電容器為什麼能夠“通交流”?

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我們都知道,電容是由兩個相鄰的極板之間添加絕緣介質形成的,如下圖,既然有絕緣介質的存在,那肯定就不會有電荷通過,那麼電容是怎樣“通交流”的呢? 請往下看。



電容“通交流”的正確理解

眾所周知,電容器有“隔直流通交流”的作用,不過,所謂的“通交流”並不是真的有電荷通過了電容,而是當交流電施加在電容兩端時,可以引起電容不斷的充放電,充放電過程中產生的電流就被我們認為是交流電“通過”電容了。


從上圖中我們可以瞭解到,當電容接在交流電源上,電壓波形處於上升階段時,由於電容中間有絕緣物質的存在,電荷只是向兩邊極板上聚集,這樣就形成了充電電流;而當電壓波形處於下降階段時,極板上匯聚的電荷向反方向移動,這樣就形成了放電電流。電容被不斷的充放電使電路中產生了方向不斷變化的電流,看上去就好像是真的有電流流過電容一般,但實際上電荷並沒有真正的通過電容,而是在電容兩邊的極板上來回搬運罷了。

總的來說,電容“通交流”只是個更形象的說法而已,交流電加在電容兩端時,表面上看是電流從電容的一端流入,另一端就會有同樣的電流流出,但電壓相位卻比電流相位相差了90度,也就是說電壓信號被電容給延遲了,這是因為電容充放電需要一定的時間。


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電容器是電子元器件中一個非常重要而且基本的元件,它覺有一個重要的“通交流隔支流”的特性,但這到底是什麼原理呢,讓我們來逐步分析下。

什麼是電容,它的基本結構是怎麼樣的?

首先我們來了解下什麼是電容。電容是一種基礎的電子元器件,結構組成上可以參看下圖,它由兩塊金屬板,加上中間不導電的絕緣介質,再加上連接金屬板的電極就完成了,非常簡單。


電容可以存儲電荷

電容的第一個重要特性就是能夠存儲電荷,當一個電極加載了正電,另一個電極加載了負電,由於正負電荷相互吸引的原理,只要沒有形成其它的通路,電荷就停留在兩塊金屬板上了,相當於電就被存儲起來了。

電容是如<strong>何通交流電的<strong>

當電容剛連接上電池,正電荷從電池的正極湧向電容正極金屬板,在這個過程中由於電荷在流動所以產生了順時針方向的電流(通常以正電荷的流動方向來代表電流方向),這個過程一直持續到兩塊金屬板的電壓和電池電壓一致為止,這個過程就是電容充電過程。這個充電過程是瞬間完成的,完成後電路就沒有電流了。

接著我們斷開電池,將兩塊金屬板的正負電極用導線直接連通,這個時候正負電荷開始中和,正極金屬板的電荷按逆時針方向流動並與負電荷中和,當全部中和完成後,電流就停止了,這個過程稱為電容放電過程。

大家記住,電容在充放電的過程中,雖然時間很短暫,但電路中是存在電流的,而且是方向正好相反的電流。我們可以想象下,假設我一會兒接電池,一會兒斷開電池把正負級接通,只要我的動作足夠的快,那電容就會一直持續著充放電的過程,那整個電路不就一直有電流了嗎?即使電容中間部分是絕緣媒介,電流也是始終存在的,只是電流的方向不停的在反覆變化,說到這裡,聰明的朋友可能已經想到了,這不就是交流電嘛。對了,一點沒錯,這種電流就是交流電(我們的市電就是交流電),這也電容器的另一個重要特性——交流電可以通過電容器。

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題目中的“通交流”加了引號,其實電容的通交流並不是直接讓電容的兩個極板導通,而是利用電容的充放電將電流延遲通過電容。下面進行詳細的解釋。

電容是一個儲能元器件,在電路中會因為兩個極板電位的不同而發生充放電現象。交流電的大小和方向都是時時刻刻發生變化的,體現在電容上就是電容要頻發的發生充電和放電現象。

1

電容在交流正半週期時充放電

在交流電的正半週期,交流電的大小經歷著兩個變化,先從小變大,電容開始充電;達到峰值之後,交流電開始減小,這時電容開始放電。但是交流電經過電容之後,純電容電路中,電流的相位比電壓的相位超前了90度。

2

電容在交流負半週期時充放電

在交流電的負半週期,上圖中電容兩端的極性上負下正,交流電從零開始到反向峰值,再從峰值到零,電容也經歷著充放電的過程。隨著交流電方向週而復始的交替變化,電容也經歷著充電和放電的過程,從而在電容的另一端感應出一個波形相同但是存在相位差的波形。電容兩端電壓和電流的相位差波形如下圖所示。

3 總結

純電容電路中,電流波形比電壓波形超前90度;純電感電路中,電流波形比電壓波形滯後90度;在純電阻電路中,電流相位和電壓相位保持一致。


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電容器為什麼能夠“通交流”?

電容器應用非常廣泛,是一種能夠儲存電荷的儲能元件。


電容器簡單的看,就是用絕緣介質隔開兩個相互靠近的導體。其中兩個導體作為電容器的極板,中間用到的絕緣介質作為電容器的介質。只要在電容器兩個極板上加載一定的電壓,兩個極板將分別出現數量相等的正負電荷,因此電容器就儲存了一定的電荷和電場能量。電容器的電容量稱之為電容,表示電容器儲存電荷的本領。電容器的電容量即電容是一個確定值,像一個簡單又直觀的平行板電容器,其大小與電容器的極板的正對面積、相對位置(兩個極板間垂直距離)、極板間的電介質有關,與極板間的電壓以及所帶電荷量無關,由下面的公式即可看出,C=εS/4πkd,即C=(相對電介常數 x 兩極板正對面積S)/(4π x 靜電力常數k x 兩個極板間垂直距離)。


電容器能夠通交流、隔直流

由電容器的基本原理可知,其在充電過程中兩個極板上不斷累積正負電荷,當電荷充滿時,電容器此時就相當於一個電源。隨著放電過程進行,電容器又會將原有存儲的電場能量又全部釋放出來。由此可知,電容器的能量交換過程只與電源進行,而且這個過程電容器本身沒有能量消耗,因此它是一種儲能元件。

至於隔直流,因為直流電的大小和方向不隨時間的變化而改變。當電容器通直流電處於充電過程,一旦電荷充滿,此時電容器所在的直流電路中就相當於開關,於是電容器處於開路狀態,這就是電容器的隔直流。

對於通交流,因為交流電的大小及方向隨著時間不斷交替變化。則電容器反覆進行充電和放電,使電容器所在的交流電路出現連續的交流電,這就是電容器的通交流。

在生活中可以聯想儲水容器,給儲水容器進行蓄水和排水就類似於電容器的充電和放電過程,儲水容器類似於電容器,容器中的水類似於電荷量。電容器的充電過程,是電源把自由電子由一個極板上移動到另一個極板上,電源是克服正極板對電子的吸引力,以及克服負極板對電子的排斥力而做功,從而使電容器的兩個極板上儲存的電荷量不斷增加。因此,充電過程是電源不停的搬運電荷的過程,是將消耗的能量轉化為電場能儲存的過程。


Talk工控小白



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因為電容是兩塊極板平行排列的,通電的時候一邊帶正電荷,一邊帶負電荷,直流電是有電荷的移動才會有電流,交流電是以每秒鐘50hz(不同國家頻率不同)的頻率在變換,相當於每秒鐘極板上的電荷都在變換,對於外界來說就是導通的。


沒名字太難了


當電容器接到交流電源兩端時,實際上自由電荷也沒有通過兩極木間的絕緣介質。不過,瞬電壓在不斷變化,當電壓升高時,電容器充電,電荷向電容器的極板上聚集,形成充電電流。當電壓降低時,電容器放電,電苘從闆闆上退出,形成放電電流。電源加在兩極板上電壓的大小和正負在不斷地變化,電容器交替地進行充電和放電,電路中就有電流,表現為交流“通過‘’了電容器


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