电容元件是实际电容器的理想化模型。
电容元件是一种记忆元件, 是一种储能(储存电场能量)元件,是一种无源元件。
1. 如果设电容器极板上充有电荷q, 端电压为u, 则其比值就称为 电容器的电容,用字母 C表示, 即
C = q / u
在国际单位制中, 电容的单位为法拉, 简称法 (F), 电荷q的单位为 库仑。
实际工程应用中,还常采用微法 uF, 皮法 pF,
1uF = 10的-6次方 F
1pF = 10的 -12次方 F
电容元件只有当极板上的电荷量 q 发生变化时, 与电容元件 相连接的导线中才有电荷运动从而形成电流,即
i = dq / dt
又因 q = Cu, 故在u、 i为关联参考方向的前提下,有
i = C * du / dt
上式表明了电容元件中电流与其两端电压之间的直观的约束关系,它表明只有当电容元件两端的电压发生变化时,电容元件中才有电流通过,电压变化得越快,电流也就越大。
2. 电容元件具有隔断直流电流的作用。电容元件是一种 记忆元件。
从0到t 时间内,电容元件吸收的电能为
如果设 t=0时刻电容元件 原有电压u(0)为零,则上式可写为
这里C为电容值, u为电压;
此式说明,电容元件储存的电场能量与其端电压有关。 当电压增高时,储存的电场能量增加,电容元件从电源吸收能量, 相当于被充电;当电压降低时,储存的电场能量减少,电容元件释放能量,相当于放电。由此可见,电容元件只有储存电场能量的性质而不消耗能量,它也是一种储能元件; 电容元件又是种无源元件。
3. 例子1 : 充电到12V的某电容元件, 其电荷为 600pC (皮库仑,即10的-12次库仑), 求电容C及储能。
解:
C = q/u = ( 600 X10的-12次方 ) / 12 = 5 x 10的-11次方 F
W = 1/2 * C * u的平方 = 1/2 x 5 x 10的 -11方 x 144 = 3.6 x 10的-9次 J
例子2 : 在下图a 所示电路中, 已知C = 1000mF, 电容端电压u(t)如图b所示,求 i(t).
解: 当 0< t < 1 时
u(t) = 10t, i(t) = C* du / dt = 0.001 * 10 = 0.01 A
当 t > 1s 时
u(t) = 0, i(t) = C * du / dt = 0A