电容器为什么能够“通交流”?

kikilala75


我们都知道,电容是由两个相邻的极板之间添加绝缘介质形成的,如下图,既然有绝缘介质的存在,那肯定就不会有电荷通过,那么电容是怎样“通交流”的呢? 请往下看。



电容“通交流”的正确理解

众所周知,电容器有“隔直流通交流”的作用,不过,所谓的“通交流”并不是真的有电荷通过了电容,而是当交流电施加在电容两端时,可以引起电容不断的充放电,充放电过程中产生的电流就被我们认为是交流电“通过”电容了。


从上图中我们可以了解到,当电容接在交流电源上,电压波形处于上升阶段时,由于电容中间有绝缘物质的存在,电荷只是向两边极板上聚集,这样就形成了充电电流;而当电压波形处于下降阶段时,极板上汇聚的电荷向反方向移动,这样就形成了放电电流。电容被不断的充放电使电路中产生了方向不断变化的电流,看上去就好像是真的有电流流过电容一般,但实际上电荷并没有真正的通过电容,而是在电容两边的极板上来回搬运罢了。

总的来说,电容“通交流”只是个更形象的说法而已,交流电加在电容两端时,表面上看是电流从电容的一端流入,另一端就会有同样的电流流出,但电压相位却比电流相位相差了90度,也就是说电压信号被电容给延迟了,这是因为电容充放电需要一定的时间。


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电容器是电子元器件中一个非常重要而且基本的元件,它觉有一个重要的“通交流隔支流”的特性,但这到底是什么原理呢,让我们来逐步分析下。

什么是电容,它的基本结构是怎么样的?

首先我们来了解下什么是电容。电容是一种基础的电子元器件,结构组成上可以参看下图,它由两块金属板,加上中间不导电的绝缘介质,再加上连接金属板的电极就完成了,非常简单。


电容可以存储电荷

电容的第一个重要特性就是能够存储电荷,当一个电极加载了正电,另一个电极加载了负电,由于正负电荷相互吸引的原理,只要没有形成其它的通路,电荷就停留在两块金属板上了,相当于电就被存储起来了。

电容是如<strong>何通交流电的<strong>

当电容刚连接上电池,正电荷从电池的正极涌向电容正极金属板,在这个过程中由于电荷在流动所以产生了顺时针方向的电流(通常以正电荷的流动方向来代表电流方向),这个过程一直持续到两块金属板的电压和电池电压一致为止,这个过程就是电容充电过程。这个充电过程是瞬间完成的,完成后电路就没有电流了。

接着我们断开电池,将两块金属板的正负电极用导线直接连通,这个时候正负电荷开始中和,正极金属板的电荷按逆时针方向流动并与负电荷中和,当全部中和完成后,电流就停止了,这个过程称为电容放电过程。

大家记住,电容在充放电的过程中,虽然时间很短暂,但电路中是存在电流的,而且是方向正好相反的电流。我们可以想象下,假设我一会儿接电池,一会儿断开电池把正负级接通,只要我的动作足够的快,那电容就会一直持续着充放电的过程,那整个电路不就一直有电流了吗?即使电容中间部分是绝缘媒介,电流也是始终存在的,只是电流的方向不停的在反复变化,说到这里,聪明的朋友可能已经想到了,这不就是交流电嘛。对了,一点没错,这种电流就是交流电(我们的市电就是交流电),这也电容器的另一个重要特性——交流电可以通过电容器。

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题目中的“通交流”加了引号,其实电容的通交流并不是直接让电容的两个极板导通,而是利用电容的充放电将电流延迟通过电容。下面进行详细的解释。

电容是一个储能元器件,在电路中会因为两个极板电位的不同而发生充放电现象。交流电的大小和方向都是时时刻刻发生变化的,体现在电容上就是电容要频发的发生充电和放电现象。

1

电容在交流正半周期时充放电

在交流电的正半周期,交流电的大小经历着两个变化,先从小变大,电容开始充电;达到峰值之后,交流电开始减小,这时电容开始放电。但是交流电经过电容之后,纯电容电路中,电流的相位比电压的相位超前了90度。

2

电容在交流负半周期时充放电

在交流电的负半周期,上图中电容两端的极性上负下正,交流电从零开始到反向峰值,再从峰值到零,电容也经历着充放电的过程。随着交流电方向周而复始的交替变化,电容也经历着充电和放电的过程,从而在电容的另一端感应出一个波形相同但是存在相位差的波形。电容两端电压和电流的相位差波形如下图所示。

3 总结

纯电容电路中,电流波形比电压波形超前90度;纯电感电路中,电流波形比电压波形滞后90度;在纯电阻电路中,电流相位和电压相位保持一致。


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电容器为什么能够“通交流”?

电容器应用非常广泛,是一种能够储存电荷的储能元件。


电容器简单的看,就是用绝缘介质隔开两个相互靠近的导体。其中两个导体作为电容器的极板,中间用到的绝缘介质作为电容器的介质。只要在电容器两个极板上加载一定的电压,两个极板将分别出现数量相等的正负电荷,因此电容器就储存了一定的电荷和电场能量。电容器的电容量称之为电容,表示电容器储存电荷的本领。电容器的电容量即电容是一个确定值,像一个简单又直观的平行板电容器,其大小与电容器的极板的正对面积、相对位置(两个极板间垂直距离)、极板间的电介质有关,与极板间的电压以及所带电荷量无关,由下面的公式即可看出,C=εS/4πkd,即C=(相对电介常数 x 两极板正对面积S)/(4π x 静电力常数k x 两个极板间垂直距离)。


电容器能够通交流、隔直流

由电容器的基本原理可知,其在充电过程中两个极板上不断累积正负电荷,当电荷充满时,电容器此时就相当于一个电源。随着放电过程进行,电容器又会将原有存储的电场能量又全部释放出来。由此可知,电容器的能量交换过程只与电源进行,而且这个过程电容器本身没有能量消耗,因此它是一种储能元件。

至于隔直流,因为直流电的大小和方向不随时间的变化而改变。当电容器通直流电处于充电过程,一旦电荷充满,此时电容器所在的直流电路中就相当于开关,于是电容器处于开路状态,这就是电容器的隔直流。

对于通交流,因为交流电的大小及方向随着时间不断交替变化。则电容器反复进行充电和放电,使电容器所在的交流电路出现连续的交流电,这就是电容器的通交流。

在生活中可以联想储水容器,给储水容器进行蓄水和排水就类似于电容器的充电和放电过程,储水容器类似于电容器,容器中的水类似于电荷量。电容器的充电过程,是电源把自由电子由一个极板上移动到另一个极板上,电源是克服正极板对电子的吸引力,以及克服负极板对电子的排斥力而做功,从而使电容器的两个极板上储存的电荷量不断增加。因此,充电过程是电源不停的搬运电荷的过程,是将消耗的能量转化为电场能储存的过程。


Talk工控小白



用户105226789123


因为电容是两块极板平行排列的,通电的时候一边带正电荷,一边带负电荷,直流电是有电荷的移动才会有电流,交流电是以每秒钟50hz(不同国家频率不同)的频率在变换,相当于每秒钟极板上的电荷都在变换,对于外界来说就是导通的。


没名字太难了


当电容器接到交流电源两端时,实际上自由电荷也没有通过两极木间的绝缘介质。不过,瞬电压在不断变化,当电压升高时,电容器充电,电荷向电容器的极板上聚集,形成充电电流。当电压降低时,电容器放电,电苘从板板上退出,形成放电电流。电源加在两极板上电压的大小和正负在不断地变化,电容器交替地进行充电和放电,电路中就有电流,表现为交流“通过‘’了电容器


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