1、10.4 电容器电容器 水可以用容器储存起来，电荷也可以用一个水可以用容器储存起来，电荷也可以用一个“容器容器”储存起来。图储存起来。图中的元件就是这样的中的元件就是这样的“容器容器”电容器。那么，它内部的构造是怎样电容器。那么，它内部的构造是怎样的？它是怎样的？它是怎样“装进装进”和和“倒出倒出”电荷的呢？电荷的呢？一、电容器一、电容器 电容器（电容器（capacitor）是一种重要的电学元件。在两个相距很近的平行）是一种重要的电学元件。在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质金属板中间夹上一层绝缘物质电介质（空气也是一种电介质），就组电介质（空气也是一种电介质），就组成一个最简单的电
2、容器，叫作平行板电容器。这两个金属板叫作电容器的成一个最简单的电容器，叫作平行板电容器。这两个金属板叫作电容器的极板。实际上，任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成一个电极板。实际上，任何两个彼此绝缘又相距很近的导体，都可以看成一个电容器。容器。观察电容器的充、放电现象观察电容器的充、放电现象 把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路把直流电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关组装成实验电路（图（图 10.4-1）。把开关）。把开关S接接1，此时电源给电容器充电。在充电过程中，可以看到电压，此时电源给电容器充电。在充电过程中，可以看到电压表示数迅
3、速增大，随后逐渐稳定在某一数值，表示电容器两极板具有一定的电势差。通表示数迅速增大，随后逐渐稳定在某一数值，表示电容器两极板具有一定的电势差。通过观察电流表可以知道，充电时电流由电源的正极流向电容器的正极板。同时，电流从过观察电流表可以知道，充电时电流由电源的正极流向电容器的正极板。同时，电流从电容器的负极板流向电源的负极。随着两极板之间电势差的增大，充电电流逐渐减小至电容器的负极板流向电源的负极。随着两极板之间电势差的增大，充电电流逐渐减小至 0，此时电容器两极板带有一定的等量异种电荷。即使断开电源，两极板上的电荷由于，此时电容器两极板带有一定的等量异种电荷。即使断开电源，两极板上的电荷由于
4、相互吸引而仍然被保存在电容器中。相互吸引而仍然被保存在电容器中。 把开关把开关S接接2，电容器对电阻，电容器对电阻R放电。观察电流表可以知道，放电电流放电。观察电流表可以知道，放电电流由电容器的正极板经过电阻由电容器的正极板经过电阻R流向电容器的负极板，正负电荷中和。此时流向电容器的负极板，正负电荷中和。此时两极板所带的电荷量减小，电势差减小，放电电流也减小，最后两极板电两极板所带的电荷量减小，电势差减小，放电电流也减小，最后两极板电势差以及放电电流都等于势差以及放电电流都等于0。 电容器充电的过程中，两极板的电荷量增加，极板间的电场强度增电容器充电的过程中，两极板的电荷量增加，极板间的电场强
5、度增大，电源的能量不断储存在电容器中；放电的过程中，电容器把储存的大，电源的能量不断储存在电容器中；放电的过程中，电容器把储存的能量通过电流做功转化为电路中其他形式的能量。能量通过电流做功转化为电路中其他形式的能量。充电过程：充电过程：把开关把开关S S接接1 1，此时电源给电容器充电，充电电，此时电源给电容器充电，充电电流逐渐减小，电压表示数逐渐增大，当电流表示流逐渐减小，电压表示数逐渐增大，当电流表示数为数为0 0时充电完毕。充电过程时充电完毕。充电过程充电电流方向为从电源的正极流出的电流的充电电流方向为从电源的正极流出的电流的方向。方向。电容器所带电荷量增加。电容器所带电荷量增加。电容器
6、两极板间电压升高。电容器两极板间电压升高。电容器中电场强度增大。电容器中电场强度增大。充电过程中电容器从电源获取的能量为电能。充电过程中电容器从电源获取的能量为电能。放电过程：放电过程：把开关把开关S S接接2 2，电容器对电阻，电容器对电阻R R放电。放电电流由放电。放电电流由电容器的正极板经过电容器的正极板经过R R流向电容器的负极板。此时流向电容器的负极板。此时电容器两极板所带电荷量减小，电势差减小，放电容器两极板所带电荷量减小，电势差减小，放电电流减小，最后两极板电势差以及放电电流都电电流减小，最后两极板电势差以及放电电流都等于等于0 0。放电电流方向是从正极板流出的电流的方向。放电电
7、流方向是从正极板流出的电流的方向。电容器两极板上电荷量减少。电容器两极板上电荷量减少。电容器两极板间电压降低。电容器两极板间电压降低。电容器中电场强度减小。电容器中电场强度减小。电容器的电场能转化成其他形式的能量。电容器的电场能转化成其他形式的能量。用传感器观察电容器的放电过程用传感器观察电容器的放电过程二、电容二、电容 在图在图 10.4-1 电容器充电的实验中，我们看到，电容器两极板之间电容器充电的实验中，我们看到，电容器两极板之间的电势差增大时，电流表的示数不为的电势差增大时，电流表的示数不为 0，这表明电容器所带的电荷量，这表明电容器所带的电荷量也在增加。那么，电容器所带的电荷量跟两极
8、板间的电势差是否存在也在增加。那么，电容器所带的电荷量跟两极板间的电势差是否存在某种定量关系？某种定量关系？ 探究电容器两极板间电势差跟所带电荷量的关系实验电路图如图探究电容器两极板间电势差跟所带电荷量的关系实验电路图如图 10.4 -4 所示。取一个电容器所示。取一个电容器 A 和数字电压表相连，把开关和数字电压表相连，把开关S 1 接接1，用几，用几节干电池串联后给节干电池串联后给A充电，可以看到充电，可以看到 A 充电后两极板具有一定的电压。把充电后两极板具有一定的电压。把开关开关 S 1 接接 2，使另一个相同的但不带电的电容器，使另一个相同的但不带电的电容器 B跟跟A并联（注意不要并
9、联（注意不要让手或其他导体跟电容器的两极板接触，以免所带电荷漏失），可以看让手或其他导体跟电容器的两极板接触，以免所带电荷漏失），可以看到电压表示数变为原来的一半；断开开关到电压表示数变为原来的一半；断开开关 S 1 ，闭合开关，闭合开关 S 2 ，让，让 B 的的两极板完全放电，随后再断开开关两极板完全放电，随后再断开开关 S 2 ，把，把 B 和和 A 并联，电压表示数再并联，电压表示数再次减少一半。还可以继续这样操作次减少一半。还可以继续这样操作 以上实验表明，电容器的电荷量变为原来的一半时，其两极板间的以上实验表明，电容器的电荷量变为原来的一半时，其两极板间的电势差也变为原来的一半。电
10、势差也变为原来的一半。 精确的实验表明，一个电容器所带的电荷量精确的实验表明，一个电容器所带的电荷量Q与两极板之间的电势差与两极板之间的电势差U之比是不变的。不同的电容器，这个比一般是不同的，可见电荷量之比是不变的。不同的电容器，这个比一般是不同的，可见电荷量Q与与电势差电势差U之比表征了电容器储存电荷的特性。之比表征了电容器储存电荷的特性。 在国际单位制中，电容的单位是法拉（在国际单位制中，电容的单位是法拉（farad），简称法，符号是），简称法，符号是 F。如果一个电容器带如果一个电容器带 1 C 的电荷量时，两极板之间的电势差是的电荷量时，两极板之间的电势差是 1 V，这个电，这个电容器
11、的电容就是容器的电容就是 1 F。 实际中常用的单位还有微法（实际中常用的单位还有微法（F）和皮法（）和皮法（pF），它们与法拉的关），它们与法拉的关系是系是 1 F 10-6 F 1 pF 10-12 F 加在电容器两极板上的电压不能超过某一限度，加在电容器两极板上的电压不能超过某一限度， 超过这个限度，电介超过这个限度，电介质将被击穿，电容器损坏。这个极限电压叫作击穿电压。电容器外壳上质将被击穿，电容器损坏。这个极限电压叫作击穿电压。电容器外壳上标的是工作电压，或称额定电压，这个数值比击穿电压低标的是工作电压，或称额定电压，这个数值比击穿电压低对电容的理解对电容的理解 三、平行板电容器的电
12、容三、平行板电容器的电容 平行板电容器是最简单的，也是最基本的电容器。几乎所有电容器都是平行板电容器是最简单的，也是最基本的电容器。几乎所有电容器都是平行板电容器的变形。平行板电容器的变形。 2. 保持极板上的电荷量保持极板上的电荷量 Q 不变，两极板的正对面积不变，两极板的正对面积 S 也不变，改变两极也不变，改变两极板间的距离板间的距离 d，通过静电计指针的变化得到两极板之间电势差的变化。同，通过静电计指针的变化得到两极板之间电势差的变化。同上所述，由电势差的变化判断电容的变化，从而得到两极板之间的距离上所述，由电势差的变化判断电容的变化，从而得到两极板之间的距离 d 对电容对电容 C 的
13、影响（图的影响（图 10.4-6 乙）。乙）。3. 保持保持 Q、S、d 都不变，在两极板间插入电介质，例如有机玻璃板。通都不变，在两极板间插入电介质，例如有机玻璃板。通过静电计指针的变化得知两极板间电势差的变化。同上所述，由电势差的过静电计指针的变化得知两极板间电势差的变化。同上所述，由电势差的变化判断电容的变化，从而得到两极板之间电介质的存在对电容变化判断电容的变化，从而得到两极板之间电介质的存在对电容 C 的影响的影响（图（图 10.4-6 丙）。丙）。Q4Q4dQ4CQU44SkdSkdUESkdUkdSCUQkdSUQCrrrrr四、常用电容器四、常用电容器 常用的电容器，从构造上看
14、，可以分为固定电容器和可变电容器两类。常用的电容器，从构造上看，可以分为固定电容器和可变电容器两类。固定电容器的电容是固定不变的。常用的有聚苯乙烯电容器和电解电容器。固定电容器的电容是固定不变的。常用的有聚苯乙烯电容器和电解电容器。 以聚苯乙烯薄膜为电介质，把两层铝箔隔开，卷起来，就制成了聚以聚苯乙烯薄膜为电介质，把两层铝箔隔开，卷起来，就制成了聚苯乙烯电容器（图苯乙烯电容器（图10.4-7 甲）。改变铝箔的面积和薄膜的厚度，可以制甲）。改变铝箔的面积和薄膜的厚度，可以制成不同电容的聚苯乙烯电容器。以陶瓷为电介质的固定电容器也很多。成不同电容的聚苯乙烯电容器。以陶瓷为电介质的固定电容器也很多。
15、 电解电容器（图电解电容器（图10.4-7 乙）是用铝箔作为一个极板，用铝箔上很薄乙）是用铝箔作为一个极板，用铝箔上很薄的一层氧化膜为电介质，用浸过电解液的纸作为另一个极板（要靠另一的一层氧化膜为电介质，用浸过电解液的纸作为另一个极板（要靠另一片铝箔与外部引线连接）制成的。由于氧化膜很薄，所以电容较大。片铝箔与外部引线连接）制成的。由于氧化膜很薄，所以电容较大。 可变电容器由两组铝片组成（图可变电容器由两组铝片组成（图10.4-8），它的电容是可以改变的。），它的电容是可以改变的。固定的一组铝片叫作定片，可以转动的一组铝片叫作动片。转动动片，固定的一组铝片叫作定片，可以转动的一组铝片叫作动片。转动动片，使两组铝片的正对面积发生变化，电容就随着改变。使两组铝片的正对面积发生变化，电容就随着改变。 超级电容器是超级电容器是20世纪世纪70年代根据电化学原理研发的一种新型电容年代根据电化学原理研发的一种新型电容器，它的出现使电容器的容量得到了巨大的提升。超级电容器的充电器，它的出现使电容器的容量得到了巨大的提升。超级电容器的充电时间短，储存电能多，放电功率大，使用寿命长。这些优点展现了它时间短，储存电能多，放电功率大，使用寿命长。这些优点展现了它作为新型动力电源的广阔发展前景。作为新型动力电源的广阔发展前景。课堂练习
