电容性时间常数.ppt

電路學 第三章 儲能元件 基本電路元件 電阻器，電容器及電感器 。 電阻器消耗能量或將電能轉換成為其他的能量形態；例如熱或光。 在理想狀況之下電容器及電感器並不消耗能量，只儲存能量，並在一適當的瞬間裡將能量送回到電路。 電容器儲存電能。 電感器儲存磁能。 電容器 由兩片厚度甚薄且導電性相當高的電極板夾著一片電阻甚高的絕緣介電質所構成 電容器 任何一電容器所帶的電容量可以表示為： C=?o?rA/d[F] (3-1) ?o＝真空的介電常數為一基本物理量，其值為8.8×10-12F/m。 ?r＝介電質相對於真空的相對介電常數，為一無因次單位， 工業界常以K來表示。 A＝電極板的面積。 d＝兩電極板之間的距離，亦即介電材料的厚度。 電容量的基本單位為法拉(farad，F) ，由(3-1)式可知電容器的電容量隨著所用的介電質，介電質的厚度以及存在於介電質表面的電極板之面積來變。 表3-1 介電常數 電容器 除了電容量以外，在使用電容器時另一個必須知道的參數就是它所能耐的電壓，當使用超過其所能耐的電壓時，電容器將會被破壞。 電容器在電路裡的主要工作是儲存電能，亦即是指儲存電荷。當一個大小為V的電壓加入於電容量為C的電容器兩個電極板之間時，它可以使數量為Q的電荷量儲存於電容器裡： Q[C]＝C[F]×V[V] (3-2) 充電放電 加入電壓使電荷儲存於電容器的工作稱為充電，當電路的連接方式有所改變時，儲存於電容器裡的電荷量可能被移走而在電路裡作其他的應用，使電荷量移離電容器的工作稱為放電。 對一理想而沒有損失的電容器而言，在充電過程裡儲存了多少電荷量則在放電過程裡會放出相同數量的電荷量。 充電放電 理想電容器是指所用的介電質為完美的絕緣材料，其電阻值為無限大。 但實際上介電質的電阻不可能為無限大而是一有限值(其值相當大)。當此一有限值存在時，視同為在電容器兩電極板之間存在有一電阻器。 電壓加入後，將因此一電阻器的存在而產生了一個甚小的電流在其間流動，此一小電流稱為漏電流。 漏電流的流動會使兩電極板之間產生放電現象。因此對一實際電容器而言，所充的電荷量有一部份將因漏電流的存在而損失掉，因此其放電量通常會較充電量為小。 充電放電 圖3-2 電容器之漏洩 充電放電 電容器沒有充電時，每一電極板上具有相同數目的正電荷以及負電荷，若將一伏特計跨於兩電極板之間則其讀數為零[圖3-3(a)]。 圖3-3(b)所示為加入電源來進行充電的情形，此時帶負電性的電子會離開電容器右邊的電極板而往電源的正極來流動。同時電子會離開電源的負極而流動到電容器左邊的電極板。當一個電子離開電容器右邊的電極板，而到達電源的正極時，另一個電子必須離開電源的負極往電容器左邊的電極板來流動，通過介電質而補充到右邊的電極板，亦即產生電流，但因介電質為絕緣體所以此一電流並不存在。因電子無法通過介電質，所以它將累積在左邊的電極板，相似的在右邊的電極板因為帶負電的電子被移走，所以在充電結束時，右邊的電極板將累積了大量的正電荷。 充電結束後存在於右邊電極板的正電荷數量將等於存在於左邊電極板的負電荷數量。因為這些電荷量存在，所以在充電完畢後將有一個大小等於外加電源的電壓跨於電容器的兩端，如圖3-3(c)所示。也就是指充電完畢後電容器可視同為一電源，在沒有漏電流的理想狀況下，此一電源的大小與使到電容器能產生充電工作的電源之大小相等，但極性相反。 充電放電 圖3-3 電容器充電過程(a)尚未充電，(b)正在充電，(c)充電完畢 充電放電 一個充電完畢的電容器在沒有漏電流存在的理想情況之下，其電荷會一直存在於兩電極板之上，也就是指會有一電壓跨於兩電極板之間，欲使此一電壓降為零則必須要經過放電處理。所謂放電處理就是在兩電極板之間連接另外一條沒有電源存在的通路，使存在於右邊電極板的正電荷能經由此一通路來與存在於左邊電極板的負電荷產生中和，隨著中和量的增加，存在於兩電極板上的電荷量亦即跨於兩電極板之間的電壓會減少，當電荷量或電壓降為零時，即表示放電工作完成。 充電放電 圖3-4所示為電容器放電工作的處理方式，圖3-4(a)的電路與圖3-3的電路相似，但其中多了一個包含有開關2的通路，此一通路並不存在有電源。當開關1閉合而開關2為打開時，電路如圖3-3(b)的電路是處於充電的狀態。當充電完畢後，將開關1打開，但使開關2閉合。當開關2閉合時將提供了一條能使左邊電極板的電子與右邊電極板正電荷產生中和的通路，也就是提供了一條能使左邊電極板的電子流向右邊電極板的通路，如圖3-4(b)所示。當中和完畢時，跨於兩電極板之間的電壓將降為零，如圖3-4(c)所示，就是指電容器放電完畢。 充電放電