如何理解电容?


你先搞明白电容“充放电”的原理,剩下就全都是自然而然的了。

理工科知识都这样,基础不牢,后面说什么都是对牛弹琴。

电容充放电原理又是什么呢?

很简单,丝绸摩擦玻璃棒,玻璃棒带电了,对吗?

为什么玻璃棒会带电?因为它上面的电子转移到丝绸上面去了,于是微观上,带负电的电子少了一大片,出现了“亏空”,所以它就带了正电荷。这就叫“静电”。

进一步的,我们把带电的玻璃棒和验电器接触,验电器的铝箔是不是张开了?

为什么会张开呢?

因为验电器上面的一部分电子转移给了玻璃棒,中和了它所携带的“正电荷”——同时也使得验电器本身带了正电。

你看,说来说去都是电子的迁移,对吧。


当然,这些说的是静电。

我们知道,静电可以通过导电物“放电”。秋冬季正是静电的高发季节,如果天气干燥,你大概已经吃过不少次静电的“苦头”了吧?

通过导线连接玻璃棒和验电器,电子就会沿着导线完成转移——和你直接用玻璃棒接触验电器的效果毫无差别。

这个过程中,导线中就产生了“电流”。只是这个电流持续时间极短,啪一下闪个电火花,没了。

为什么没了呢?因为玻璃棒和验电器之间已经没有“电位差”了。

你一半,我一半,现在大家都带正电,电势相当,自然就不可能继续存在什么电流了。

那么,如果可以想出一个办法,使得电位差一直存在……电流是不是就可以一直存在了呢?

没错。

比如,通过原电池反应,我们就可以在原电池的正负极之间一直保持一个电位差;那么当用导线连接它们时,我们就得到了“稳恒电流”。


类似的,如果我们把两片铝箔放的很近、然后用金属线把它们分别和原电池正负极连接时,会发生什么?

显然,接正极的铝箔带了正电,接负极的铝箔带了负电。

你可以找一个 6.3 伏 1000uF 的铝电解电容器,和干电池正负极相连(注意接对正负级)——现在,取下电容器,用镊子短接它的两个引脚,是不是会啪的一声同时闪烁个电火花?

这就是电容器的充放电。


你可能注意到,我前面提到的电容器是“铝电解电容”,而且这种电容居然还分正负极!

——啊,我本来就够晕了!你就别再拉扯奇奇怪怪的东西进来了!

我猜题主一定会这样哀嚎。

但理工科有一点很“诡异”:一旦掌握了根本,你拉扯进来的东西越多,它反而越能帮你深入理解相关知识。

——学习理工科的乐趣,恰恰正在于此。

让我们从头再走一遍吧。

还是两片铝箔,我们分别用带正电的玻璃棒和带负电的橡胶棒接触它们,使它们分别带上正负电荷。

很好。

你会注意到,这两片铝箔彼此相吸。你知道这是静电吸力的作用——归根结底是电场的作用……

现在,我们把两片铝箔慢慢分开……

这个过程中,我们需要抵抗静电力做功;拿的越远,我们做的功就越多……同时两片铝箔间的电势差也在增长。

但是,整个过程中,两片铝箔上带的电荷数量并没有变化。

这说明什么呢?

说明当两片铝箔隔的比较远时,给它们充上同样多的电荷,需要提供的电功就会更高——不然就要违反能量守恒定律了。

类似的,当两片铝箔隔的比较近时,由于不同电荷之间的互相吸引,给它们充上同样多的电荷就更“容易”——这是从电场原理出发的“补刀”。

一个物理现象往往可以从多个不同方向解释,不一定非要死磕能量守恒(而这种从多个不同方向解释、最终结论却完全一致的现象,就是“自洽”。一切可靠的理论,其内部一定是自洽的)。

我们把“充入电荷的容易程度”叫做“电容量”。

从我前面的论述,在搭配一点点电场 / 电势能 / 做功方面的知识,很容易推出:电容量和极板面积成正比,和极板距离成反比——介电常数太高端,咱暂时就不管了。

嗯,你看,掌握了根本,连电容公式咱都用不着求人,自己都能猜个八九不离十,对吧。

显然,要把电容做大,一个是极板的面积要大(所以需要用大片铝箔卷起来),另一个是极板之间的距离要低。

电解电容器就是利用铝极板表面不导电的氧化铝层作为间隔,和电解液充当的另一个电极构成了一个电容器。这个氧化层极薄,因此电解电容器才能用很小的体积做到很大的电容量。

缺点就是,它只能接受一个方向的充电。一旦接反,氧化铝层就会被侵蚀、破坏,电容器就坏掉了——这里又和电化学知识串起来了。

物理 / 化学就这点好玩。你思考的越多,就越会发现,似乎一切一切知识,最终都能归结到很少几条简单的道理上。

最终,你似乎并没有学到任何新知识,只是对牛顿三定律能量守恒等等等等理解的越来越深刻了;而这种深刻反过来能帮你触类旁通,甚至独立发明 / 发现出新的东西——就好像电容量公式一样。

学的越多,懂的越少;但却越发能应付更多、更复杂的场景。一旦你有了这个感觉、然后在新知识中验证通过,你就知道,你大概是把知识学到手了。


嗯,现在,电容器那神秘的面纱是不是已经不存在了?

一旦理解到这个程度,题主的问题就完全不算是问题了。

电容器充放电的原理明白了,那么“电容器两端电压不能突变”自然也一下子就能推出来了:电容两端的电压由电容器极板上的电荷量以及极板间的距离决定;电荷需要一点一点的充放、距离也不存在“瞬移”,电容两端的电压自然就不能突变了。

类似的,为什么电容器不允许直流电通过?

很简单,它中间是断的,两片铝箔并未接触。

刚接入电源时,当然会有电流给它充电;但一旦两片铝箔间的电压被充至电源电压,电路中自然就没了电流。

因此,电容器无法让直流电通过。

为什么电容器允许交流电通过?

因为交流电路相当于一个正负极不断变化的电源。

刚接入电容器时,它也会像直流电路一样为电容器充电;但是给电容器充满电后,它的输出电压仍在改变(所以才有电容电流和交流电路电压相差 90°这个事实),甚至就连电压方向都在改变。

于是,当它的电压低于电容器两极电压时,电容器就开始放电;当它的电压极性方向转换后,它又从另一个方向给电容器充电……

正因为交流电路的电压没一刻固定,接入其中的电容器自然一刻不停的在充放电之间转换。而这个持续不断的充放电过程就使得电路中一直存在电流。

打个比方的话,直流电就好像环形赛道,在外部电路,电子从负极出发沿电路跑到正极;而在电源内部,电子又被化学能 / 电磁场从正极搬到负极,一刻不停。于是就有了电流。

(准确的说,并不一定是把电子搬到负极;比如电池内部就是通过化学反应在负极产生过量的电子,从而维持了正负极之间的电势差——当电池未接入电路时,“过量的电子”还能阻止负极化学反应继续进行。因此,未使用的电池负极锌板并不会很快的被消耗掉。直到你接通正负极、使得负极那“过量的电子”被送往正极、快速消耗掉。)

而电容器会阻断这个过程(电路是断开的),电子们给它充满电后,路上就被堵到动弹不得了。

而交流电就好像 AB 两个城市,上午汽车从 A 开到 B,下午汽车从 B 开到 A。

现在两个城市之间道路断了,但在断点附近修了两个巨大的停车场;于是上午的汽车仍然可以从 A 向 B 出发,只是会停到中间停车场;到了下午,中间停车场的汽车回到 A、同时从 B 开来一些汽车,停到断点靠近 B 的那一侧。

你看,虽然汽车并不能实际的从 A 开到 B,但由 A 向 B 以及由 B 向 A 的车流却可以存在。

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