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                發布時間: 2023-11-25 01:41
                最后更新: 2023-11-25 01:41
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                根據電容參數“C ”的定義,可知電容元件極板上電荷量 q 等于電容 C 乘以極板間電壓 u ,即q =Cu 。這說明,在電壓相同的情況下,電容 C 越大,電容元件所能容納(存儲)的電荷就越多,存儲的電場能量也就越大。那么,電容元件在電路中的電壓與電流又是怎樣的關系呢?我們往下看。

                ▎一、電容參數的交直流電路

                由q =Cu ,顯然,若電容兩端的電壓發生改變,其極板上的電荷量也會發生變化(電容C為常數,固定不變)。電荷量的變化,由電荷的移動形成,例如電壓變小,極板上的電荷量也要隨之減少,換言之,極板上的部分電荷沿導線跑掉了。而電荷的沿導線跑動就是電流。即電容電壓的變化,會使得電容上有電流流過,如下圖1-2-2所示。

                圖1-2-2

                舉一反三,若電容兩端的電壓不變,極板上的電荷量也就保持不變,沒有電荷的定向移動,即電容上沒有電流流過,這就是電容的隔直作用。

                1、電容參數的直流電路

                如下圖1-2-3所示的直流電路中,開關斷開,假設電容極板上的初始電荷量為零,顯然,電容兩端的初始電壓也為零。

                圖1-2-3

                (1)閉合開關S1,電容開始充電,所謂充電,就是電荷逐漸向極板上堆集,電容兩端的電壓逐漸增大。此時的電容就像一個三天不吃飯的乞丐,開關一閉合瞬間,電容大口吃飯(充電),電流最大,隨著電容吃得越飽,電荷的聚集速度越慢,即電流越小,其曲線如圖1-2-4所示。

                圖1-2-4

                這個電容的充電過程很快,直到電容的電壓等于電源電壓,充電完畢,此時電流也變為零,這就是電容元件的零狀態響應,充電過程對應的電路就稱為暫態過程。關于更多暫態電路的內容,在這里我就不展開講啦,因為是真的很難!

                (2)電容充電完畢后,開關S1打開,顯然,電容極板上堆集的電荷無處可走,一直呆在極板上,這表示電容元件一直存儲這電場能量。

                (3)閉合開關S2,此時電容兩極板上的異性電荷就像做擴散運動一樣往電阻處跑,再電阻處相結合,釋放能量!這就是電容元件的放電過程,電壓與電流君呈衰減趨勢,如圖1-2-5所示。

                圖1-2-5

                直流電路中,電容元件的影響主要體現在開關通斷期間,電路達到穩態后,電容元件處就相當于開路了。S7-300模塊.png

                2、電容參數的交流電路

                上文提到,電容兩端的電壓變化,會產生電流,而在(正弦)交流電路,電壓是按正弦規律一直變化的,在這個交變定壓的驅使下,電容的電流是一個怎樣的變化情況呢?

                結合電容的定義與電流的定義,電流是指通過任一截面的電荷變化率,即電荷變化的快慢,在電容元件里,這個電荷其實就是電容極板的電荷量,即圖1-2-6所示的Δq /t ,即表示電容極板上的電荷變化的快慢.

                圖1-2-6

                極板上的電荷又等于電壓乘以電容,即Δq =Cu ,最后得出電容電流等于電容乘以電壓變化率,如圖1-2-6的公式所示。

                經過復雜的計算,可以得出電容元件的電壓與電流變化波形如圖1-2-7所示。其計算過程我在此不再演示。

                圖1-2-7

                從圖1-2-7可以看到,電容電流與電壓均按正弦規律變化,且兩者周期(頻率)相同,電流在想位上超前電壓90° 。

                既然電壓與電流是同頻的正弦量,那么它們就可以用有效值來表示,且兩者之間可以進行四則運算。而有效值,就不用我再多解釋了吧?

                ▎二、電容元件的容抗

                在數值上,將電壓有效值除以電流有效值,就可以得到一個與電容C 、角頻率 ω (頻率f )有關的數,這個數就是傳說中的容抗 1/ωC ,如圖1-2-8所示。這里 ω 是電源的角頻率,可能大部分人不知道這個 ω 是什么,其實它與頻率差一個2π的關系,即 ω =2πf ,表示正弦量在每秒內變化了多少個弧度。

                圖1-2-8

                容抗與電源的頻率成反比,其關系曲線如圖1-2-8所示。這表明,電源的頻率越高,電容元件的容抗就越小,若電源電壓的有效值不變,隨著頻率的增大,容抗變小,此時流過電容元件的電流也就越大,這就是所謂的通高頻阻低頻。

                回顧歐姆定律 R=U/I ,電壓除以電流等于電阻,電壓的單位是伏特(V),電流的單位是安培(A),這兩個單位相除(V/A),得到的比值的單位是歐姆(Ω)。同樣的,電容元件中,電壓有效值除以電流有效值,同樣是伏特除以安培,顯然得到的容抗的單位也是歐姆。容抗的作用其實類似于電阻,即對電流的阻礙作用。

                圖1-2-9

                既然容抗和電阻都是對電流的阻礙作用,那么把它們串聯起來,如圖1-2-9所示,電容元件和電阻元件就會對電源電壓有個分壓的作用,誰的歐姆值越大,得到的電壓就也多。

                而容抗與電源的頻率有關,在這里,隨著頻率的增大,電容兩端得到的電壓就越小。對于這種現象,我們可以這樣理解:電源頻率變化越快,電容的充放電速度就越快,當快到一定程度的時候,電容都來不及充電,就又要放電了,這就會造成電容所存儲的電荷很少,其兩端的電壓很小。截圖_20230214141830.png

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