越大；交流電頻率越高，線圈感抗也越大。感抗的計(jì)算式為XL=ωL=2πfL電感器的感抗與頻率的關(guān)系可以簡單概括為通直流、阻交流，通低頻、阻高頻，因此電感器也稱為低通元件。四、感抗——電感對交流電的阻礙作用應(yīng)用鏈接扼流圈是指對交流電流起阻礙作用的電感線圈。利用線圈感抗與頻率成正比的關(guān)系，不同扼流圈可扼制不同頻率的交流電流。用于濾波電路的稱為濾波扼流圈，用于扼制低頻電流的稱為低頻扼流圈，用于扼制高頻電流的稱為高頻扼流圈。低頻扼流圈（見圖3-2-6a）線圈繞在閉合的鐵芯上，匝數(shù)為幾千甚至超過一萬，自感系數(shù)為幾十亨。即便交流頻率較低，這種線圈產(chǎn)生的感抗也很大。電感器在汽車中的應(yīng)用應(yīng)用鏈接高頻扼流圈（見圖3-2-6b）線圈有的繞在圓柱形鐵氧體上，有的是空心的，匝數(shù)為幾百或幾十，自感系數(shù)為幾毫亨。這種線圈對低頻交流電的阻礙作用較小，對高頻交流電的阻礙作用較大。一些特殊電路為了適應(yīng)大電流、大功率、長時(shí)間連續(xù)工作的要求，必須使用大功率電感，其主要特點(diǎn)是用粗導(dǎo)線繞制，可承受數(shù)十、數(shù)百、數(shù)千甚至數(shù)萬安培的電流，一般用于電動(dòng)汽車電源變換器、動(dòng)力傳輸設(shè)備等。共模扼流圈的結(jié)構(gòu)如圖3-2-6c所示，它是在一