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如何理解電容?

作者:由 invalid s 發表于 遊戲時間:2019-11-13

你先搞明白電容“充放電”的原理,剩下就全都是自然而然的了。

理工科知識都這樣,基礎不牢,後面說什麼都是對牛彈琴。

電容充放電原理又是什麼呢?

很簡單,絲綢摩擦玻璃棒,玻璃棒帶電了,對嗎?

為什麼玻璃棒會帶電?因為它上面的電子轉移到絲綢上面去了,於是微觀上,帶負電的電子少了一大片,出現了“虧空”,所以它就帶了正電荷。這就叫“靜電”。

進一步的,我們把帶電的玻璃棒和驗電器接觸,驗電器的鋁箔是不是張開了?

為什麼會張開呢?

因為驗電器上面的一部分電子轉移給了玻璃棒,中和了它所攜帶的“正電荷”——同時也使得驗電器本身帶了正電。

你看,說來說去都是電子的遷移,對吧。

當然,這些說的是靜電。

我們知道,靜電可以透過導電物“放電”。秋冬季正是靜電的高發季節,如果天氣乾燥,你大概已經吃過不少次靜電的“苦頭”了吧?

透過導線連線玻璃棒和驗電器,電子就會沿著導線完成轉移——和你直接用玻璃棒接觸驗電器的效果毫無差別。

這個過程中,導線中就產生了“電流”。只是這個電流持續時間極短,啪一下閃個電火花,沒了。

為什麼沒了呢?因為玻璃棒和驗電器之間已經沒有“電位差”了。

你一半,我一半,現在大家都帶正電,電勢相當,自然就不可能繼續存在什麼電流了。

那麼,如果可以想出一個辦法,使得電位差一直存在……電流是不是就可以一直存在了呢?

沒錯。

比如,透過原電池反應,我們就可以在原電池的正負極之間一直保持一個電位差;那麼當用導線連線它們時,我們就得到了“穩恆電流”。

類似的,如果我們把兩片鋁箔放的很近、然後用金屬線把它們分別和原電池正負極連線時,會發生什麼?

顯然,接正極的鋁箔帶了正電,接負極的鋁箔帶了負電。

你可以找一個6。3伏1000uF的鋁電解電容器,和乾電池正負極相連(注意接對正負級)——現在,取下電容器,用鑷子短接它的兩個引腳,是不是會啪的一聲同時閃爍個電火花?

這就是電容器的充放電。

你可能注意到,我前面提到的電容器是“鋁電解電容”,而且這種電容居然還分正負極!

——啊,我本來就夠暈了!你就別再拉扯奇奇怪怪的東西進來了!

我猜題主一定會這樣哀嚎。

但理工科有一點很“詭異”:一旦掌握了根本,你拉扯進來的東西越多,它反而越能幫你深入理解相關知識。

——學習理工科的樂趣,恰恰正在於此。

讓我們從頭再走一遍吧。

還是兩片鋁箔,我們分別用帶正電的玻璃棒和帶負電的橡膠棒接觸它們,使它們分別帶上正負電荷。

很好。

你會注意到,這兩片鋁箔彼此相吸。你知道這是靜電吸力的作用——歸根結底是電場的作用……

現在,我們把兩片鋁箔慢慢分開……

這個過程中,我們需要抵抗靜電力做功;拿的越遠,我們做的功就越多……同時兩片鋁箔間的電勢差也在增長。

但是,整個過程中,兩片鋁箔上帶的電荷數量並沒有變化。

這說明什麼呢?

說明當兩片鋁箔隔的比較遠時,給它們充上同樣多的電荷,需要提供的電功就會更高——不然就要違反能量守恆定律了。

類似的,當兩片鋁箔隔的比較近時,由於不同電荷之間的互相吸引,給它們充上同樣多的電荷就更“容易”——這是從電場原理出發的“補刀”。

一個物理現象往往可以從多個不同方向解釋,不一定非要死磕能量守恆(而這種從多個不同方向解釋、最終結論卻完全一致的現象,就是“自洽”。一切可靠的理論,其內部一定是自洽的)。

我們把“充入電荷的容易程度”叫做“電容量”。

從我前面的論述,在搭配一點點電場/電勢能/做功方面的知識,很容易推出:電容量和極板面積成正比,和極板距離成反比——介電常數太高階,咱暫時就不管了。

嗯,你看,掌握了根本,連電容公式咱都用不著求人,自己都能猜個八九不離十,對吧。

顯然,要把電容做大,一個是極板的面積要大(所以需要用大片鋁箔捲起來),另一個是極板之間的距離要低。

電解電容器就是利用鋁極板表面不導電的氧化鋁層作為間隔,和電解液充當的另一個電極構成了一個電容器。這個氧化層極薄,因此電解電容器才能用很小的體積做到很大的電容量。

缺點就是,它只能接受一個方向的充電。一旦接反,氧化鋁層就會被侵蝕、破壞,電容器就壞掉了——這裡又和電化學知識串起來了。

物理/化學就這點好玩。你思考的越多,就越會發現,似乎一切一切知識,最終都能歸結到很少幾條簡單的道理上。

最終,你似乎並沒有學到任何新知識,只是對牛頓三定律能量守恆等等等等理解的越來越深刻了;而這種深刻反過來能幫你觸類旁通,甚至獨立發明/發現出新的東西——就好像電容量公式一樣。

學的越多,懂的越少;但卻越發能應付更多、更復雜的場景

。一旦你有了這個感覺、然後在新知識中驗證透過,你就知道,你大概是把知識學到手了。

嗯,現在,電容器那神秘的面紗是不是已經不存在了?

一旦理解到這個程度,題主的問題就完全不算是問題了。

電容器充放電的原理明白了,那麼“電容器兩端電壓不能突變”自然也一下子就能推出來了:電容兩端的電壓由電容器極板上的電荷量以及極板間的距離決定;電荷需要一點一點的充放、距離也不存在“瞬移”,電容兩端的電壓自然就不能突變了。

類似的,為什麼電容器不允許直流電透過?

很簡單,它中間是斷的,兩片鋁箔並未接觸。

剛接入電源時,當然會有電流給它充電;但一旦兩片鋁箔間的電壓被充至電源電壓,電路中自然就沒了電流。

因此,電容器無法讓直流電透過。

為什麼電容器允許交流電透過?

因為交流電路相當於一個正負極不斷變化的電源。

剛接入電容器時,它也會像直流電路一樣為電容器充電;但是給電容器充滿電後,它的輸出電壓仍在改變(所以才有電容電流和交流電路電壓相差90°這個事實),甚至就連電壓方向都在改變。

於是,當它的電壓低於電容器兩極電壓時,電容器就開始放電;當它的電壓極性方向轉換後,它又從另一個方向給電容器充電……

正因為交流電路的電壓沒一刻固定,接入其中的電容器自然一刻不停的在充放電之間轉換。而這個持續不斷的充放電過程就使得電路中一直存在電流。

打個比方的話,直流電就好像環形賽道,在外部電路,電子從負極出發沿電路跑到正極;而在電源內部,電子又被化學能/電磁場從正極搬到負極,一刻不停。於是就有了電流。

(準確的說,並不一定是把電子搬到負極;比如電池內部就是透過化學反應在負極產生過量的電子,從而維持了正負極之間的電勢差——當電池未接入電路時,“過量的電子”還能阻止負極化學反應繼續進行。因此,未使用的電池負極鋅板並不會很快的被消耗掉。直到你接通正負極、使得負極那“過量的電子”被送往正極、快速消耗掉。)

而電容器會阻斷這個過程(電路是斷開的),電子們給它充滿電後,路上就被堵到動彈不得了。

而交流電就好像AB兩個城市,上午汽車從A開到B,下午汽車從B開到A。

現在兩個城市之間道路斷了,但在斷點附近修了兩個巨大的停車場;於是上午的汽車仍然可以從A向B出發,只是會停到中間停車場;到了下午,中間停車場的汽車回到A、同時從B開來一些汽車,停到斷點靠近B的那一側。

你看,雖然汽車並不能實際的從A開到B,但由A向B以及由B向A的車流卻可以存在。

標簽: 電容器  鋁箔  玻璃棒  兩片  電壓