《电工基础——电容和电感.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工基础——电容和电感.doc（23页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第三章 电容和电感第一节 电容学习目标1 .掌握 什么是电容器及常见的电容器；2 .理解电容的概念及定义式，了解平行板电容器的电容与哪些因素有关3 .理解介质的击穿4 .掌握电容的串并联5 .掌握电容的充放电重点 1 .电容的串并联2 .电容的充放电难点 电容的充放电一、电场的基本概念1 .电场：带电体周围存在电场。静止电荷形成的为静电场，电流不变化的为恒 定电场，电流不断变化的为变化电场。 电场力：电场对场中电荷的作用力3 .电场强度：测量电场强度的物理量一匸 ， 对于均匀电场 %二,对于不均匀电场= kSCOSa二、电容元件1电容的定义：一种储存电场能量的实际器件，电容器所带电量0与电容器
2、 两极板间的电压的比值，称为电容器的电容，用0表示。无极性有极性2 .图形符号:L/ 3 .计算式：厂，电容量表征导体在单位电压作用下储存电荷的能力，是由电容器本身的性质（导体大小、形状、相对位置及电介质）决定的，与电容 器是不是带电无关。4 .单位：法拉（F ）1F=1O 3 F =10 6 P F5 .分类：按照介质可以分为空气电容器、纸介质电容器、银介质电容器、云母 介质电容器、油介质电容器、金属介质电容器等。按照电容的容量是否可调可以 分为固定电容器、可调电容器，按照电容器有无极性可以分为无极性电容器和电 解电容器。6 .平板电容器：电容器两金属片是平行平面，中间是均匀电场。ZC旦纟虫
3、，C与/I、 E、 d有关，但C与U有关，d U7 .广义电容器：任何两个导体间都存在电容，如输电线之间，输电线与大地之 间，晶体管各极之间，电机变压器绕组的匝间，绕组与机壳之间，但都较小。 额定工作电压，若电容器的工作电压超过额定电压，将引起介质击穿，导电容器毁坏。 标称容量 允许误差 绝缘电阻：应越大越好。 几0为所加电压，ZZ为漏电流。三、电容器的串联图3-1 电容的串联Czb第1页共16贞1 电量：Q=Q 1 =Q 2 =Q 32 电压：US =U 1 +U 2 +U 3电容量:即电容器串联之后，总容量减少，这相当于电阻的并联。4用途：当单独一个电容器的耐牙不能满足电路要求，需并联，但
4、应注意:每只电容器均承受着同样的电量。 电容大的电容器分配的电压小，电容小的电容器分配的电压反而大。例 3-1 :已知C 1二0.2 5 u F (200v),C 2 =0.5uF(30 0 V ),若两电容并联，问电路能否正常工作？解：c=c 1 / / C2 = C1 + C2 =01 6 7 u FQ 二二 Q 1= Q 2= CU=O. 1 6 7* 3 6 0 V 60 u C0_QU1= Ci = 2 40 vU2 = C2=12OV由于小C承受大电压200V,大C承受小电压 3 0 0 V,将导致C 1击 穿，继而引起c 2击穿.四、电容器的并联图3-2电容的并联b CT1 电量
5、：Q=Q 1 +Q 2 +Q 32 电压：US =U 1 =U 2 =U 33电容量：即电容器并联之后，总容量增大减少，这相当于电阻的帘联。4 .用途：当单独一个电容器的电容量不能满足电路要求，而耐压满足要求时, 需并联，但应注意： 每只电容器均承受着外加电压。 每只电容器的耐压均应大于外电压。否则一只电容器被击穿，整个并联电路 就被短路，会对电路造成危害。五、电容器的充放电1 .电容器的充电过程实验现象：如图3-3 ,开关置1 , 口炽灯开始较亮，然后逐渐变暗，灯泡不亮了。电流表指针曲大变小直至0。电压表 指针由0逐渐增大到U s（a ）图3-3电容的充放电 图形描述，如图3-3 ( b)坐
6、妝 S-如)5 i 二C_R 二氏 用万用表电阻档检测电容，可以看到电表指针向右偏转，然后慢慢向左偏 转，指针偏幅度较大，C的充电过程反映C的电容量大小。越小，充电时间越小。弘二戏J称为充电时间常数，RC初态：“牛, = 0,乞知稳态：7=0, %二,耳=0图3-4 电容的放电 图3-54 u*<7dt所以厶鬥流电路中电容廂当于戦賂C开踣2电容器的放电过程 实验现象：开关置2 ,白炽灯开始较亮，然后逐渐变暗直至灭了，电流表偏转一个较大的角度，然后逐渐向零位偏转到0 图形描述，如图3-4所示 i ( t )二氏二C 必 称为放电时间常数，放电时常数越小，放电越快。初态:六、电容上的电圧和电
7、流的关系:1 .公式： 出 必,如图3-5所示。2 .电容上的电压不能发生突变，常利用电容的这种特性对电路元件进行过电压 保护。3 .在直流电路中电容相当于断路(开路)七、电场能量dw E =U C idt二U C d “ 二CU C dU C电容器为储能元件，不耗能。电压增加时，存储电能；电流减少时，放出电能。例3-2 : 一电容器020 PF,与一电阻R "10Q,串联后等在直流电源Us 二 100V 上。求（1）开关接通稳定后电容器上电压U 5（ 2 ）开关接通瞬间电路中最大电流；（3 ）稳定后储存在电场中能量。leu2解：U。二 100V , I m 二 100/10二 10
8、A, W E = 2。二o. 1J八、电容器的击穿1 .电介质：即电场中不导电的绝缘体，电介质中每一原子中的电子受原子核的 束缚力很强，不能形成自由电子，故不能导电。2 .介质的击穿：电介质所能承受的电场强度有一定限度，当被束缚的电荷脱离 了原子或分子的束缚而参加导电，就破坏了绝缘性能，这一现象称为电介质的击 穿。电介质所能承受的极限电场强度称为击穿电场强度，也称绝缘强度。3 .破坏现象：电气开关的断开高压输电线电机变压器绕组4 .介质击穿的避免 采用绝缘强度高的材料。绝缘材料有一定厚度，且不含杂质，如气泡或水分。 设法使电场按要求分布，避免电力线在某些地方过于密集。5 .介质击穿后的利用：电
9、弧焊日光灯避雷器 九、电容器的作用滤波 隔直 调谐旁路 能量转换耦合交流交流作业：3-8 ,9 ,10 ,11 ,12第二节 电感、自感、互感学习目标1 . 了解电磁场的基本知识和电感的概念2.掌握电感的充放电，电感对电流的阻碍作用3 .理解自感和互感现象重点电感对电流的阻碍作用难点自感和互感电动势的判断一、磁场的基本知识1 .运动的电荷周由存在着磁场。2 .磁感应强度：表征磁场强弱的物理量叫磁感应强度。B二27二UH3 .磁场力：在磁场中受到的力叫磁场力.F二BQV二Q $B二BLI4 .电磁感应E二BLV , B磁感应强度，L导体长度，V导体切割磁力线速度，用右手定则判别E的方向。5 .电
10、动机原理：在磁场中，载流直导线受力产生运动把电能转化为机械能.6 .发电机原理：在磁场中，导体切割磁力线，产生感应电动势.7 .电磁关系： 带电导体周围存在电场，磁场， 磁场中，导体运动产 生电场。8.磁体一一磁极一一南极S,北极N。顺磁物质，反磁物质，铁磁物质一一钢, 铁磁物质的磁化，使铁磁物质产生磁性。9 .铁磁物质分类：硬磁物质：需较强的外磁场作用才可使其磁化，不易退磁，剩磁较强，所需矫顽 磁力很大。如碳刚，钻刚，多用来制造永久磁铁.软磁材料：磁导率很大，剩磁和磁力都很小，易磁化，也易去磁.如硅刚片，铸 铁作电动机和变压器的铁心，合金.用来制造小型变压器，高精度交流仪表（灵墩继电器）矩磁
11、材料：弱磁场下，可被磁化并达到磁饱和。撤掉外磁场后，磁性仍然保持为 磁饱和状态相同，该材料用于制作计算机存储元件的环形磁心。二、电感器1 .构成：由导线饶制成线圈2 .分类：按照电感量是否可调可以分为固定电感、可变电感、微调电感， 按照电感是否有铁心可以分为空心电感、铁心电感。TYY空心电感实心电感实际线圈4空心电感线圈：绕在非铁磁材料做成的骨架上的线圈r <p 裤了一厂，其中为磁通，川为匝1 自感:2 自感电动势:dt dt , |j数，/为电流，L称为电感或自感系数5 单位：亨（“）,1H=1O 3 mH=10 6 PH图3-6电感的充放电并联6 .参数：电感系数，额定电流三、自感r
12、 <p 2VOZj = I ITV® = Li = Lq = Z 必推岀楞次定律：处，其符号代表阻碍电流的变化或阻碍磁通的变化。3 .自感现象：（1）如图3-6 ,合上开关后，灯泡HL1先亮，灯泡HL2过后才慢慢 亮起来，电流表1立刻偏转到一个数值，而电流表2缓慢地偏转到一个数值。 此为电感的充电过程，充电的快慢取决于充电时间常数 一示，厂越大，充电 过程越慢。此时在电感上产生上正下负的感应电动势，阻碍电流的增大。电流电 压的变化如图3-7所示。（2 ）当开关断开后。两个灯泡并不立刻熄灭，而是瞬间发出更强的光，然 后才熄灭。图3-7两个电流表的变化是缓慢向左偏转到0。_L 此为
13、电感的放电过程，放电的快慢取决于充电时间常数巴一示,£越大，放电过程越慢。此时在电感上产生上负下正的感应电动势，阻碍电流的减小。电流电压的变化如图3-8所示。4 .自感现象的利用一一阻碍电流的变化（1）稳定电流（2 ）产生高压一一日光灯电路中利用镇流器的自感现象获得点燃灯管所需的 高压（3 ）谐振电路，滤波器5 .自感的危害：产生高压，开关通断产生电弧图3-8四、互感1.互感现象：如图3-9所示表示两个有磁耦合的线圈（简称耦合电感）,电流2 1在线圈 1和2中产生的磁通分别为0 11和。21，则。21 W 0 11 o称为互 感现象。电流i 1称为施感电流。图3-952十口1'
14、; 1严t h21 211称为线圈1的自感磁通，21称为耦合磁通或互感磁通。如果线圈2的匝数为2 ,并假设互感磁通0 21与线圈2的每一匝都交链，则互感磁链为0 21 = N2 0 21二辺山。第1页共16贞图 3-10图 3-10同理，如图3-10所示，电流i2在线圈2和1中产生的磁通分别为022和 0 12，且。12 W。22。 。22称为线圈2的自感磁通，12称为 耦合磁通或互感磁通。如果线圈1的匝数为,并假设互感磁通。12与 线圈1的每一匝都交链，则互感磁链为屮12 = Ar 112二蚣山。2. 互感线圈：上述线圈“2称为互感线圈。3. 互感系数：上述系数岡2和蚣1称互感系数。对线性电
15、感岡2和妊21相 等，记为M。4 -自感系数：对于线性非时变电感元件，当电流的参考方向与磁通的参考方向符合右螺旋定则时，磁链 妙电流Y成正比，即0 式中L为与时间无关的正实常数,即为自感系数。根据电磁感应定律和线圈 的绕向，如果电圧的参考正极性指向参考负极性的方向与产生它的磁通的参考方 向符合右螺旋定则时，也就是在电压和电流关联参考方向下，则二厶dt dt在此电感元件中，磁链0和感应电压u均山流经本电感元件的电流所 产生，此磁链感应电压分别称为自感磁链和自感电压。自感磁链:%二®1二两1禺2 =02二地2,厶也2为自感系数.第1页共16贞5耦合系数：上述一个线圈的磁通交链于另一线圈的
16、现象，称为磁耦合，用耦合系数K来反应其耦合程度。（疋乞1）,则= 土必2=±MiY +爲鮎图 3-11”号表示互感的增强作用;6 .同名端：如图3-11所示，一对互感线圈中，一个线圈的电流发生变化时,在本线圈中产生的自感电压与在相邻线圈中所产生的互感电压极性相同的端点 称为同名端，以“* ”，“ ”，“”等符号表示。一般线圈绕行方向一致的端子为同名端，则方向不一致的端子为异名端。7 .应用：（1）变压器（2 ）有线电话产生相互干扰，应加以避免。五、磁场能量Lidl =电感为储能元件，不耗能。电流增加时，把电能变为磁场能存储；电流减少时, 放出电能。屯磁中屯屯圧的关系所以，在更流电略申
17、电蛭相当于短賂.六、电感中的电压和电流的关系f J I1 1 .公式：必 必2 .电感上的电流不能发生突变，总是阻碍电流的变化。3 .在直流电路中电感相当于短路七、电感在电路中的应用：（1）通直流隔交流（2 ）谐振 （3 ）滤波作用例3-3 :电感线圈L二10mH，本身具有电阻R二2Q,与一电阻R二100Q并联， 与直流电源接通，U $二100V ,当开关合上瞬间，求通过R的电流和线圈中的 电流；当电路达到稳态后，线圈中的电流，电阻R上的电流。解：开关合上瞬间，通过R的电流I R =100/100= 1A ,线圈中的 电流I L二0A ；当电路达到稳态后，线圈中的电流I L =100/2= 50A ,电阻R上的电流I R =100/100= 1A 。