电容器如何阻挡直流电?

电器工程 电容器 直流
2022-01-14 23:35:54

我对此感到困惑!电容器如何阻挡直流电?

  • 我见过许多使用由直流电源供电的电容器的电路。那么,如果电容器阻断直流,为什么要在这样的电路中使用它呢?
  • 此外,额定电压被称为电容器上的直流值。它意味着什么?
4个回答

我认为这将有助于了解电容器如何在允许 AC(交流电)的同时阻止 DC(直流电)。

让我们从最简单的直流电源开始,即电池:

只是一块电池

当该电池用于为某物供电时,电子被吸入电池的+侧,并从-侧推出。

让我们将一些电线连接到电池:

附有电线的电池

这里仍然没有一个完整的电路(电线不会去任何地方),所以没有电流流动。

但这并不意味着没有任何电流流动。你看,铜线金属中的原子是由铜原子的原子核组成的,被它们的电子包围。将铜线视为正铜离子会有所帮助,电子在周围漂浮:

铜离子与电子的插图

注意:我使用符号e -代表一个电子

在金属中,很容易推动电子。在我们的例子中,我们连接了一个电池。它实际上能够从电线中吸出一些电子:

电子从导线的运动

连接到电池正极的电线有电子从中吸然后这些电子被推出电池的负极,进入连接到负极的电线中。

需要注意的是,电池不能去除所有的电子。电子通常被它们留下的正离子所吸引;所以很难去除所有的电子。

最后,我们的红线会带一点正电荷(因为它缺少电子),而黑线会带一点负电荷(因为它有额外的电子)。

由于电线中的电荷而产生的电流

因此,当您第一次将电池连接到这些电线时,只会流过一点电流。电池不能移动很多电子,因此电流非常短暂地流动,然后停止。

如果您断开电池,将其翻转并重新连接:黑线中的电子将被吸入电池并推入红线。再一次只有极少量的电流流动,然后它会停止。


仅使用两条线的问题是我们没有太多的电子可以推动。我们需要的是大量的电子来玩——一大块金属。这就是电容器的本质:一大块金属附着在每根电线的末端。

有了这么大块金属,我们可以轻松推动更多的电子。现在“正”面可以吸出更多的电子,而“负”面可以有更多的电子被推入:

更大表面上更多电荷的插图

因此,如果您将交流电源应用于电容器,则其中一些电流将被允许流动,但一段时间后它将耗尽电子来推动,并且流动将停止。这对交流电源来说是幸运的,因为它会反转,并且允许电流再次流动。


但是为什么电容器的额定直流电压

电容器不仅仅是两块金属。电容器的另一个设计特点是它使用了两个非常接近的金属块(想象一下夹在两张锡箔之间的一层蜡纸)。

他们使用由“蜡纸”隔开的“锡箔”的原因是因为他们希望负电子非常靠近他们留下的正“空穴”。这导致电子被吸引到正“空穴”:

电容器极板之间的电荷吸引

因为电子是负的,而“空穴”是正的,所以电子被空穴吸引。这导致电子实际上停留在那里。您现在可以卸下电池,电容器实际上将保持该电荷。

这就是电容器可以存储电荷的原因。电子被它们留下的空穴吸引。

但是蜡纸并不是完美的绝缘体。它会允许一些泄漏。但是如果你堆积了太多的电子,真正的问题就来了。电容器的两个“极板”之间的电场实际上会变得如此强烈,以至于会导致蜡纸击穿,从而永久损坏电容器:

电容器极板击穿

实际上,电容器不再由锡箔和蜡纸制成(不再);他们使用更好的材料。但仍有一点,即“电压”,两个平行板之间的绝缘体会发生故障,从而破坏设备。这是电容器的额定最大直流电压。

让我看看我是否可以为其他 3 个答案添加更多观点。

电容器在高频时起到短路作用,在低频时起到开路作用。

所以这里有两种情况:

与信号串联的电容

在此处输入图像描述

在这种情况下,AC 能够通过,但 DC 被阻塞。这通常称为耦合电容器。

电容与信号并联

在此处输入图像描述

在这种情况下,直流电能够通过,但交流电对地短路,导致其被阻塞。这通常称为去耦电容器。

什么是交流电?

我使用术语“高频”和“低频”相当松散,因为它们实际上没有任何与它们相关的数字。我这样做是因为什么被认为是低和高取决于电路其余部分的情况。如果您想了解更多相关信息,可以阅读Wikipedia上的低通滤波器或我们的一些RC 滤波器问题。

额定电压

您在电容器上看到的电压是在您开始冒电容器物理损坏的风险之前可以安全地施加到电容器上的最大电压。有时这会发生爆炸,有时会发生火灾,有时会变热。

解释是相反的电荷相互吸引。电容器是由非常薄的绝缘体隔开的 2 个导电板组成的紧凑结构。如果你把DC放在它上面,一侧会带正电,另一侧会带负电。两种电荷相互吸引,但不能通过绝缘屏障。没有电流。所以这就是 DC 的故事的结尾。
对于 AC,情况就不同了。一侧会先后带正负电荷,并分别吸引正负电荷。因此,势垒一侧的变化会引发另一侧的变化,因此看起来电荷穿过势垒,并且电流有效地流过电容器。

充电电容器总是直流充电,即一侧带正电荷,另一侧带负电荷。这些电荷是电能的存储,这在许多电路中是必需的。

最大电压由绝缘层决定。超过一定电压,它会击穿并产生短路。这可以在直流下发生,也可以在交流下发生。

一种简单的思考方式是串联电容器阻止直流电,而并联电容器有助于保持稳定的电压。

这实际上是相同行为的两个应用程序 - 电容器做出反应以试图保持其自身电压恒定。在串联情况下,消除稳定的电压差是很高兴的,但是一侧的任何突然变化都会传递到另一侧以保持电压差恒定。在并联情况下,电压的任何突然变化都会做出反应。