电容器的充电与放电

观察与思考

做电容器充、放电演示实验，按图4－4－1所示将电容器的充、放电实验电路连接好，其中C是一大容量未充电电容器，E是内阻很小（可忽略不计）的直流电源，EL是白炽灯，实验前开关S应放置在"2"位置。

图4－4－1电容器充、放电实验电路

实验开始，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最初偏转一个较大角度，然后指针渐渐向零位偏转，最后指向零，而电压表的指针变化是从零开始，慢慢上升，最后指向一定位置后不变。而再将开关S从“1”拨向“2”位置，我们将会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，只是电压表的变化情况相反，从最大慢慢变小，经过一段时间后为零。

你能解释以上实验现象吗？电容器到底具有哪些基本功能和特性呢？就让电容器的充、放电过程来告诉我们吧！

1．电容器的充电功能

图4－4－1中，当开关S置于“1”位置时，其等效电路如图4－4－2（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器件后，电路如图4－4－2（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。因为电容器两极板问是绝缘物质，不导电，因此，直流电不能通过电容器，我们说电容器具有隔断直流电的作用，即通常所说的“隔直”作用。

图4－4－2　电容器充电电路

那么，当开关S置于“1”位置时，为什么会出现实验中的现象呢？这是由于S刚闭合的一瞬间，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。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变小，最后为零。而随着充电的进行，电容器两端的电压UC从“0”开始慢慢变大，直到充电结束，此时Uc＝E。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。

使电容器带电（储存电荷和电能）的过程称为充电。在充电的过程中，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”。

2．电容器的放电功能

图4－4－1中，当开关S从“1”位置拨向“2”位置时，其等效电路如图4－4－3（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器件后，电路如图4－4－3（b）所示，即在充完电后的电容器两端接了根短路线。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Uc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，一当电容器两端电压

UC＝0时，充电电流为“0”，充电结束。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变小，最后为零；电压表的读数从“E”最大慢慢变小，直到指针指向“0”。

使充电后的电容器失去电荷（释放电荷和电能）的过程称为放电。例如，用一根导线把电容器的两极接通，两极上的电荷互相中和，电容器就会放出电荷和电能。放电后电容器的两极板之间的电场消失，电能转化为其他形式的能。

职业相关知识：

在进行电路或电器维修时，如果碰到大容量的电容器，应先通过短接将其电荷量放掉后再进行维修，以防被电击。电容器放电的快慢与电容器容量C的大小和放电回路中电阻R的乘积成正比。

值得注意的是：电路中的电流没有通过电容器中的电介质，是电容器充、放电形成的电流。在充电过程中，电容器储存电荷，充完电的电容器相当于一个电源；在放电过程中，电容器将正、负电荷中和，放完电的电容器，其两端电压为零。充电和放电功能是电容器的基本功能。

图4－4－3　电容器放电电路

3．电容器的简易检测

电容器一般常见故障有：击穿短路、断路、漏电或电容量变化等。通常利用万用表的电阻挡（R×100或R×1k）测量电容器两端之间的漏电阻，根据指针摆动的情况，来判别较大容量的电容器质量，这是利用了电容器的充、放电特性。

1）如果电容器质量很好，漏电很小，将万用表的表笔分别与电容器的两端接触，则指针会有一定的偏转，并很快回到接近于起始位置的地方。

2）如果电容器的漏电很大，则指针回不到起始位置，而停在标度尺的某处，这时指针所指出的电阻数值即表示该电容器的漏电阻值。

3）如果指针偏转到0Ω之后不再回去，则说明电容器内部已经短路。

4）如果指针根本不偏转，则说明电容器内部可能断路，或电容量很小，充、放电电流很小，不足以使指针偏转。

提示：针对不同容量的电容器应选用合适的量程。一般情况下，小于1μF的电容器可选用R×10k挡，1～47μF间的电容器可选用R×1k挡；47～1000μF之间的电容器可选用R ×100挡。

思考与练习

1．电容器在充电过程中，充电电流一开始为－，然后－，直到－。电容器两端的电压却从－变化到－。充完电的电容器相当于一个－。

2．通常利用万用表的－挡，来区别较大容量电容器质量的好坏。如果指针根本不偏转，则说明－；如果指针偏转到0Ω之后不再回去，则说明－。