电容就是装载电荷的容器,从微观角度看,当电荷流入容器时,随着时间的变化极间电场逐渐增大。
以图1为例:
充电开始时Uc=0V,压差△U=Ur=Ui,此刻容器内无电荷,也就无电场排斥流入的电荷;所以电流Ic最大,表现为容抗最小,近似短路;
当Uc上升,压差△U开始减小,该过程形成电场,容器开始排斥流入的电荷;电流Ic逐渐减小,表现为容抗逐渐增大;
当Uc=Ui,压差△U=Ur=0V,此刻容器内电场最强,以最大排斥力阻止流入的电荷;电流Ic=0,表现为容抗最大,近似开路。
图1 电容容器充电模型
当电荷流出容器时,随着时间的变化极间电场逐渐减小;该放电过程的电容可看成是一个内阻为0的电压源,以图2为例(移除电源并接地):
放电开始时Uc=Ui,此刻容器内充满电荷,因此电场最强,而电阻不变,则放电电流Ic最大(方向与充电相反),电阻两端的电压Ur=Uc,则Ur=Ui;
当Uc下降,该过程电场减弱,放电电流Ic逐渐减小,Ur=Uc也逐渐减小;
放电耗尽Uc=0V,此刻容器内无电荷,因此无电场,Ur=0V。
图2 电容容器放电模型
电容就好比水桶一样,流入的水流无论是大还是小,水位的变化一定是从最低位开始连续上升的;而电容内的电荷也是逐渐从0开始积累起来的,积累过程与自然常数e有关系,这里就不深入讨论了。
图3就是电容充放电的电压-电流曲线。
图3 电容充放电,电压-电流曲线
联系前面的分析,可总结为:
电容电压不能突变,电流可突变(教材的定义是电容的电流与电压的变化率成正比);
充电过程中的电容可等效成一个可变电阻,放电过程中的电容可等效成一个电压源;
电容电流反映的是单位时间内流动的电荷量,电容电压(或电场)反映的是电荷量的多少。通俗的理解就是流动的电荷才会导致电荷量多少的变化(与①相吻合);用数学语言描述则是电容的电流超前电压相位90°;
电容充放电速度与电容和电阻大小有关。
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