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    談及電容器,我想對于廣大電工朋友們而言都不陌生,因為它的身影隨處可見,如電力系統(tǒng)中的無功補償電容、單相電動機中的分相電容、整流電路中的濾波電容以及電子電路中的耦合電容等。既然電容器這么常見,那么它具體的作用原理又是什么呢?為什么電容電壓不能突變?



    電容器的種類規(guī)格繁多,但它們在構(gòu)成原理上,都是由間隔以不同絕緣介質(zhì)(如云母、絕緣紙、空氣等)的兩塊金屬板組成,就像夾心餅干一樣,如圖1-1所示。當(dāng)電容器接有電壓時,兩金屬板(較板)由于電壓的存在就會分別聚集等量正、負(fù)電荷。與此同時,電壓的存在必會建立電場,所以電容器的兩較板會在介質(zhì)中建立電場而具有電場能量。


    圖1-1 電容器結(jié)構(gòu)原理圖

    所謂接有電壓,是指兩較板間存在電位差,即兩較板的電位不相等。類似于兩個異性電荷之間存在電壓和電場,兩較板相當(dāng)于兩群異性電荷,顯然它們之間也存在電壓與電場,如下圖1-2所示。


    圖1-2

    根據(jù)上文,給電容器施加電壓,兩較板上就會聚集等量異性電荷。這句話有兩個關(guān)鍵點:一個是聚集,另一個是等量異性。

    1、聚集:所謂聚集,簡單來說,就是電荷扎堆,這就好比上課鈴響時一大堆學(xué)生涌進(jìn)教室并坐好,電荷聚集是指在外加電壓(即外加電場)的作用下,這些電荷受到電場力的作用往一個方向跑,最后跑到電容器的較板上并坐好(因為是絕緣介質(zhì),無路可走了)。

    2、等量異性:所謂等量異性,是指兩較板上的電荷量相等,且一正一負(fù)。而實際上,移動的其實只有自由電子(負(fù)電荷),由于大量自由電子都往一個方向跑,所以留下很多的正離子,這些正離子聚集在一起就是所謂的正電荷量?;陔姾墒睾?,跑了多少負(fù)電荷,就會留下多少正電荷,所以它們是等量的。

    綜上,電容器兩較板間要建立電場,產(chǎn)生電壓,實質(zhì)上是靠電荷的定向移動實現(xiàn)的。而電荷的定向移動會產(chǎn)生電流,換言之,電容的電壓變化會產(chǎn)生電流!這也是電容隔直通交的原因,因為當(dāng)輸入電壓不變時,較板上的電荷量就不變,也就沒有電荷的移動,即電流為零;而當(dāng)輸入電壓交變時,由于電壓一直在變化,所以較板上的電荷量也隨之一直變化,表明一直有電荷在較板上來來往往,即存在電流。

    顯然,電容電壓是可以變化的,但為什么不能突變呢?在解答這個問題之前,我們有必要了解一下兩點。

    1、所謂突變(又稱躍變),是指變量的數(shù)值變化不需要過程,能直接變化,如下圖1-3的(1)所示的電壓曲線。此時,電壓曲線在數(shù)值變化處的斜率(即變化率)為無窮。反正,不能突變是指變量的數(shù)值變化需要過程(即需要時間),其變化率可求。


    圖1-3

    2、電場存在能量,而能量不能突變。把一個電荷置于某個電場中,這電荷就會受到電場力的作用發(fā)生移動,此時電場能轉(zhuǎn)化為動能,即電場對電荷做功,這表明,電場是存在能量的,就好比人在高處會往下掉,重力場對人做功,將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。能量不能突變,能量的變化是靠做功來實現(xiàn)的,做功需要時間,其速度就是功率。簡單來說,能量的變化是一個過程,即使這個過程再短。

    知道了以上兩點,那么,電容電壓為什么不能突變的原因也就找到了。用通俗的語言來講,那就是因為電容電壓和能量是由直接關(guān)系的,由于能量不能突變,所以電壓也就不能突變。電壓的存在就等同于電場的存在,而電場存在能量,且電壓越大,電場越強,能量就越大,若電壓為零,電容的能量也就為零。

    另外,也正是因為電容的這種電壓與電場能量的關(guān)系,所以它是一種儲能元件,當(dāng)電壓不變時,它所具有的能量就能一直保存在較板間,不會消失。而所謂的電容充放電過程,其實就是電容電壓變化,從而改變電場能量的過程。

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