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電容充滿電相當于短路

生活 更新时间:2024-09-29 19:19:30

“電容充電相當于短路,那電容後面的電路上還會有電流嗎?”根據這句話,我繪制對應的圖,如下:

電容充滿電相當于短路(電容充電相當于短路)1

圖1:電容的充電電壓曲線和電阻的電流曲線

圖1的左圖,我們看到了電路圖。當我們在時刻0把開關K閉合,電容當然就開始充電。電容的後部是電阻R,題主的提問相當于:電阻R上是否會有電流流過?

答案是顯然的:電阻上當然有電流流過,而且這電流的供應者是電源E。

從題主的提問方式看,題主忽略了或者根本就沒有意識到電容的暫态效應。電容後部的電流,其實就是暫态電流。

電阻兩端的電壓:

電容充滿電相當于短路(電容充電相當于短路)2

電壓波形見圖1中黑色的曲線

流過電阻R的電流:

電容充滿電相當于短路(電容充電相當于短路)3

電流波見圖1中藍色的曲線

現在,我來描述具體的過程。

1)初始時刻

當我們在時刻零把開關閉合。注意:電容兩端的初始電壓為零,在開關閉合瞬間,電容兩端的電壓不可能立即發生變化,這就是題主所謂的電容在(開始)充電瞬間相當于短路的原因。也因此,電阻R兩端的電壓就等于電源電動勢E,而流過電阻R的電流自然就等于E/R了。

2)過渡過程

過渡過程與時間常數T有關,我們先來研究它。

電容充滿電相當于短路(電容充電相當于短路)4

原來,電阻R與電容C的乘積就是時間。如果電阻的單位是歐姆,電容的單位是法拉,則時間常數T的單位就是秒。

我們把電流I按時間等于1T、2T、3T和4T來折算一下,看看電流的變化。

電容充滿電相當于短路(電容充電相當于短路)5

我們從藍色的曲線中能明确地看到這一點。問題在于:流過電阻的電流從哪兒來的?其實前面已經說了,電流當然來自電源。由于電容與電阻是串聯關系,相當于電容因為充電的原因它的電壓不斷地上升,電阻上的電壓不斷地下降,電流不斷地減小就是了。當時間超過5T後,我們認為電容的充電過程已經結束,電流也減小到零了,過渡過程也就此閉幕。圖1中,我們能看到電容的充電電壓曲線(紅色),它與電阻的電壓曲線(黑色)正好是對偶的。在電容充電伊始t=0時,電容電壓Uc=0,而電阻電壓UR=E;當電容充電完成後,t>4T,電容電壓Uc=E,而電阻電壓UR=0。時間t在0和4T(或者5T)之間就是過渡過程。對于題主來說,這一點一定要徹底地弄明白。3)結論我們看到,電容和電阻是串聯的,所以流過電容和電阻的電流當然是相等的。而電容和電阻又與電池相接,所以電流是由電源提供的。

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