电容器充电和放电的原理是什么啊 该如何理解

2020-04-16 财经 325阅读

电容器充电原理

当电容器与直流电压源相连时,电容器就会被充电,如图 1 所示。图 1a) 中的电容器未被充电,所以极板A和极板B上具有等量的自由电子。

当开关闭合后,如图 1b) 所示,电源将自由电子从极板 A 通过电路搬迁到极板 B 处,如图中箭头所示。当极板 A 失去电子,极板 B 获得电子后,极板 A 相对于极板 B 的极性就是正的,这一充电过程持续进行,直到极板上创建的电压迅速达到电压源的电压值 Vs,但两者极性彼此相反,如图 1c) 所示。当电容器充电完成后,电路中就不再有电流了。

电容器可以阻断恒定的直流电。
把已充满电的电容器从电路中被断开,如图 1d) 所示,根据电容器漏电电阻的大小,电荷就可以保存在电容器中很长一段时间。电解电容器上的电荷一般比其他类型的电容器泄漏更快。

电容器放电原理

若将导线连接至已经充满电的电容器两端,如图 2 所示,电容器就会被放电。在这种情况下,当在电容器两端接通一个具有低电阻的通路时。在开关闭合之前,电容器充电到的电压是 50V,如图 2a) 所示。

一旦开关闭合,如图 2b) 所示,极板 B 多佘的电荷就通过电路移动到极板 A 处(如箭头所指),结果是电流流经了阻值很低的导线,电容器存储的能量被导线消耗掉。
当自由电子在两块极板上再次等量的时候,电荷被中和了。这时候,电容器两端的电压等于 0,电容器被完全放电,如图 2c) 所示。

拓展资料

电容器的充电和放电

电容器的充电和放电过程是非线性的,充电电流和放电电流都不是一个恒定值,而是逐渐变小。对于电压而言,电压变化的速率也会逐渐变小。
此外,时间常数只是一个时间间隔,它并不代表电容完全充电或放电所需要的时间。实际上,电容经过 5 个时间常数才可以完全充电或者放电。

指数曲线可以用数学公式来精确计算,下列给出了瞬时电压和电流呈指数级增大或衰减时对应的一般公式:


其中,VF 和 IF 是电压和电流最终的值,Vi 和 Ii 是初始电压和初始电流的值。小写的斜体字 v 和 i 是电容器电压和电流在时间 t 的瞬时值,e 是自然对数的底数。

从零开始充电

下式给出了图 1a) 中电压值从 0V 呈指数级增大的曲线表达式,借助上述的一般表达式,其推导过程如下:


提出公共因子 VF,得到(公式一):


若电容器的初始状态未充电,利用公式一可以计算电容器在任何时刻的充电电压值。不仅如此,将 v 用 i 代替,VF 用 IF 代替,公式一就可以计算充电的电流值。

放电至零

如图 1b) 所示,电压值呈指数级衰减,直至为 0V,即 VF = 0 ,指数衰减曲线的表达式也可以从通用表达式中推导得到:


简化得到:


其中,Vi 是电容器放电时的起始电压值。利用此式可以计算任何时刻放电的电压值。指数项 -t/RC 也可以写成 -t/τ。

参考链接  百度百科  电容器

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