电容电路中的电流和电压如何异相？

我们说在电容电路中，电压和电流异相。电流比电压高90（度）。这种效果的物理解释是什么？当电压为零（即电压的相位角为0且电流的相位角为90）时，电流如何流过电容性电路？

如果您想对如何实现有一个直观的了解，让我们首先考虑一个电感器，因为这样可以更好地进行物理类比。在带有感性负载的交流电路中，电压将电流引导90度。这与容性负载相反。

为什么？好吧，电感就像飞轮一样，给电流提供惯性。电压的专有名称是电动势​​。也就是说，这是导致电力移动的力量。当电流移动时，我们称其为电流。

想象一下飞轮。飞轮的角惯性（尺寸和重量）是感应器的值。电压是施加在飞轮上的力。当前是飞轮旋转的速度。现在，假设您对该飞轮施加了力。它不会立即开始旋转。相反，您施加的力量会加速它。现在，您向另一个方向施力。它不会立即反转方向。首先，它必须放慢速度，最后它将变成相反的方向。但是到它完成此操作时，您已经前进并再次改变了力量的方向。

如果您施加的力是正弦曲线，并且飞轮旋转时没有摩擦（阻力），则飞轮的速度将与所施加的力相差90度。

现在，去开发一个电容器的良好心理模型，并考虑同样的事情。仅在电流和电压反向或在另一个方向上相移时，它才有意义。

流经电容器的电流的公式为：

I = C *（dV / dt）

小d代表微小变化，称为delta（δ）。
这意味着电压变化越快，通过电容器的电流就越大。电容器充当微分器。
现在，如果我们在电容器两端连接一个正弦波电压，则电流的计算就是该电压的导数。

从微积分中我们知道sin（ωt）的导数是ωcos（ωt）：

如果我们绘制这些值：

您可以看到，当电压变化最快（在零交叉处）时，电流最大，而当电压不变时（在正弦波的峰值处）电流为零。我们可以清楚地看到90°相移。
这也解释了为什么电容器会阻止直流电而使交流电通过。

想想一个水箱，您可以在其中抽水或抽水，以使水箱的水位随着时间的推移呈正弦。现在考虑一下流入水箱的水流随时间变化的情况。当储罐液位处于任一峰值时，它不会改变，因此没有电流流入储罐。当水箱水位在中间时（水箱水位正弦为0）是指将最大水泵入或抽出的时间，具体取决于水箱水位在上升还是下降。

如果您再考虑一下，您将意识到泵入的电流与油箱液位上升的速度成正比。用数学术语来说，电流是水平的导数。现在不难发现，电流也是一个正弦波，并且领先坦克水平90°。

电容器几乎是一样的东西，除了现在的水箱水位是电压，而水电流是电流。

添加以回应评论：

是的，我知道这不是电容器工作原理的一个很好的类比。柔性膜是一个更好的类比。但是，问题不在于电容器是什么，而是为什么电压和电流彼此异相90°。我认为坦克的类比使它的可视化变得更加容易。

在电感器中，电压领先于电流，因为在电感器中，电流会受到阻力。您可以将其称为惯性，但基本上它是感应器通电时产生的电磁场。该场产生电流“动量”，因为当电源电压发生变化时，已经建立的磁场将试图维持相同的电流流动，从而减慢电流的“响应时间”。由于相同的“惯性”，磁场还抵抗初始加电。想象一个人，他的腿上绑着一个钢球-他是电压，球是他在拖曳的电流。一旦他可以使球滚动，它就不想停止。

另一方面，电容器通过向电子介质的一侧加载电子来工作。这次我们可以想像同一个人只用雪铲耕雪。雪（电流）超前90度异相，因为施加的电压与电容器的一侧堆积了多少多余的电子（电流）成正比。随着铲雪满满，到了一个不能再推动的地步-电容器和电源之间的电压为零，但是跨盖端进行测量将等于电源电压。流动的电子是催化剂，它在通过电容器时会改变电压，因此电流会超前相位。

可以通过水的类比直观地理解和解释相移思想。想象一下，您将水注满了正弦波，然后以图形方式描绘了此过程（将最大水位的一半选择为零，即地面）。

比喻。因此，您首先打开然后关闭（正弦）供应水龙头。但是请注意，无论您关闭水龙头（在过程的第二部分），水位都在继续上升……很奇怪，您关闭水龙头后水仍在继续上升……最后，水龙头完全关闭了（零电流），但水位（电压）最大。

现在，此时，您必须更改流量（当前）方向以使水位降低。为此，您可以打开（然后关闭）底部的另一个水龙头以抽水（现在从电容器中抽出电流）。但是再说一次，无论您关闭水龙头，水位都会继续下降……而且再次奇怪的是，您关闭水龙头，但水位仍然继续下降。最后，您已完全关闭水龙头（零电流），但水位将为最大负值（最大负电压）。

因此，所有这类存储类似压力的量（水，空气，沙子，金钱，数据等）的元素（称为积分器）背后的基本思想是：

只能通过改变输入流量样量的方向（电流，水流量，空气流量等）来改变输出压力样量的符号。它不能通过改变流量样的大小来改变。

电容器 现在让我们用电子方式完全解释这种现象。想象一下，我们通过一个正弦电流源来驱动电容器（“电流源”意味着尽管如此，它仍会产生并通过一个正弦电流）。无论电容器两端的电压（压降）是零（空电容器），正（充电电容器）还是负（反向充电电容器），我们的电流源都会以所需的方向将所需的电流通过电容器。电容器两端的电压不会阻止电流（它阻止但电流源会对其进行补偿）。

因此，直到输入电流为正（想象成正半正弦波），它都会进入电容器，并且尽管电流大小，电压仍会持续增加（仅变化率发生变化）...想象一下...电流迅速增加->减慢->快速减少...最后变为零。此时，电容器两端有一个最大电压（压降）。

因此，在电容器两端的最大电压下，没有电流流过……现在，电流改变其方向，并开始迅速迅速增大->减速->迅速减小...并再次变为零...一遍又一遍...

因此，在这种布置中，由于理想的输入电流源以某种方式补偿了电容器两端的电压降（损耗），因此相移恒定且正好为90度。

RC电路。现在让我们考虑无处不在的RC电路。首先，让我们构建它。由于直接通过电压源驱动电容器是不正确的，因此我们必须通过电流源驱动电容器。为此，让我们在电压源和电容器之间连接一个电阻器，以将输入电压转换为电流。因此，此处的电阻器充当电压-电流转换器。

想象一下输入电压VIN如何以正弦形式变化。开始时，电压迅速增加，电流I =（VIN-VC）/ R从输入源流经电阻器并进入电容器。输出电压开始逐渐增加。一段时间后，输入电压接近正弦峰值，然后开始下降。但是，直到输入电压高于电容器两端的电压，电流才继续沿相同方向流动。如上所述，奇怪的是，输入电压降低，而电容器电压继续升高。形象地讲，这两个电压彼此相对移动并最终相遇。此时，两个电压相等。电流为零，电容器电压最大。输入电压持续下降并变得小于电容器电压。

有趣的是，电容器充当电压源，将电流“推”入充当负载的输入电压源。在电源是电源之前，电容器是负载之前；现在，电源是负载，电容器是电源...

因此，两个电压变为相等并且电流改变其方向的时刻就是最大输出电压的时刻。请注意，这取决于输入电压的变化率（频率）：频率越高，电容器两端的最大电压越低...越晚力矩越...输入之间的相移越大。两个电压是...在最大频率下，电容器两端的电压不能从地移动，电流方向改变的时刻是当输入电压过零时（情况类似于电流提供器的布置）电容器）。

结论是，在这种配置中，由于输入电流源不完善，无法补偿电容器两端的电压降（损耗），因此当频率从零变化到无穷大时，相移会从零到90度变化。

这些解释基于旧的Wikipedia讨论。

在电感电路中，最初产生的反电动势很高，因为线圈被断电，并且施加在其两端的电压变化最大。此反电动势最初与电流相反。一旦施加在电感器上的电压变为零，之前产生的磁通量就会感应出一个称为剩余电流的电流，即使该电流达到零，该电流仍然存在。因此，电感电路会产生滞后。

我对电容电路中的电流引线没有适当的解释，这使我记住了一个领先的概念：电容器两端施加的电压沿一个方向增加时，它会充电，而当电压减小时，它会放电。基本上，它在电压增加时存储电荷。但是，达到电容时，即使电压增加，也不会吸收任何电流。同样，在放电过程中，电容器在电压达到零之前就放电了，因此无法再提供电流。因此，电容电路引线。

4）开始时，我们应该知道旋转电机产生的发电电压是正弦波类型，即每个周期有四个季度。第一季度-下降，第二季度-下降，第三季度-下降，第三季度-下降。在电容器中，在交流电第一象限（下降）期间，​​会发生充电，并且反电动势会从0逐渐增加到电源电压，并逐渐填充电荷。这里有两点需要注意：首先：由于AC电压是正弦型的，因此其边际上升是下垂型的（由Cos函数表示）。例如，以恒定时间间隔的瞬时电压模式可以说是v1 = 20，v2 = 35，v3 = 48，v4 = 58，v5 = 66，依此类推。第二：在连续充电过程中，当电源电压为v3时，电容器在该瞬间达到先前的电源电压（例如v2）。由于瞬时电流是由于瞬时电压差（vs –vc）在任何时刻而产生的；因此，随着时间的推移，电压差会下降，瞬时电流会减小。在电源电压最大值瞬间，边际差几乎为零；因此瞬时电流为零。电容器饱和。（注意：由于电阻非常小，由于时间常数τ= RC，即电容器电压几乎立即获得电源电压，因此生长周期可以忽略不计。但是，当vs = vmax Sinωt时，vc = vmax Sin（ωt-τ ））该反电动势被视为类似于电阻电路的等效电阻，称为电抗。瞬时电抗（xc）是基于时间的参数，与恒定的电阻不同，它从0到无穷大。为简单起见，在一般应用中使用平均电抗（Xc），并用充电结束时的Vmax除以充电开始时的Imax来测量（无意义！）。我已经解释了充电过程。类似地，可以可视化放电，反向充电，反向放电的过程。这类似于液压油箱的注油。可以看到反向放电。这类似于液压油箱的注油。可以看到反向放电。这类似于液压油箱的注油。