1.4 电容元件和电感元件

1.4  电容元件和电感元件

1.4.1  电容元件

在电气设备中，广泛用到一种叫做电容器的元件。电容器由一对相互靠近中间隔以绝缘介质（如空气、纸、云母、陶瓷等）的导体构成。这一对导体又称为电容器的极板。如果将电容器的两极板与一直流电压源接通，由于介质是不导电的，最后电容器的两个极板将分别聚集起等量的异性电荷。这些电荷相互吸引，被约束在极板上，在极板之间（即介质中）建立起电场，与此同时，两极板间的电压等于外加直流电压源的电压，此时称电容器被充电。将充了电的电容器从电源上拆下，电荷仍然保持在极板上，极板之间的电场能量也继续存在，所以电容器是一种能够储存电荷（或电场能量）的实际电路元件。

实际的电容器由两个金属极板，中间隔以绝缘介质组成。在电源的作用下，两极板上将聚集等量的异性电荷，并依靠电场力作用相互吸引，这些电荷为介质所隔而不能中和。当把电源移去后，极板上的电荷能长久地存储下去。

实际电容器的中间介质并不是理想的绝缘体，绝缘电阻不能为无限大。因此，必然存在一定的漏电现象。如果略去漏电现象，这时电容器就是理想的电容器。电容器两极板上储存的电荷与两极板间的电压值有关，电容器是一种电荷与电压相约束的元件。因此电容元件是一种能够贮存电场能量的元件，是实际电容器的理想化模型。理想电容器两极板上聚集的电荷量q与电压u的函数关系是一种简单的代数关系，即端电压u正比于电荷量q，关系式为

q＝Cu                                                      （1.4.1）

式中：常数C称为电容。在国际单位制中，电容的单位为法拉（F），其电路符号如图1-20所示。

根据电流的定义可以得出电容的电流i和电压u的伏安关系式

                                      （1.4.2）

电容是储存电场能量的元件，它所吸收的能量为

                                              （1.4.3）

可变电容器有调节范围在几百皮法的可变电容器和在小范围（＜100pF）变化的微调式可变电容器。可变电容器主要用于调谐电路，微调式可变电容器主要用于对电路中电容量的调整或补偿。在选择电容时，应根据其在电路中的作用和要求选取。电容也属于标准元件，由实际电路计算出的值，可能不符合标准系列值，应进行必要的修正，使其符合标准系列值。

1.4.2  电感元件

由导线制成的绕组称为电感器。理想电感忽略了绕线电阻的损耗。当给电感绕组通以电流时，绕组周围将建立磁场，在绕组内部和外部形成磁通。若磁通F由在绕组内部与绕组N匝相交链时，那么磁链为

Y=NF                                                     （1.4.4）

磁场能够储存能量，当电流i增大时，磁链也增多，这时储存的磁场能量将增加。相反，电流减小磁链减少，储存的磁场能量也将减少。因此，电感是一种储能元件。显然，磁链是电流的函数。如果在任一时刻，施加的电流i与其磁链之间的关系成正比，即

Y=Li                                                              （1.4.5）

当通过电感的电流发生变化时，磁链也相应地发生变化。根据电磁感应定律，电感两端将感应电压。可以得出电感电压和电流的伏安关系

                                              （1.4.6）

电感元件是一种能够储存磁场能量的元件，它所储存的能量为

                                                      （1.4.7）

电感L在某一时刻t的储能只与该时刻的电流数值有关。由于W_L＞0，因此电感是无源元件。

实际的电感器都有不可忽视的能量损耗，这是由于绕组电阻引起的。因此实际的电感器可以用一个理想的电感元件和电阻的串联表示。此外，由于电感线因匝与匝之间都有绝缘介质，必然存在电容效应，尤其在工作频率提高后，这种所谓的分布电容效应会明显地表现出来。因此，一个实际的电感器可看成是由理想电感串联电阻后再并上一个电容组成。电感器的这些物理现象，在使用中应引起特别的注意。

为防止外界电磁场对电感的影响以及电感本身电磁场的泄露，可以将电感绕组置于密闭的圆形或正方形金属盒内，这种电感器称为屏蔽式电感器。