电容器如何在通过电流的同时存储电荷?

电器工程 电容器 收费
2022-01-17 17:13:00

人们常说电容器储存电荷。只是通过Wikipedia阅读,我发现:

Daniel Gralath 是第一个将多个罐子并联组合成一个“电池”以增加电荷存储容量的人。本杰明富兰克林调查了莱顿罐并得出结论,电荷储存在玻璃上,而不是像其他人假设的那样储存在水中。

由于导体(或极板)靠得很近,导体上的相反电荷由于它们的电场而相互吸引,使得电容器在给定电压下比导体分开时存储更多的电荷,从而使电容器具有大电容.

这里Q是存储在电容器中的电荷

电荷以库仑为单位,我从电容的定义中知道,如果 1F 电容器的电压为 1V,则其中存储了 1C 的电荷。如果一个库仑是 6.241×10 18 个电子,那么这个电容器的某处应该有 6.241×10 18 个电子。

但现在考虑一下。如果我使用电容器作为某个交流电压源的负载,则会流过一些电流(精确量取决于电压、频率和电容):

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我知道电流一直在这个电路周围流动,因为如果我在电容器的任一侧放一个灯泡,它就会点亮。但是如果电流在这个电路周围流动,电容器是如何“储存电荷”的呢?换句话说,如果电流在电路周围流动,我怎么能将电子放入电容器中,这意味着对于我放入电容器中的所有电子,相同数量的电子从另一侧出来?如果我不能在不取出电子的情况下放入电子,那么电容器如何存储它们?

4个回答

这很容易。电容器储存电荷,它储存能量一个完整电容器(而不是考虑单个板或绝缘体)中的净电荷永远不会改变。一个板上负电荷的增加与另一个板上负电荷的减少完全平衡。因此,当电流进入一个端子时,必须有相等的电流离开另一个端子。

这是一种卡通版,但它在我的脑海中起作用。

电容器中有一个绝缘间隙,因此单个电子不能从一个端子移动到另一个端子。因此,进入的电子与从另一侧出来的电子不同!相反,传入的电子“停止”在一个板上。但是该电子的电场排斥来自另一侧的电子,该电子从另一块板出来,最终到达源头。我们有一个完整的电路,但是电子在一个板上积聚,而空穴在另一个板上积聚!

现在,可以在板上积聚多少电子是有限度的。电子相互排斥,所以电子越多,另一个电子就越难粘住。我们需要一些东西来迫使他们一起留在盘子上。那是电压。相反,电子试图相互排斥的事实也是一种电压,一种试图在电路周围移动电子的力。

现在,当传入的电子将一个电子从另一块板上敲开时,传出的电子比传入的电子具有更少的能量,这就是充电电容器两端的电压降的原因。

当然,电子不会静止不动,即使它们在宏观上无处可去。它们都相互排斥,从彼此的电场中“反弹”。如果这些场变得太强(电压变得太高),相互作用会导致电子穿透板之间的介电势垒。当板上的电压过高时,电容的漏电流就会上升。如果这种情况持续太久,电介质就会损坏,你就再也没有很好的上限了。

收费可能意味着很多事情。我们可以谈论用能量给电容器充电,就像我们给炸弹或预付信用卡充电一样。我们也可以考虑电荷,以库仑为单位。

大约 6.241×10 18 个电子确实产生 1C 的电荷。然而,当人们谈论电容器中的电荷时,他们并不是在谈论电容器中的电子,就像人们谈论饼干罐中的饼干一样。他们在谈论别的事情。这很令人困惑,但无论如何他们都是这样做的。

他们实际上在谈论的是电流的积分也就是说,一直在流动的平均电流乘以它已经流动的时间。如果电流以安培为单位,时间以秒为单位,那么当您将电流乘以时间时,您会得到一个以安培秒为单位的东西。而且,如果您还记得,一安培意味着每秒一库仑。因此:

$$ A = \frac{1C}{s} \\ 1A\cdot s = \frac{1C}{s} \cdot s = 1C$$

也就是说,安培秒是库仑。电流的积分是电荷因此,当有人说电容器“存储 1C 的电荷”时,他们并不是说电容器中有 1C 的电子,而是意味着 1C 的电荷已经通过了电容器。电容器正在“存储”那么多电荷,因为它现在包含足够的能量以将 1C 的电荷推回另一个方向。

将电容器视为能量存储设备比将其视为电荷存储设备更好。当电流流入电容器时,电压会在端子处累积。该电压由板之间的距离隔开,从而产生电场。这个领域是储存能量的地方。另一方面,电感器通过磁场存储能量。

当电流流动时,相反的电荷会积聚在电容器的每个相对板上。电子试图绕过电路,但它们在电容器的极板上停下来,在一侧留下负电荷,在另一侧留下正电荷。每个电荷的大小可以用以下等式描述:

C = Q/V

电流将继续流动,电荷将不断积累,直到带有电容器的电路稳定为止。例如,如果电路只是一个电池、一个电阻器和一个电容器串联,电流将继续流动,直到电容器电压等于电池电压。因此,在没有电流变化的稳态直流电路中,电容器表现为开路,其累积电荷与端子两端的电压和电容成正比。

但是,对于任何非直流电路,描述电容器行为的更好方法是:

I = C*(dV/dt)

因此,如果您有一个正弦波电压源,则“流过”电容器的电流不断变化,累积的电荷永远不会稳定。想象一下来回倾倒一个半满的水瓶。水不像直流电路中的电流那样连续流动,但它仍在工作。如果你的水瓶里有一些奇怪的涡轮装置,它会不断地旋转,当瓶子朝另一个方向倾斜时才会停下来改变方向。

最后,在直流电路中,电容器的每个侧板上都存储了相等且相反的电荷。电容器根本不存储电子。它存储电荷。在外部电压差的作用下,电子从一侧绕电路一直移动到另一侧。结果是一侧有电子浓度,而另一侧没有电子,即电荷。在交流电路中,同样的现象也会发生,但一直在变化。一旦电源电压发生变化,电子就不会以相同的方式被吸引到板上并开始移动。如果这些电子在途中碰巧通过负载,如灯泡,它们就会工作,灯泡就会亮起。因此,电流实际上并没有在电路周围流动。它只是像瓶子里的水一样来回晃动。然而,点亮灯泡所需要的只是移动电子。灯泡不在乎它们向哪个方向移动,只要开关速度足够快,你的眼睛就无法感知方向的变化。

我还想指出,我们谈论的是理想电容器。实际上,在足够高的频率下,电容器看起来像电感器 (V = L*(di/dt))。

编辑:

回答具体问题:电容器中存储的电荷在哪里?

在一个完整的电容器中,不存储任何净电荷。然而,使用平行板模型,Q 大小的相等且相反的电荷位于每个板上。当对电容器施加外部电压时,电子从具有较高电位的极板逃逸并被吸引到具有较低电位的极板。这些积累的电子在该板上形成负电荷,而另一个板上没有电子形成正电荷。每个总电荷 Q 的实际大小由电压 V 和电容 C 决定。