高压电容器的放电线圈设计要求放电线圈适用于35kV及以下电力系统中, 与高压并联电容器组并联连接，使电容器从电力系统中切除后的剩余电荷迅速泄放，电容器的剩余电压在规定时间内达到要求值，带有二次线圈，可供线路监控。
放电线圈是电容柜常用的放电元件，有时放电线圈会用放电PT代替，电容器放电采用放电线圈还是电压互感器主要看电容器的容量，一般小容量电容放电用电压互感器即可，大容量电容肯定要用放电线圈。
根据《GB 50053-2013 20kV及以下变电所设计规范》
5.1.7电容器组应装设放电器件，放电线圈的放电容量不应小于与其并联的电容器组容量。电容器组两端的电压从倍额定电压降至 50V 所需的时间，高压电容器不应大于 5s ，低压电容器不应大于 3min 。
在运行时放电线圈作为一个电压互感器使用，其二次绕组常接成开口三角，从而对电容器组的内部故障提供保护（不能用母线上的PT）。电容器组的开口三角形保护、不平衡电压保护，零序不平衡保护实际就是这种保护。而此种保护大量地用在10KV的单Y接线的电容器组中。
高一电工 DG-16-01-003 《电容器的充放电与电场能量》导学案 编写人：张军审核人：编写时间： 班级：组别：姓名：等级： 【教学目标】 1．理解电容器的储能特性及其在电路中能量的转换规律。 2．掌握电容器中电场能量的计算。 【教学重点】 1．电容器充、放电过程中，电路中的电流和电容器两端电压的变化规律。 2．电容器质量的判别和电容器中电场能量的计算。 【教学难点】 电容器质量的判别和电容器中电场能量计算式的推导。 【学法指导】 1、认真阅读书本60面充放电实验，了解充放电过程。 2、通过电容器质量判别实验掌握万用表测量电阻的一般步骤，自主学会判 别电容器好坏。 【知识链接】 复习电容的串联与并联电路特点。 【学习过程】 一、电容器的充电 开关S合向1，电容器充电。 1．现象： （1）白炽灯开始较，逐步变。 （2）○A1的读数由变。 （3）○V的读数变。 （4）最后○A1指向，○V的大小等于。 2.解释 2．解释： 电源正极向极板供给电荷，负极向极板供给电荷。电荷在电路中形成定向移动形成，两极板间有电压。 S刚合上时，电源与电容器之间存在较大的电压，使大量电荷从电源移向电容器极板，产生较大电流，随着电荷的增加，电压，电流。当电容器两端电压等于电源电压时，电荷定向移动，电流为，灯不亮。
二、电容器的放电 S 合向2，电容放电。 1．现象： （1）开始灯较 ，逐渐变 ，直至熄灭。 （2）○A2开始较 ，逐渐变 ，电流方向与刚才充电方向 ，直至指示为 。 （3）开始○V 指示为 ，逐渐 ，直至为0。 2．解释： 放电过程中，由于电容器两极板间的电压使回路中有 产生。开始这个电压较大，因此电流较大，随着电容极板上的正、负电荷的 ，极板间的电压逐渐 ，电流也 ，最后放电结束，极板间不存在电压，电流为 。 3．结论： 当电容器极板上所储存的 发生变化时，电路中就有 流过；若电容器极板上所储存的电荷量恒定 时，则电路中就没有电流流过。电路中的电流为 i t q ??C t u C ?? 三、电容器的质量判别 1．用R 或R 挡。 2．将万用表分别与电容器两端接触，指针发生偏转并回到接近起始的地方，说明电容器的质量 。 3．若指针偏转后回不到起始位置的地方，而停在标度盘的某处说明电容器的漏电很大，这时指针所指出的电阻数值即表示该电容器的漏电阻值。 4．若指针偏转到零位置之后不再回去，则说明电容器内部已经 ；如果指针根本不偏转，则说明电容器内部可能 ，或电容量很小。 四、 电容器中的电场能量 1．充电时，q ↑→U c ↑电压与电荷量成 ：q C u C 2．电源输入电荷量为q 时所做的总功，也就是存储于电容器中的总 。 Wc 21q U C 2 1C U C 2 式中：C ——电容器的电容 单位：F （法拉） U C ——电容器两端的电压 单位：V （伏特） Q ——电容器所带的电荷量 单位：C （库仑）
实验报告 专业：实验日期： 2016.5.16 班级：授课教师: 学号：指导教师： 姓名：成绩评定： 实验2 电容与电感的充放电实验 一、实验目的 1．熟悉电感与电容的充放电过程，掌握充放电过程中电流、电压的计算公式； 2．明确时间常数τ对电感与电容充放电时间的影响； 3．掌握信号发生器与示波器的使用方法； 4．学习分析充放电过程中电压、电流波形的变化规律，比较当τ改变时对波形的影响。 二、实验电路 将一个0.22μF 的电容器、一个4.7kΩ的电阻与函数发生器按图1（a）实验电 路联接。设定函数发生器，使其输出6V/100Hz，占空比为50%的方波。输出6V时模 拟电容器充电; 输出OV时，模拟电容器放电。联接示波器，接通函数发生器的电源 开关，用A通道观察方波，用B通道观察电容器上的电压。 U=6V f=100Hz 方波 A 示波器 Y1 Y2 图1（a） 将一个100mH的电感与一个1 kΩ的电阻串联，然后联接到电压为6V 、频率为1 kHz 的方波上，如图1（b）所示。用示波器观察电感上电压的变化规律。
. U=6V f=1KHz 方波 A B C 示波器 Y1 Y2 图1（b） 三、实验设备 1．Multisim电路仿真软件（机房上机运行）； 2．函数发生器、电阻、电容、电感； 3．示波器。 四、电路联接 通过实验1的学习在掌握Multisim电路仿真软件放置电源、电阻、开关等原件，以及连线的基础上，学习函数发生器、示波器的使用方法。 1.函数发生器 函数发生器位于仿真菜单下的仪器选项中，可以产生不同频率、占空比、振幅、以及偏置的正弦波、三角波、方波。 2.示波器 示波器的位置与函数发生器相同。利用示波器能观察各种 不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种 不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 五、仿真测试 1.电容的充放电实验 按照图1（a）在Multisim电路仿真软件中连接电路，并进行仿真。 将上述电路中的4.7kΩ固定电阻换成10kΩ的电阻，观察充放电曲线的变化。 实验结论： 将电阻值固定为4.7kΩ，将电容器换成10μF，观察充放电曲线的变化。
标 签：电容充放电公式 电容充电放电时间计算公式设，V0 为电容上的初始电压值； V1 为电容最终可充到或放到的电压值； Vt 为t时刻电容上的电压值。 则， Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)] 或， t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)] 例如，电压为E的电池通过R向初值为0的电容C充电 V0=0，V1=E，故充到t时刻电容上的电压为： Vt="E"*[1-exp(-t/RC)] 再如，初始电压为E的电容C通过R放电 V0=E，V1=0，故放到t时刻电容上的电压为： Vt="E"*exp(-t/RC) 又如，初值为1/3Vcc的电容C通过R充电，充电终值为Vcc，问充到2/3Vcc需要的时间是多少？
V0=Vcc/3，V1=Vcc,Vt=2*Vcc/3，故 t="RC"*Ln[(1-1/3)/(1-2/3)]=RC*Ln2 =0.693RC 注：以上exp()表示以e为底的指数函数；Ln()是e为底的对数函 解读电感和电容在交流电路中的作用 山东司友毓 一、电感 1．电感对交变电流的阻碍作用 交变电流通过电感线圈时，由于电流时刻都在变化，因此在线圈中就会产生自感电动势，而自感电动势总是阻碍原电流的变化，故电感线圈对交变电流会起阻碍作用，前面我们已经学习过，自感电动势的大小与线圈的自感系数及电流变化的快慢有关，自感系数越大，交变电流的频率越高，产生的自感电动势就越大，对交变电流的阻碍作用就越大，电感对交流的阻碍作用大小的物理量叫做感抗，用X L表示，且X L=2πfL。感抗的大小由线圈的自感系数L 和交变电流的频率f共同决定。 2．电感线圈在电路中的作用 （1）通直流、阻交流，这是对两种不同类型的电流而言的，因为恒定电流的电流不变化，不能引起自感现象，所以对恒定电流没有阻碍作用，交流电的电流时刻改变，必有自感电动势产生以阻碍电流的变化，所以对交流有阻碍作用。 （2）通低频、阻高频，这是对不同频率的交变电流而言的，因为交变电流的频率越高，电流变化越快，感抗也就越大，对电流的阻碍越大。 （3）扼流圈：利用电感阻碍交变电流的作用制成的电感线圈。 低频扼流圈：线圈绕在铁芯上，匝数多，自感系数大，电阻较小，具有“通直流、阻交流”的作用。 高频扼流圈：匝数少，自感系数小；具有“通低频、阻高频”的作用。 二、电容 1．电容器为何能“通交流” 把交流电源接到电容器两个极板上后，当电源电压升高时，电源给电容器充电，电荷向电容器极板上聚集，在电路中形成充电电流；当电源电压降低时，电容器放电，原来极板上聚集的电荷又放出，在电路中形成放电电流，电容器交替进行充电和放电，电路中就有了电流，好像是交流“通过”了电容器，但实际上自由电荷并没有通过电容器两极板间的绝缘介质。 2. 电容器对交变电流的阻碍作用是怎样形成的 我们知道，恒定电流不能通过电容器，原因是电容器的两个极板被绝缘介质隔开了。当接到交流电源上时，电源使导线中自由电荷向某一方向定向移动，对电容器进行“充放电”，电容器两极板在此过程中由于电荷积累（或减少）而产生电动势，因而反抗电荷的继续运动，就形成了电容对交变电流的阻碍作用。
电容的充放电过程及其应用 一、实验目的 1．观察RC 电路的矩形脉冲响应。 2．了解RC 微分电路、积分电路及耦合电路的作用及特点。 3．学习双踪示波器的使用方法。 二、实验原理 1． RC 串联电路的充放电过程 在由电阻R 及电容C 组成的直流串联电路中，暂态过程即是电容器的充放电过程（图1），当开关K 打向位置1时，电源对电容器C 充电，直到其两端电压等于电源E 。这个暂态变化的具体数学描述为q ＝CUc ，而I = dq / dt ，故 dt dUc C dt dq i == （1） E iR Uc =+ （2） 将式(1)代人式(2)，得 E RC Uc RC dt dUc 11=+ 考虑到初始条件t=0时，u C =0，得到方程的解： []()() ?? ?? ?? ?-=-=-==RC t E U E U RC t R E i RC t E U C R /exp /exp ）/-（exp -1C 上式表示电容器两端的充电电压是按指数增长的一条曲线，稳态时电容两端的电压等于电 源电压E ，如图2(a) 所示。式中RC=具有时间量纲，称为电路的时间常数，是表征暂态过程进 行得快慢的一个重要的物理量，由电压u 上升到，1/e ≈，所对应的时间即为。 当把开关k 1打向位置2时，电容C 通过电阻R 放电，放电过程的数学描述为 图2 RC 电路的充放电曲线 （a ）电容器充电过程 （b ）电容器放电过程 U R Uc K 1 2 V E R C 图1 RC 串联电路
将dt dUc C i =，代人上式得01 =+Uc RC dt dUc 由初始条件t ＝0时，Uc ＝E ，解方程得 ? ??? ?--=--=-=) /exp()/exp() /exp(RC t E U RC t R E i RC t E Uc R 表示电容器两端的放电电压按指数律衰减到零，也可由此曲线衰减到所对应的时间 来确定。充放电曲线如图2所示。 2. 半衰期T 1/2 与时间常数τ有关的另一个在实验中较容易测定的特征值，称为半衰期T 1/2，即当U C （t ）下降到初值（或上升至终值）一半时所需要的时间，它同样反映了暂态过程的快慢程度，与t 的关系为：T 1/2 =τln2 = τ（或τ= 2） 3. RC 电路的矩形脉冲响应。 若将矩形脉冲序列信号加在电压初值为零的RC 串联电路上，电路的瞬变过程就周期性地发生了。显然，RC 电路的脉冲响应就是连续的电容充放电过程。如图3所示。 图3 RC 电路及各元件上电压的变化规律 若矩形脉冲的幅度为U ，脉宽为t p 。电容上的电压可表示为： ?? ??? ≤≤?≤≤-=- -211 0)1()(t t t e U t t e U t u t t c τ τ ) (t u i )(t u R ) (t C R C ) (t u i (t u R (t u C u u u -t t t 1t 2 t 2t p t 1t 1 t 3 t 2t 3 t 3 t
用示波器观测电容的充放电特性 ● 实验目的 1．观察电容器的充与放电现象 2．通过放电的电压曲线，研究放电时间与哪些因素有关,测定电容器的电容量; 3．进一步熟悉示波器的使用. ● 仪器和用具 双踪示波器一台, 函数发生器一台,标准电阻箱一个,电容器一个 ● 实验原理
电容器能储存电量，如图8-1所示，将电键S与a 接通，电容器充电；将电键S与b相连接，电容器放电。可以用示波器CH1通道并联在电容器两端观察电容器充放电时电压与时间的变化曲线，实际测量中使用信号发生器输出标准方波来代替电键。根据串联电阻电容充电公式： 电容放电公式： 当电容充电（或放电）时间t=τ（τ=RC）时电容
器两端的电压等于电源E的63.2%（或36.8%），可见电容器两端电压跟串联电阻R的大小和电容C的大小有关。当电容器两端电压： τ=RC C=τ/R C=T/2R0.693 如果已知标准电阻R, 只要测得半衰期时间T/2就可以求得待测电容C的值. ● 实验步骤 1，按图连接线路， 2，调节信号发生器输出方波， 参考幅度：2Vpp---4Vpp。
参考频率：50HZ---200HZ 参考电阻: 10000Ω 参考电容: 0.100UF 3，用示波器CH1通道观测电容器的充放电特性；也可以用CH2通道观测信号发生器的输出波形，用 以作为对比； 4，改变R，C，和信号发生器的方波周期，观测充放电特性曲线； 5，调节最佳半衰期图形,用示波器标尺读出T1/2值, 设计表格记下各项参数; 6, 用坐标纸画出一个完整的充放电波形图. ● 实验数据处理
1,计算测量电容值 因为电容充放电为: τ=RC C=τ/R C=T1/2R0.693 2,计算相对误差: E=ΔC/C参考X100% ● 实验结论与误差分析1, 2, 3,
观察电容器的充、放电现象 基础打磨 1.(2019年江西10月联考)如图所示,关于平行板电容器的充、放电,下列说法正确的是()。 A.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带正电 B.开关接1时,平行板电容器充电,且上极板带负电 C.开关接2时,平行板电容器放电,且上极板带正电 D.开关接2时,平行板电容器放电,且上极板带负电 2.(2019年海南11月月考)下列电容器相关知识描述正确的是()。 A.图1为电容器充电示意图,充完电后电容器上极板带正电,两极板间的电压U等于电源的电动势E B.图2为电容器放电示意图,若电容器上极板带电荷量为+Q,则放电过程中通过电流表的电流方向从右向左,流过的总电荷量为2Q C.图3为电解电容器的实物图和符号,图4为可变电容器及其符号,两种电容使用时都严格区分正负极 D.图5中的电容器上有“5.5 V1.0 F”字样,说明该电容器只有两端加上5.5 V的电压时电容才为1.0 F 3.(2019年安徽模拟)(多选)电流传感器可以像电流表一样测量电流,可以捕捉到瞬间的电流变化,相当于一个理想电流表。用如图1所示的电路来研究电容器的放电过程。实验时将开关S拨到1端,用直流电压为8 V的电源给电容器充电,待电路稳定后,将电流传感器打开,再将开关S拨到2端,电容器通过电阻R放电。以S拨到2端时为t=0时刻,电流传感器测得的电流I随时间t的变化图象如图2所示,根据题意,下列说法正确的是()。 A.由I-t图象可知,电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为3.2×10-3 C
B.由I-t图象可知,电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为3.2 C C.此电容器的电容约为4.0×10-4 F D.此电容器的电容约为0.4 F 能力提高 4.(2019年河北10月联考)用下列器材测量电容器的电容:一块多用电表,一台直流稳压电源,一个待测电容器(额定电压16 V),定值电阻R1=100 Ω,定值电阻R2=150 Ω,电流传感器、数据采集器和计算机,单刀双掷开关S,导线若干。实验过程如下: 实验次数实验步骤 第1次①将电阻R1等器材按照图1正确连接电路,将开关S与1端连接,电源向电容器充电 ②将开关S掷向2端,测得电流随时间变化的i-t曲线如图2中的实线a所示 第2次③用电阻R2替换R1,重复上述实验步骤①②,测得电流随时间变化的i-t曲线如图3中的某条虚线所示 说明:两次实验中电源输出的直流电压恒定且相同 请完成下列问题: (1)第1次实验中,电阻R1两端的最大电压U= V。利用计算机软件测得i-t曲线和两坐标轴所围的面积为90 mA·s,已知电容器放电时其内阻可以忽略不计,则电容器的电容C= F(结果均保留2位有效数字)。 (2)第2次实验中,电流随时间变化的i-t曲线应该是图3中的虚线(选填“b”“c”或“d”),判断依据 是。 思维拓展 5.(原创)如图是用高电阻放电法测电容的实验电路图。其原理是测出电容器在充电电压为U时所带的电荷量Q,从而求出其电容C。该实验的操作步骤如下: ①按电路图接好实验电路; ②接通开关S,调节电阻箱R的阻值,使微安表的指针接近满刻度。记下这时的电压表读数U0=6.2 V和微安表读数I0=490 μA; ③断开开关S并同时开始计时,每隔5 s或10 s读一次微安表的读数i,将读数记录在预先设计的表格中; ④根据表格中的12组数据,以t为横坐标,i为纵坐标,在坐标纸上描点(图中用“×”表示)。
第6讲实验:观察电容器的充、放电现象 A组基础巩固 1.把一个电容器、电流传感器、电阻、电源、单刀双掷开关按图甲所示连接。先使开关S 与1端相连,电源向电容器充电;然后把开关S掷向2端,电容器放电。与电流传感器相连接的计算机所记录这一过程中电流随时间变化的I-t曲线如图乙所示。下列关于这一过程的分析,正确的是( ) A.在形成电流曲线1的过程中,电容器两极板间电压逐渐减小 B.在形成电流曲线2的过程中,电容器的电容逐渐减小 C.曲线1与横轴所围面积等于曲线2与横轴所围面积 D.S接1端,只要时间足够长,电容器两极板间的电压就能大于电源电动势E 答案 C 由于形成电流曲线1的过程是电容器的充电过程,形成电流曲线2的过程是电容器的放电过程,形成电流曲线1的过程中,电容器两极板间电压会随着充电电荷量的增加而逐渐增大,A错误;由于电容器的电容是不随电压、电流的变化而变化的,故B错误;曲线1与横轴所围面积是充电的电荷量,曲线2与横轴所围面积就是放电的电荷量,由于充电电荷量等于放电电荷量,故C正确;当S接1端时,无论时间多么长,电容器两极板间的电压都不可能大于电源电动势E,故D错误。 2.利用如图乙所示的电路图原理描绘电容器放电时的I-t图像。
(1)将图甲所示器材连接成实验电路。 (2)若得到如图丙所示的电容器放电电流图像,则电容器充满电后储存的电荷量 q= 。 答案(1)连接电路如图。 (2)3.36×10-3 C 解析(1)按照题给的电路图连接线路。注意电流表极性和电解电容器极性。 (2)电容器放电电流图象与横轴所围面积中包含42个小方格,每个小方格面积为0.2 mA×0.4 s=0.08 mAs=8.0×10-5 C,电容器充满电后储存的电荷量q=42×8.0×10-5 C =3.36×10-3 C。 3.某同学利用图(a)所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用 的器材为:电池E(内阻很小)、开关S 1和S 2 、电容器C(约100 μF)、电阻R 1 (约200 kΩ)、 电阻R 2 (1 kΩ)、电压表(量程6 V)、秒表、导线若干。
实验报告 专业: 实验日期: 2016、5、16 班级: 授课教师: 学号: 指导教师: 姓名: 成绩评定: 实验2 电容与电感的充放电实验 一、实验目的 1.熟悉电感与电容的充放电过程,掌握充放电过程中电流、电压的计算公式; 2.明确时间常数τ对电感与电容充放电时间的影响; 3.掌握信号发生器与示波器的使用方法; 4.学习分析充放电过程中电压、电流波形的变化规律,比较当τ改变时对波形的影 响。 二、实验电路 将一个0、22μF 的电容器、一个4、7kΩ的电阻与函数发生器按图1(a)实验电 路联接。设定函数发生器,使其输出6V/100Hz,占空比为50%的方波。输出6V时模拟 电容器充电; 输出OV时,模拟电容器放电。联接示波器,接通函数发生器的电源开关, 用A通道观察方波,用B通道观察电容器上的电压。 U=6V f=100Hz 方波 A 示波器 Y1 Y2 图1(a) 将一个100mH的电感与一个1 kΩ的电阻串联,然后联接到电压为6V 、频率为1 kHz 的方波上,如图1(b)所示。用示波器观察电感上电压的变化规律。
、U=6V f=1KHz 方波 A B C 示波器 Y 1 Y2 图1(b) 三、实验设备 1.Multisim电路仿真软件(机房上机运行); 2.函数发生器、电阻、电容、电感; 3.示波器。 四、电路联接 通过实验1的学习在掌握Multisim电路仿真软件放置电源、电阻、开关等原件, 以及连线的基础上,学习函数发生器、示波器的使用方法。 1、函数发生器 函数发生器位于仿真菜单下的仪器选项中,可以产生不同频率、占空比、振幅、 以及偏置的正弦波、三角波、方波。 2、示波器 示波器的位置与函数发生器相同。利用示波器能观察各种 不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种 不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 五、仿真测试 1、电容的充放电实验 按照图1(a)在Multisim电路仿真软件中连接电路,并进行仿真。 将上述电路中的4、7kΩ固定电阻换成10kΩ的电阻,观察充放电曲线的变化。 实验结论: 将电阻值固定为4、7kΩ, 将电容器换成10μF,观察充放电曲线的变化。
电容的充放电过程及其应用 一、实验目的 1．观察RC电路的矩形脉冲响应。 2．了解RC微分电路、积分电路及耦合电路的作用及特点。 3．学习双踪示波器的使用方法。 二、实验原理 1．RC串联电路的充放电过程 在由电阻R及电容C组成的直流串联电路中，暂态过程即是电容器的充放电过程（图1），当开关K打向位置1时，电源对电容器C充电，直到其两端电压等于电源E。这个暂态变化的具体数学描述为q＝CUc，而I = dq / dt ，故 dt dUc C dt dq i= =（1） E iR Uc= +（2） 将式(1)代人式(2)，得 E RC Uc RC dt dUc1 1 = + 考虑到初始条件t=0时，u C=0，得到方程的解： [] () () ? ? ? ?? ? ? - = - = - = = RC t E U E U RC t R E i RC t E U C R / exp / exp ） / - （ exp - 1 C 上式表示电容器两端的充电电压是按指数 增长的一条曲线，稳态时电容两端的电压等于电 源电压E，如图2(a) 所示。式中RC=τ具有时间 量纲，称为电路的时间常数，是表征暂态过程进 行得快慢的一个重要的物理量，由电压u c上升 到0.63E，1/e≈0.37，所对应的时间即为τ。 当把开关k1打向位置2时，电容C通过电阻R放电，放电过程的数学描述为 将 dt dUc C i=，代人上式得0 1 = +Uc RC dt dUc 由初始条件t＝0时，Uc＝E，解方程得 ? ? ? ? ? - - = - - = - = ) / exp( ) / exp( ) / exp( RC t E U RC t R E i RC t E Uc R 表示电容器两端的放电电压按指数律衰减到零，τ也可由此曲线衰减到0.37E所对应的 时间来确定。充放电曲线如图2所示。 2. 半衰期T1/2 图2 RC电路的充放电曲线 （a）电容器充电过程（b）电容器放电过程 U R Uc K 1 2 V E R C 图1 RC串联电路
实验报告 题目 C,MnO2的电化学电容特性实验姓名许树茂 学号 005 所在学院化学与环境学院 年级专业新能源材料与器件创新班 指导教师舒东老师 完成时间 2012 年 4 月
1.【实验目的】 1. 了解超级电容器的原理； 2. 了解超级电容器的比电容的测试原理及方法； 3. 了解超级电容器双电层储能机理的特点； 4. 掌握超级电容器电极材料的制备方法； 5. 掌握利用循环伏安法及恒流充放电的测定材料比电容的测试方法。 2. 【实验原理】 超级电容器的原理 超级电容器是由两个电极插入电解质中构成。超级电容与电解电容相比,具有非常高的功率密度和实质的能量密度。尽管超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,但是超级电容与电解电容或者电池的结构非常相似。 图1 超级电容器的结构图 从图中可看出,超级电容器与电解电容或者电池的结构非常相似,主要差别是用到的电极材料不一样。在超级电容器里,电极基于碳材料技术,可提供非常大的表面面积。表面面积大且电荷间隔很小,使超级电容器具有很高的能量密度。大多数超级电容器的容量用法拉(F)标定,通常在1F到5,000F之间。 (1) 双电层超级电容器的工作原理 双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。对一个电极/溶液体系,会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两
个电极上施加电场后,溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移,在电极表面形成双电层; 撤消电场后,电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定,在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言,会在一定距离内（分散层）产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷,使其保持电中性;当将两极与外电路连通时,电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流,溶液中的离子迁移到溶液中成电中性,这便是双电层电容的充放电原理。根据双电层理论,双电层的微分电容约为20μF/cm2,采用具有很大比表面积的碳材料可获得较大的容量。双电层电容具有响应速度快，放电倍率高的特点，但储能比电容较小。 (2) 法拉第鹰电容的工作原理 法拉第鹰电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电极活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容,其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。对于其双电层中的电荷存储与上述类似,对于化学吸脱附机理来说,一般过程为电解液中的离子一般为或在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极溶液界面,而后通过界面的电化学反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中若电极材料具有较大比表面积的氧化物,就会有相当多的这样的电化学反应发生,大量的电荷就被存储在电极中。放电时这些进入氧化物中的离子又会重新返回到电解液中,同时所存储的电荷通过外电路而释放出来,这就是法拉第准电容的充放电机理。法拉第鹰电容可以产生高的比电容，但因为法拉第反应的限制，倍率性能比双电层电容小。 目前使用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物材料和导电聚合物材料，其中碳材料以双电层机理储能，而后两种材料以法拉第赝电容机理储能。 3.【仪器与试剂】 . 仪器 , 620C,上海辰华仪器公司。 2.电热恒温鼓风干燥箱 3.饱和甘汞参比电极, Pt电极 4.烧杯、玻璃棒、容量瓶 药品 名称化学式分子量级别生产商 不定形二氧化锰MnO2分析纯——硫酸钠Na2SO4——分析纯——
R-C惰性电路是构成脉冲数字电路的基本组成部分之一，为此我们作详细的讨论。 一、电容充放电特性 1.电容器的特性 电容器是由中间隔有介质的两个金属板所构成。当电容器的极板上带有某一数量的电荷时，在电容器的两端就产生一定的电压UC，其值，由于电容器的电容量C是一个常数，所以当电量Q＝0时，则UC＝0；而Q愈大，也就是电荷量愈多，则UC就愈大。 电容和电阻是两个性质全然不同的电路元件。当电阻两端施加某一电压UR 时，它会将电能转变成热能而消耗掉；电容则不是这种情况，当于其两端施加电压UC时，则在两极板间就随之形成了电场，电场是具有能量的，这就是说电容能将电能转换为电场能而贮存起来。因此常将电阻称为耗能元件，而电容称为贮能元件。另外，只要有电流流过，电阻两端的电压就立即产生；而电容器两端电压的建立是需要时间的，因此又常称电阻为即时性元件；电容为惰性元件。 2.电容器的充放电过程 为了实地了解电容器的充放电过程和研究它的特点及规律，我们来作下面的实验，其实验电路如图2-1所示。 图2-1R-C实验电路 （1）充电过程 开关K原始位置为2，此时电容器C两端的电压。在t＝0时刻开关K 由位置2扳向位置1，电容器C开始充电，根据测得电压、电流随时间变化的数据，画出及－t的变化曲线如图2-2所示。
图2-2电容器充电特性曲线 （2）放电过程 开关K原始处于位置1，这时C已充满电荷，其电压值。在t＝0时刻K 由位置1扳至位置2，C开始放电，根据测得电压、电流随时间变化的数据可画出及的关系曲线如图2-3所示。 图2-3电容器放电特性曲线 （3）充放电的特点及规律 根据上面所得到的电容器的充放电时UC、IC的数据和曲线，可以归纳出几点很有实用价值的规律。 ①电容器的充放电是需要时间的。这是由于电容器的充放电过程，实质是电容器上电荷的积累和消散的过程，由于电荷量的变化是需要时间的，所以充放电也是需要时间的。 ②在充电的开始阶段，充电电流较大，上升较快，随着的增长，充电电流逐渐减小，且的上升速度变缓，而向着电源电压E趋近。从理论上来说，要使电容器完全充满，完成充电的全过程是需要无限长的时间的。但从图2-2中可以看到，在t＝15s时，＝9.5V，已达到E的95％；在t＝25s时，＝9.93V，实际上已经可以认为电容器基本上充满，充电过程已基本上结束。
电容器的充电和放电 江苏省丰县中学特级教师戴儒京 实验目的：用传感器观察电容器的充电和放电。 实验器材：计算机、数据采集器，电压传感器，电流传感器，电源（8V），电容器（470），电阻（1000，3．3k，500），开关（单刀双掷），导线等。 实验1 用传感器观察电容器的充电和放电 1．电路图： 2．电学模块实物连接图
3．实验步骤 如图连接实验装置； 进入“TriE信息系统”，对电压传感器和电流传感器校零； 新建实验，新建活页夹，设置左图为I-t图象，右图为U-t图象； 选择“采集时间”为1min，“采集间隔”为100ms； 将开关板到左边，然后把开关板到右边，观察电容的充电和放电过程中电流和电压的变化；点击“结束”。 4．图象 用传感器观察电容的充电和放电图象 左图：电流图象，充电时和放电时各产生脉冲电流，方向相反； 右图：电压图象，充电时电压升高，放电时电压降低。 难点是左图，要放大才能看到，最大电流只有0．007A．
实验2 电容器通过不同电阻放电： 1．电路图： 2．实验步骤 如图连接实验装置； 进入“TriE信息系统”，对电压传感器校零； 新建实验，用“公式编辑”新建物理量电流，编辑公式； 新建活页夹，设置图下象为I-t图象； 选择“采集时间”为10s，“采集间隔”为1．25ms，点击“开始”按钮； 将开关板到左边，充电后把开关板到右边，观察电容放电过程中电流的变化；等放电结束，点击“添加标记”按钮，输入使用的电阻值R=1000Ω； 在图线管理器中选择“重叠显示”； 使用阻值分别为3300Ω和500Ω的电阻重复实验； 分析并讨论实验结果，比较电容器通过不同电阻放电时间的长短。 3．图象
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2 六 教 学 过 程 教学 环节 教师活动 学生活动 设计意图 导入 新知讲解 上次课我们了解了电子元器件，那么这些元器件如何工作呢？本次课我们将用其中的几种元器件 分发元器件： 名称 规格与数量 名称 规格与数 量 电池盒 6V LED 2只 电解电容 470μ F 2个 电阻 470Ω 2 个 按钮开关 2个 电池 5号 4节 面包板 迷你 1个 导线 面包板专 用 电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。用字母C 来表示。长引脚为正极，短引脚为负极。 符号表示： 电容充放电显示器原理图： 这是一个能够显示电容充电和放电过程的简单电路，电路的左边部分S1、R1、LED 听讲、记录 观察手中的元器件 听讲记录 画电路原理图 分小组连接电路 进行试验操作 将做具体的实验，引起学生兴趣 讲授新知 有助于更好的理解分立元器件 练习绘图 理解电路原理图 实验过程中进一步熟悉使用
3 六 教 学 过 程 教学 环节 教师活动 学生活动 设计意图 小结 和电解电容C1、C2组成充电电路，充电电流由红色发光二极管LED1显示出来。电路图的右边部分？S2、R2、LED2和C1、C2组成放电电路，放电电流由绿色发光二极管LED2显示。 其工作原理为： 当S1闭合时，电源通过R1、LED1向电容C1、C2充电，这时发光二极管LED1点亮后逐渐熄灭，当达到最亮时电容充满，电阻R1具有限流作用。 当电容C1、C2充满电荷后，断开S1，此时，C1、C2脱离电源。 当S2闭合时电容放电，LED2点亮后逐渐熄灭，电容放电结束。 电路中采用了两只电解电容并联，目的是为了提高总电容容量，以延长演示的时间，以便更为直观地观察电容的充电、放电过程。 通过实验了解其工作原理 记录、总结 面包板 特性探究 总结、记录
姓名____________班级____________学号____________ 实验七电容式传感器的位移实验 一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。掌握测量方法。 二、基本原理： 1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。如图7—1所示：它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2 ｘ／ln(R／r)。图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生?X位移时，电容量的变化量为?C =C1－C2=ε2 2?X／ln(R／r)，式中ε2 、ln(R／r)为常数，说明?C与?X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。 图7—1 实验电容传感器结构 1、测量电路(电容变换器)：测量电路画在实验模板的面板上。其电路的核心部分是图16—2的二极管环路充放电电路。
图7—2 二极管环形充放电电路 在图7—2中，环形充放电电路由D3、D4、D5、D6二极管、C4电容、L1电感和C X1、C X2（实验差动电容位移传感器）组成。 当高频激励电压(ｆ>100kHz)输入到ａ点，由低电平E1跃到高电平E2时，电容C X1和C X2两端电压均由E1充到E2。充电电荷一路由ａ点经D3到b点，再对C X1充电到O点(地)；另一路由由ａ点经C4到c点，再经D5到d点对C X2充电到O点。此时，D4和D6由于反偏置而截止。在t1充电时间内，由ａ到c点的电荷量为： Q1＝C X2(E2-E1) （7—1） 当高频激励电压由高电平E2返回到低电平E1时，电容C X1和C X2均放电。C X1经b点、D4、c点、C4、ａ点、L1放电到O点；C X2经d点、D6、L1放电到O点。在t2放电时间内由c点到ａ点的电荷量为： Q2＝C X1(E2-E1) （7—2） 当然，（7—1）式和（7—2）式是在C4电容值远远大于传感器的C X1和C X2电容值的前提下得到的结果。电容C4的充放电回路由图7—2中实线、虚线箭头所示。 在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2），由c点到ａ点的电荷量为： Ｑ＝Q2-Q1＝(C X1-C X2)(E2-E1)＝△C X△E （7—3）式中：C X1与C X2的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式）。 设激励电压频率f＝1/T，则流过ac支路输出的平均电流i为： i＝fＱ＝f△C X△E （7—4） 式中：△E—激励电压幅值；△C X—传感器的电容变化量。
实验：观察电容器的充、放电现象习题选编 1、某实验小组做“观察电容器充、放电现象”的实验。 （1）同学甲用图所示的电路做实验。实验器材有电源、电阻、电容器、电流表、电压表以及单刀双掷开关。关于电源和电流表的选取，下列说法正确的是__________。 A．交流电源、零刻度线在左侧的电流表 B．交流电源、零刻度线在中间的电流表 C．直流电源、零刻度线在左侧的电流表 D．直流电源、零刻度线在中间的电流表 （2）同学乙将同学甲电路中的电流表和电压表换成电流传感器和电压传感器。 同学乙先使开关S与1端相连，稳定后得到图甲和图乙所示的图像，然后把开关S掷向2端，稳定后得到图丙和图丁所示的图像。根据图像，在表格内各空格处填上合理的答案。 开关位置电容器是在充电还是在放电 电流传感器中的电流正在增 大还是减小 电容器两端的电压正在增大 还是减小 S与1 端相连________ ________ ________ S与2端相连________ ________ ________ （3）同学丙多次测量，获取某电容器实验数据，绘制出的图形如下所示，其中正确的是（__________）
【答案】D 充电减小增大放电减小减小BCD 2、在“用传感器观察电容器的充电和放电”实验中，电路图如图．一位同学使用的电源电动势为10.0V，测得放电的I-t图像如图所示． （1）若按“四舍五入（大于半格算一个，小于半格舍去）”法，根据“I-t 图线与两坐标轴包围面积”，电容器在全部放电过程中释放的电荷量约为_________ C．（结果保留两位有效数字）（2）根据以上数据估算电容器的电容值为_________ F．（结果保留两位有效数字） （3）如果将电阻R换一个阻值更大的电阻，则放电过程释放的电荷量___________（选填“变多”、“不变”或“变少”）． 【答案】0.016-0.018 0.0016-0.0018 不变 3、电流传感器可以像电流表一样测量电流。不同的是它的反应非常快，可以捕捉到瞬间的电流变化。此外，由于它与计算机相连，还能显示出电流随时间变化的I-t图像。如图甲所示连接电路。直流电源电动势8V，内阻可忽略，电容器可选几十微法的电解电容器。先使开关S与1端相连，电源向电容器充电，这个过程可在短时间内完成。然后把开关S掷向2端，电容器通过电阻R放电，传感器将电流信息传入计算机，屏幕上显示出电流随时间变化的I-t图像，一位同学得到的I-t图像如图乙所示。