一文徹底講透電容— 充放電曲線的秘訣

作為電子專業(yè)（EE）的學(xué)生，應(yīng)當(dāng)對三大基礎(chǔ)元件之一的電容相當(dāng)熟悉才對。但下面的問題，是不是常常困擾你：【電容為什么能儲電能，為什么隔直通交，為什么可以濾波，為什么兩端電壓不能突變，怎么徒手畫電壓電流充放電曲線，怎么理解I=C(du/dt)和Q=CU，怎么理解電容電壓滯后電流90度，怎么用儀器測量電容】等。

帶有電容的電路分析往往不太容易下手，讓我們用一篇文章徹底理順?biāo)?，開始吧！

首先，你應(yīng)該已經(jīng)知道：

異性相吸。（初中物理）

普通金屬片里有相同數(shù)量的正電荷粒子和自由電子（帶負(fù)電），所以對外顯得電中和不帶電的狀態(tài)。（高中物理）

最簡單的電容是由一對靠得近的金屬平板組成的。（初中物理）

電源的本質(zhì)是對正極的電子克服電場力做功，將其搬運至負(fù)極。（高中物理電動勢一章，不記得也沒關(guān)系，這里知道就行）

電流的定義：單位時間內(nèi)導(dǎo)線截面通過的電子數(shù)。（高中物理）

好，可以開始了。本節(jié)討論問題：【電容為什么能儲電能，怎么徒手畫電壓電流充放電曲線】。

圖1的電容就是由一對普通的金屬平板對組成的，為了說得具體化，【由上述已知第2條】假設(shè)上面的金屬板（后簡稱上極板）里只存在4對正負(fù)電荷的粒子對（實際上有不計其數(shù)對）。然后，突然在該電容兩端加一個電源，下圖是最初始的狀態(tài)，上極板里的電荷還沒來得及運動，下面我們一點點分析它們會怎么動。

電源正極帶正電，【由上述已知第1條】電源正極成功吸引了1個上極板上的電子過去，原與之配對電中和的正電荷粒子標(biāo)記成綠色（顏色是不是很貼切）。如下圖（圖2）：

電源正極看，可以啊，很輕松嘛，那我再撬一個電子過來沒問題吧，而后，上極板又失去一個自由電子，又一個正電荷粒子變綠。如下圖（圖3）：

電源正極一看，喲嚯，準(zhǔn)備繼續(xù)吸1個自由電子過來。這時候上極板上的發(fā)綠的正電荷粒子數(shù)已經(jīng)有2個了，這些單身的正電荷粒子帶正電，【由上述已知第1條】它們和電源正極一樣也有吸引自由電子的能力啊，套用初中畫力的示意圖的方法，當(dāng)兩邊的吸引力相等的時候，電源正極不再有能力吸引更多的自由電子過去了，這時候達(dá)到一個平衡。如圖4：

最后，電源正極吸引來的電子就一直在電源正極呆著嗎？不對，【由上述已知第4條】電源的作用就是把這些電子再搬運到電源負(fù)極。所以，達(dá)到平衡后，電容兩個極板電荷的分布如圖5（假設(shè)下極板在初始時也同樣擁有4對正負(fù)電荷粒子）。上極板失去的兩個電子，最終其實達(dá)到了下極板。

敲黑板啦?。?！上面的過程，其實就是一個完整的電容充電過程。從時間上看，電源正極起初吸引最容易，受到的拉力（即圖中f+）最小，產(chǎn)生的電而后逐漸困難，上極板中的單身正電荷粒子越來越多，產(chǎn)生的拉力越來越大，最后達(dá)到平衡，電源正極不再能繼續(xù)吸引電子，這時就叫充電完成。充電電流方向為電子移動方向的反方向，即從電源正極指向電容上極板。

充電完成后，立即撤掉電源，換成一個電阻，如圖6?！居缮鲜鲆阎?條】下極板的兩個電子受到上極板正電荷的吸引，按箭頭方向跑到上極板，最終電中和。所以，產(chǎn)生了一個與箭頭反方向的電流，這就是電容放電過程。

敲黑板，請看電容放電分析！??！實際情況中，上極板的單身正電荷有無數(shù)個，下極板的單身電子有無數(shù)個，但數(shù)量是相等的。那么下極板的電子到達(dá)上極板就有先來后到了，從時間上看，一開始放電的時候，上極板單身正電荷最多，產(chǎn)生的吸引力最大，吸引最多的電子產(chǎn)生最大的電流。逐漸地，上極板的單身正電荷部分被電中和了，產(chǎn)生的吸引力就逐漸降低了，直到下極板的單身電子全部到達(dá)上極板，與上極板的單身正電荷電中和完成，電容的放電過程也就完成了。

重重重重重重地敲黑板?。?！關(guān)于電容的電壓電流在充電和放電時隨時間的曲線怎么畫，掌握一個最重要的點：根據(jù)上面的詳細(xì)分析，不管充電放電，電子的移動都是先容易后難。而電壓和電流的變化都是電子移動帶來的，所以不管是電壓還是電流，不管是充電還是放電，曲線斜率都是先大后小。只要掌握了這個規(guī)律，結(jié)合大家容易掌握的知識，畫出圖7的曲線，應(yīng)該是易如反掌了。

審核編輯 黃昊宇