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电容电压为什么不能突变?

肖菲 发布于2024-04-17 16:34 176 29 标签:电工,电容电压

谈及电容器,我想对于广大电工朋友们而言都不陌生,因为它的身影随处可见,如电力系统中的无功补偿电容、单相电动机中的分相电容、整流电路中的滤波电容以及电子电路中的耦合电容等。既然电容器这么常见,那么它具体的作用原理又是什么呢?为什么电容电压不能突变? (超多电工课程免费看,点击即可跳转)



电容器的种类规格繁多,但它们在构成原理上,都是由间隔以不同绝缘介质(如云母、绝缘纸、空气等)的两块金属板组成,就像夹心饼干一样,如图1-1所示。当电容器接有电压时,两金属板(极板)由于电压的存在就会分别聚集等量正、负电荷。与此同时,电压的存在必会建立电场,所以电容器的两极板会在介质中建立电场而具有电场能量。



1-1  电容器结构原理图

所谓接有电压,是指两极板间存在电位差,即两极板的电位不相等。类似于两个异性电荷之间存在电压和电场,两极板相当于两群异性电荷,显然它们之间也存在电压与电场,如下图1-2所示。


1-2

根据上文,给电容器施加电压,两极板上就会聚集等量异性电荷。这句话有两个关键点:一个是聚集,另一个是等量异性。

1、聚集:所谓聚集,简单来说,就是电荷扎堆,这就好比上课铃响时一大堆学生涌进教室并坐好,电荷聚集是指在外加电压(即外加电场)的作用下,这些电荷受到电场力的作用往一个方向跑,最后跑到电容器的极板上并坐好(因为前面是绝缘介质,无路可走了)。

2、等量异性:所谓等量异性,是指两极板上的电荷量相等,且一正一负。而实际上,移动的其实只有自由电子(负电荷),由于大量自由电子都往一个方向跑,所以留下很多的正离子,这些正离子聚集在一起就是所谓的正电荷量。基于电荷守恒,跑了多少负电荷,就会留下多少正电荷,所以它们是等量的。

综上,电容器两极板间要建立电场,产生电压,实质上是靠电荷的定向移动实现的。而电荷的定向移动会产生电流,换言之,电容的电压变化会产生电流!这也是电容隔直通交的原因,因为当输入电压不变时,极板上的电荷量就不变,也就没有电荷的移动,即电流为零;而当输入电压交变时,由于电压一直在变化,所以极板上的电荷量也随之一直变化,表明一直有电荷在极板上来来往往,即存在电流。

显然,电容电压是可以变化的,但为什么不能突变呢?在解答这个问题之前,我们有必要了解一下两点。

1、所谓突变(又称跃变),是指变量的数值变化不需要过程,能直接变化,如下图1-3的(1)所示的电压曲线。此时,电压曲线在数值变化处的斜率(即变化率)为无穷。反正,不能突变是指变量的数值变化需要过程(即需要时间),其变化率可求。


1-3

2、电场存在能量,而能量不能突变。把一个电荷置于某个电场中,这电荷就会受到电场力的作用发生移动,此时电场能转化为动能,即电场对电荷做功,这表明,电场是存在能量的,就好比人在高处会往下掉,重力场对人做功,将重力势能转化为动能。能量不能突变,能量的变化是靠做功来实现的,做功需要时间,其速度就是功率。简单来说,能量的变化是一个过程,即使这个过程再短。

知道了以上两点,那么,电容电压为什么不能突变的原因也就找到了。用通俗的语言来讲,那就是因为电容电压和能量是由直接关系的,由于能量不能突变,所以电压也就不能突变。电压的存在就等同于电场的存在,而电场存在能量,且电压越大,电场越强,能量就越大,若电压为零,电容的能量也就为零。

另外,也正是因为电容的这种电压与电场能量的关系,所以它是一种储能元件,当电压不变时,它所具有的能量就能一直保存在极板间,不会消失。而所谓的电容充放电过程,其实就是电容电压变化,从而改变电场能量的过程。

以上,就是本次所分享的内容,其实关于电容电压为什么不能突变,也可以从数学的角度分析,但为了大家便于理解,我也没必要写的太复杂。至此,本次的知识分享,你看明白了?


来源:技成培训网,作者:技成-杨思慧,未经授权不得转载! 


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