电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)

首先,你应该已经知道:

  1. 异性相吸。(初中物理)
  2. 普通金属片里有相同数量的正电荷粒子和自由电子(带负电),所以对外显得电中和不带电的状态。(高中物理)
  3. 最简单的电容是由一对靠得近的金属平板组成的。(初中物理)
  4. 电源的本质是对正极的电子克服电场力做功,将其搬运至负极。(高中物理电动势一章,不记得也没关系,这里知道就行)
  5. 电流的定义:单位时间内导线截面通过的电子数。(高中物理)

好,可以开始了。本节讨论问题:【电容为什么能储电能,怎么徒手画电压电流充放电曲线】。

图1的电容就是由一对普通的金属平板对组成的,为了说得具体化,【由上述已知第2条】假设上面的金属板(后简称上极板)里只存在4对正负电荷的粒子对(实际上有不计其数对)。然后,突然在该电容两端加一个电源,下图是最初始的状态,上极板里的电荷还没来得及运动,下面我们一点点分析它们会怎么动。

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(1)

图1

电源正极带正电,【由上述已知第1条】电源正极成功吸引了1个上极板上的电子过去,原与之配对电中和的正电荷粒子标记成绿色(颜色是不是很贴切)。如下图(图2):

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(2)

图2

电源正极看,可以啊,很轻松嘛,那我再撬一个电子过来没问题吧,而后,上极板又失去一个自由电子,又一个正电荷粒子变绿。如下图(图3):

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(3)

图3电源正极一看,哟嚯,准备继续吸1个自由电子过来。这时候上极板上的发绿的正电荷粒子数已经有2个了,这些单身的正电荷粒子带正电,【由上述已知第1条】它们和电源正极一样也有吸引自由电子的能力啊,套用初中画力的示意图的方法,当两边的吸引力相等的时候,电源正极不再有能力吸引更多的自由电子过去了,这时候达到一个平衡。如图4:

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(4)

图4最后,电源正极吸引来的电子就一直在电源正极呆着吗?不对,【由上述已知第4条】电源的作用就是把这些电子再搬运到电源负极。所以,达到平衡后,电容两个极板电荷的分布如图5(假设下极板在初始时也同样拥有4对正负电荷粒子)。上极板失去的两个电子,最终其实达到了下极板。

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(5)

图5敲黑板啦!上面的过程,其实就是一个完整的电容充电过程。从时间上看,电源正极起初吸引最容易,受到的拉力(即图中f )最小,产生的电而后逐渐困难,上极板中的单身正电荷粒子越来越多,产生的拉力越来越大,最后达到平衡,电源正极不再能继续吸引电子,这时就叫充电完成。充电电流方向为电子移动方向的反方向,即从电源正极指向电容上极板。充电完成后,立即撤掉电源,换成一个电阻,如图6。【由上述已知第1条】下极板的两个电子受到上极板正电荷的吸引,按箭头方向跑到上极板,最终电中和。所以,产生了一个与箭头反方向的电流,这就是电容放电过程。

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(6)

图6敲黑板,请看电容放电分析!实际情况中,上极板的单身正电荷有无数个,下极板的单身电子有无数个,但数量是相等的。那么下极板的电子到达上极板就有先来后到了,从时间上看,一开始放电的时候,上极板单身正电荷最多,产生的吸引力最大,吸引最多的电子产生最大的电流。逐渐地,上极板的单身正电荷部分被电中和了,产生的吸引力就逐渐降低了,直到下极板的单身电子全部到达上极板,与上极板的单身正电荷电中和完成,电容的放电过程也就完成了。重重重重地敲黑板!关于电容的电压电流在充电和放电时随时间的曲线怎么画,掌握一个最重要的点:根据上面的详细分析,不管充电放电,电子的移动都是先容易后难。而电压和电流的变化都是电子移动带来的,所以不管是电压还是电流,不管是充电还是放电,曲线斜率都是先大后小。只要掌握了这个规律,结合大家容易掌握的知识,画出图7的曲线,应该是易如反掌了。

电容的充放电曲线图(一文彻底讲透电容)(7)

图7

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