电容器如何阻挡直流电?


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我对此感到困惑!电容器如何阻挡直流电?

  • 我已经看到许多电路使用由直流电源供电的电容器。那么,如果电容器阻塞了DC,为什么还要在此类电路中使用它呢?
  • 另外,额定电压被称为电容器上的DC值。它代表什么?

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如果将直流电源施加到电容器,则它将通过直流即可。(当然,电压会增加,直到瓶盖爆炸为止。)
endolith 2011年

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如果将直流电压施加到电容器,则一开始它完全不会被阻塞。最终,电容器被充电并输出低直流电。那时没有电流流过。
richard1941

Answers:


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我认为这将有助于理解电容器如何在允许AC(交流电)的同时阻止DC(直流电)。

让我们从最简单的直流电源开始:电池:

只是一块电池

当此电池用于为某物供电时,电子被吸入电池的+侧,并从-侧推出。

让我们将一些电线连接到电池上:

附有电线的电池

这里仍然没有完整的电路(电线不会走到任何地方),因此没有电流流动。

但这并不意味着没有任何电流。您会看到,铜线金属中的原子由被电子包围的铜原子核组成。将铜线视为正铜离子,而电子会在周围浮动会有所帮助:

铜离子与电子的插图

注:我用的是象征ë -代表电子

在金属中,很容易将电子推到周围。在我们的情况下,我们装有电池。它实际上可以从导线中吸取一些电子:

电线上的电子运动

连接到电池正极的导线将电子吸。然后将那些电子从电池的负极推出,插入连接到负极的导线中。

重要的是要注意,电池不能清除所有电子。电子通常被它们留下的正离子吸引。因此很难去除所有电子。

最终,我们的红线将带有轻微的正电荷(因为缺少电子),黑线将带有轻微的负电荷(因为具有额外的电子)。

电线中的电荷导致电流流动

因此,当您首次将电池连接到这些电线时,只会流过少量电流。电池不能移动很多电子,因此电流流动非常短暂,然后停止。

如果断开电池连接,将其翻转并重新连接:黑色电线中的电子将被吸入电池中,并被推入红色电线中。再一次,只有极少量的电流流动,然后它将停止。


仅使用两根导线的问题在于,我们没有太多的电子来推动。我们需要的是大量的电子可玩-大量的金属。电容器就是这样:每条导线的末端附着有一大块金属。

有了这么大的金属,我们可以轻松推动更多的电子。现在,“正”侧可以吸收更多的电子,而“负”侧可以吸收更多的电子:

大表面上更多电荷的图示

因此,如果将交流电源施加到电容器,将允许一部分电流流动,但是过一会儿,电子将用光,从而停止流动。对于交流电源而言,这是幸运的,因为它随后会反转,并且允许电流再次流过。


但是为什么电容器的额定直流电压是

电容器不仅是两个金属块。电容器的另一个设计特征是它使用了两个彼此非常靠近的金属块(想象一下,一层蜡纸夹在两片锡箔之间)。

他们之所以使用被“蜡纸”隔开的“锡箔”,是因为他们希望负电子非常接近他们留下的正“孔”。这导致电子被吸引到正“空穴”上:

电容器极板之间的电荷吸引

因为电子是负的,而“空穴”是正的,所以电子被吸引到空穴上。这导致电子实际上停留在那里。现在,您可以取出电池,电容器实际上将保留该电荷。

这就是为什么电容器可以存储电荷的原因。电子被吸引到它们留下的空穴中。

但是那张蜡纸并不是理想的绝缘体。这将允许一些泄漏。但是,如果您堆积了太多的电子,就会出现真正的问题。电容器的两个“ 极板 ” 之间的电场实际上会变得如此强烈,以至于导致蜡纸破裂,从而永久损坏电容器:

电容器极板击穿

实际上,电容器不再是由锡箔和蜡纸制成的;他们使用更好的材料。但是仍然存在一个“电压”点,两个平行板之间的绝缘子击穿,从而损坏了设备。这是电容器的额定最大直流电压。


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+1很棒的解释,图片和以示例为基础。
JYelton

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+1。我曾经在电容器上阅读过的最好的解释之一。
cbmeeks 2014年

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很好的解释,但不能直接回答OP的问题:使用AC,您的电压会瞬间变化。在AC波的每个点处,电压都在变化,并且在ckt中有电容器时,电压的这种变化/变化可以通过强度变化的电场跨过电介质传输到另一侧/板。因此,即使电介质是电子流动的绝缘体,电流仍会在电路中流动。

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您需要以具有电子/分子极化的波作为波的手段/介质来思考这一问题。

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@Fennekin电容器不允许直流电流单独流动,串联或并联。但是,这再次处于稳定状态。初期仍会有一些潮流。它们是串联,并联还是单独连接。
伊恩·博伊德

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让我看看是否可以在其他3个答案中添加一个观点。

电容器在高频下表现为短路,而在低频下表现为开路。

因此,这是两种情况:

电容器与信号串联

在此处输入图片说明

在这种情况下,AC可以通过,但DC被阻止。通常将其称为耦合电容器。

电容器与信号并联

在此处输入图片说明

在这种情况下,DC可以通过,但AC接地短路,导致其被阻塞。通常将其称为去耦电容器。

什么是交流电?

我使用了“高频率”和“低频率”这两个术语,因为它们实际上没有任何关联的数字。我这样做是因为认为高低取决于电路其余部分的情况。如果您想了解更多有关此的信息,可以阅读Wikipedia上的低通滤波器或我们的一些RC滤波器问题。

额定电压

电容器上看到的电压是在开始存在电容器物理损坏的危险之前,可以安全地施加到电容器的最大电压。有时这会发生爆炸,有时是火灾,有时甚至是变热。


凯伦,非常感谢您使用图片,但我没有找到关于瓶盖如何阻挡DC 的答案。您只是说是。
stevenvh 2011年

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@Stevenvh我感到OP的困惑不是关于它如何阻止DC的物理原理,而是关于为什么它阻止DC的原因。另外,我认为您的答案在更实际的水平上做了很好的解释,并且认为我无法比您更好地解释这一部分。
2011年

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原因在于相反的电荷相互吸引。电容器是由两个导电板组成的紧凑结构,由非常薄的绝缘体隔开。如果将DC放在其一侧,则一侧将带正电,而另一侧将带负电。两种电荷相互吸引,但不能通过绝缘层。没有电流。这就是DC故事的结尾。
对于AC,情况有所不同。一侧将依次带正电荷和负电荷,并分别吸引负电荷和正电荷。因此,势垒一侧的变化会引起另一侧的变化,从而使电荷似乎越过势垒,并且电流有效地流过电容器。

一个已充电的电容器总是直流充电的,即一侧带有正电荷,另一侧带有负电荷。这些电荷是电能存储,这在许多电路中都是必需的。

最大电压由绝缘势垒确定。超过一定电压,它将击穿并产生短路。这可能在直流下发生,但在交流下也可能发生。


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一种简单的思考方法是,串联电容器可阻止直流电,而并联电容器则有助于保持稳定的电压。

这实际上是两种具有相同行为的应用程序-电容器会做出反应,以尝试使自身两端的电压保持恒定。在串联情况下,消除稳定的电压差是很高兴的,但是任何一侧的突然变化都将传递到另一侧,以保持电压差恒定。在并联情况下,电压的任何突然变化都会受到反应。


好简单的答案,荣誉
vicatcu 2011年

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在电容器两端通过给定电压在电容器极板上产生的电荷量受以下公式控制:

Q=C×V(电荷=电容*电压)

区分双方(电流是电荷的时间导数),得出:

I=C×dVdt(电流=电容*电压变化率)

直流电压等于。dVdt=0

因此,对于直流电压,电容器不允许电流“流过”(即,它会阻塞直流)。

的电压跨过电容器的板也必须改变以连续的方式,使电容器具有“举起”的电压一旦被充电到它,直到电压可以通过电阻放电的效果。因此,电容器的一个非常普遍的用途是稳定电源电压并使电源与地面去耦。

额定电压是在静电力破坏板之间的介电材料的材料特性(使它像电容器一样破裂)之前可以在板上施加的电压量:)。


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这不是一个非常技术性的答案,但是我发现它是一个图形化的解释,非常有趣和简单:

在此处输入图片说明


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是的,很好,但是如果您实际上试图解释该交流路径,将会遇到麻烦!:-)
stevenvh 2012年

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@stevenvh是的,我当然知道这有点愚蠢,但是我一直觉得它很聪明:)
clabacchio

它是一个怪异的答案:D:D:D:D:D
周二

实际上,它对我的​​理解非常有帮助,可以使我清楚地了解什么是电容器。感谢你!
Bonjour先生2013年

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我对这些问题的回答永远是“水”。流经管道的水是流经电线的电流的令人惊讶的准确类比。电流是流过管道的水量。电压差成为水压差。管道应平放,因此重力不起作用。

在这样的类比,一个电池是一个水泵和一个电容器是橡胶膜,其完全阻断的管。DC是不断通过管道向一个方向流动的水。AC是一直来回流动的水。

考虑到这一点,很明显电容器会阻塞DC:由于膜只能拉伸到这么远,所以水不能仅保持向同一方向流动。膜拉伸时会有一定的流量(即电容器充电),但在某一时刻它会变得足够拉伸以完全平衡水压,从而阻止任何进一步的流量。

同样显而易见的是,电容器不会完全阻塞交流电,但它确实取决于膜的性能。如果膜具有足够的弹性(高电容),它将不会对快速来回流动的水造成挑战。如果膜确实很硬(例如,一块塑料薄片),则表示电容低,并且如果水来回缓慢流动,则这种流动将被阻止,但非常高的频率振荡仍会使其通过。

这种类比对我是如此有用,以至于我真的想知道为什么它没有被更广泛地使用。


一位朋友帮助我理解了为什么这种类比法没有得到更广泛的应用:显然,他对管道中的水流动的直觉与对电线中电流的直觉一样少!
罗曼·斯塔科夫

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首先,电容器会阻止DC,并且对AC的阻抗较低,而电感器会阻止AC,但很容易通过DC。“阻塞”是指它为我们正在谈论的信号提供了高阻抗。

但是,首先,我们需要定义一些术语来解释这一点。你知道什么是抵抗吗?电阻是导致电流消耗的电流的相反方向,以瓦特为单位。电流是AC还是DC都没有关系,理想电阻器消耗的功率对于这两者都是相同的。

因此,电阻是电流的一种“阻抗”。还有另外两个-“电感电抗”和“电容电抗”。两者都以欧姆为单位进行测量,就像电阻一样,但是两者都不同,一方面,它们随频率而变化,另一方面,它们实际上并没有像电阻那样消耗功率。因此,总共有3种阻抗-电阻性,电感性和电容性。

电感器的阻隔或阻抗量可以通过以下方式确定:

XL=2πfL

其中2pi约为6.28,f是信号的频率(显然是AC),L是用亨利度量的电感,而“ X sub L”是以欧姆为单位的感抗。

感抗是由于电感引起的元件阻抗。它是一种电阻,但实际上并没有像电阻器那样消耗瓦特的功率,并且由于需要提供频率的“ f”,因​​此给定电感器的值会随频率而变化。

请注意,随着频率的升高,阻抗(交流电阻)也以欧姆为单位。并请注意,如果频率等于零,那么阻抗也是如此-频率为零表示直流,因此电感器实际上对直流电流没有任何电阻。随着频率的升高,阻抗也随之升高。

电容是相反的-电容电抗的公式为

XC=12πfC

此处,C是电容器的电容,以法拉为单位,“ 2pi”和“ f”与上面相同,“ X-sub-C”是电容电抗,以欧姆为单位。请注意,在这里,电抗被频率和电容“除以”-这导致阻抗值随频率和电容而降低。因此,如果频率高,则阻抗会低;如果频率接近零(即直流),则阻抗几乎是无限的-换句话说,电容器会阻塞DC,但会通过AC,且频率越高交流信号的阻抗越小。


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我将采用最短答案的定性分析方法:

实际上,直流电源线上的电容器可以使所有可能会流到电源线上的交流信号短路,因此可以减少直流电路上的交流量。

盖子上的额定电压是盖子应该看到的最大电压(DC 任何存在的交流电之!)。超过此电压,上限将失效。

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