1.3 电容电路

电容电路具有与电阻电路不一样的特性，它与电阻电路一样，广泛应用于各种电气设备和电子设备中，与人们的生活息息相关。

1.3.1 电场与静电屏蔽

电场就像空气一样充满在人们周围，看不见也摸不着。它既为人们带来了巨大的便利，有时也会对人们的生活产生着不利的影响。只有深入地了解电场的特性，才能更好地利用它，免受它的干扰。

1. 电场

自然界中电荷无处不在，且具有异性相互吸引，同性相互排斥的特点。电荷的这种相互作用是通过电场产生的。电场是一种存在于电荷的周围，并对处在其中的其他电荷产生吸引力或者排斥力的物质。

电场中处在不同位置的相同电荷，或者处在相同位置的不同电荷，受到的作用力的大小和方向都是不相同的，由此可见电场是有大小，有方向的。电场的方向规定为正电荷受力的方向。电荷在电场中受到的作用力越大，说明此处的电场越大。

电场虽然看不见也摸不着，但可以用电力线形象地描述它的大小和方向。图1-17为正、负电荷的电场分布情况。电力线的箭头表示了电场的方向，电力线的疏密程度表示了电场的大小。

2. 静电屏蔽

电场的存在有时会对电路产生不良影响，那么有什么办法可以避开电场的影响呢？先来看两个实验现象。如图1-18所示在电场中放一个金属空壳，发现金属空壳内并没有电场，这说明电场被金属空壳屏蔽，而不能进入金属空壳内。如图1-19所示在一个接地的金属空壳内放一个正电荷，在金属空壳外却没有发现正电荷的电场，这说明电场同样被金属空壳屏蔽，而不能逸出金属空壳外。这种金属空壳对电场有屏蔽作用的现象，称为静电屏蔽。

顺便指出：在电子技术中，常常需要把电子元件，有时甚至是整个电路，用接地的金属空壳封装起来，其目的之一就是利用接地金属空壳的静电屏蔽作用，使它们与外电路隔离，以免通过电场相互干扰。例如电视机中的高频电路、中频变压器等都是用接地的金属空壳封装起来的。

1.3.2 电容电路

在电子技术中，电容器应用十分广泛，有滤波、积分、微分、移相、传输信号、储存能量等作用。

1. 电容器

1）电容器的结构

电容器由两个彼此绝缘而又相互靠近的导体构成。如图1-20所示是一个平行板电容器的结构示意图。

2）电容器的容量

电容器与电源连接后，在电场的作用下，电源会使A极板带上正电荷，B极板带上负电荷，如图1-21所示。

电容器两极板所带电荷的电量是相等的，称为电容器所带电量，用Q表示。电容器两极板的电压越高，电容器所带电量也就越多。电容器两极板加上单位电压时，电容器所带的电量称为电容器的电容量，简称电容或容量，用C表示，即

式中，容量的单位为法拉第（F），电量的单位为库仑（C），电压的单位为伏特（V）。

常用的容量单位及它们之间的换算关系如下：

1F=106 μF，1μF=103 nF，1nF=103 pF，1μF=106 pF

电容器的容量C与电容器两极板的正对面积S成正比，与两极板的距离d成反比，并且还与两极板之间的绝缘材料（介质）的介电常数ε有关，它们的关系式为：

式中，容量的单位为法拉第（F），介电常数的单位为（F/m），面积的单位为平方米（m2），距离的单位为米（m）。

3）电容器的额定直流工作电压

电容器两端的电压升高到一定值时，两极板之间的绝缘介质会被击穿而导电，这个电压值称为电容器的击穿电压。

电容器能够长时间正常工作所加的最高直流电压，称为电容器的额定直流工作电压，它比击穿电压小。

电容器用在交流电路中时，加在它两端的交流电压的最大值应小于等于额定直流工作电压。

2. 电容器的充电和放电

1）电容器的充电

如图1-22所示，不带电荷的电容器与电源连接后，在电场的作用下，一方面电源正极的正电荷会移向A极板，另一方面电源负极的负电荷会移向B极板，这样在电路中就形成了一个电流，方向是从电源正极经电容器回到电源负极。这个电流使电容器所带电量逐渐增加，所以称它为充电电流。随着电容器两极板所带电量增加，电容器两端的电压也随着升高，当升高到等于电源电动势时，电量不再增加，充电电流为零，充电过程结束。

充电后的电容器，其内部存在电场，方向是从带正电荷的极板指向带负电荷的极板。电源提供给电容器的能量就是以电场能的形式存储在电容器上。

2）电容器的放电

如图1-23所示，已经充电的电容器两端用电阻连接后，B极板所带的负电荷通过电阻向A极板移动，与A极板所带的正电荷相互中和形成电流，方向是从电容器的A极板通过电阻流到电容器的B极板。

这个电流使电容器所带电量逐渐减少，所以称它为放电电流。随着两极板所带电量减少，电容器两端的电压也随着降低，电容器内部电场逐渐减弱。当两极板正、负电荷中和完毕后，电容器两端电压降低为零，内部电场也减弱至零，放电结束。电容器在放电过程中，其存储的电场能逐渐转化为热能而被电阻消耗。

3）电容器在交流电路中的充、放电

在直流电路中，只有在电容器充、放电过程中才有电流，充、放电结束后，电流变为零，所以称电容器有“隔直流”的作用。当电容器两端接交流电源时，由于交流电源的电动势的大小、方向都随时间不断改变，导致电容器不停的进行正、反向充、放电，电路中始终会存在充、放电电流。

例如，当交流电源的极性为左正右负时，如图1-24（a）所示，交流电源会对电容器充电，使A极板带上正电荷，B极板带上负电荷；当交流电源的极性变为右正左负时，如图1-24（b）所示，电源会对电容器反充电，反充电的结果必使B极板带上正电荷，A极板带上负电荷。这样，随着交流电源极性的反复变化，电路中总有电流流过，这说明交流电能够通过电容。所以形象地称电容器有“通交流”的作用。

4）RC电路的时间常数

电容器充、放电的快慢与电路中电阻的阻值及电容器的容量有关。当电源电动势和电容器的容量不变时，电阻越大，充、放电电流越小，充、放电结束所需的时间越长；反之所需的时间越短；当电源电动势和电阻不变时，电容器的容量越大，电容器两端达到同样电压所需电量就越多，充、放电所需的时间越长；反之所需的时间越短。

为了衡量电容器充、放电的快慢，常引入时间常数的概念，它等于电阻与电容的乘积，用τ表示，即

式中，时间常数的单位为（s），电阻的单位为（Ω），电容的单位为（F）。时间常数越大，充、放电越慢，时间常数越小，充、放电越快。

3. 电容器的连接

电容器和电阻一样，在电路中也有串、并联连接方式。

1）电容器的串联

图1-25为三个电容器串联的电路，电容器串联电路有如下一些特点：

（1）电路中每个电容所带电量都相等，且等于总等效电容所带电量，即

（2）电路的总电压等于各电容器两端电压之和，即

（3）电路总电容的倒数等于各电容的倒数之和，即

（4）电路中，各电容器两端的电压与电容器的容量成反比，即容量大的，两端的电压小，容量小的，两端的电压大，这种关系称为电容器的分压关系。设电容器串联后，总等效电容所带的电量为Q，则各电容器的分压关系为：

应用技巧：由电容器串联电路的特点可知，在使用电容器时，如果电容器的额定直流工作电压小于实际工作电压，可以在满足容量要求的情况下，用串联的方法，提高总等效电容器的额定直流工作电压。当多个容量不同的电容器串联时，各电容器上所加的电压不一样，应该保证每一个电容器的额定直流工作电压都大于实际所加的电压。

2）电容器的并联

图1-26为三个电容器并联的电路，电容器并联电路有如下一些特点：

（1）电路中所有电容器所带的总电量，等于各电容器所带电量之和，即

（2）电路中各电容器两端电压都相等，且等于电路的总电压，即

（3）电路的总电容等于各电容之和，即

（4）电路中，电容器所带电量与电容器的容量成正比，即容量大的，所带电量多，容量小的，所带电量少。设电容器并联后，两端电压为U，则

Q1 =C1 U Q2 =C2 U Q3 =C3 U

应用技巧：由电容器并联电路的特点可知，在使用电容器时，如果电容器的容量小于实际要求的容量时，可以在满足耐压的前提下，采用并联的方法，来提高总容量。