电容器如何在流过电流的同时存储电荷？

人们常说电容器存储电荷。只需阅读Wikipedia，我就会发现：

丹尼尔·格拉拉斯（Daniel Gralath）是第一个将多个广口瓶并联成一个“电池”以增加电荷存储容量的人。本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）对莱顿罐进行了调查，得出的结论是，电荷被储存在玻璃上，而不是其他人所假设的水中。

由于导体（或极板）靠近在一起，导体上相反的电荷由于它们的电场而相互吸引，因此与给定的电压相比，电容器可以在分开的导体上存储更多的电荷，从而使电容器具有较大的电容。

Q是存储在电容器中的电荷

电荷以库仑为单位测量，从电容的定义中可以知道，如果1F电容器的电压为1V，则其中将存储1C的电荷。如果一个库仑是6.241×10 ^18个电子，那么该电容器中某处应该有6.241×10 ^18个电子。

但是现在考虑一下。如果使用电容器作为某些交流电压源的负载，则将流过一些电流（精确的量取决于电压，频率和电容）：

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

我知道电流一直流过该电路，因为如果在灯泡的任一侧放一个灯泡，灯泡就会点亮。但是，如果电流流过该电路，电容器如何“存储电荷”？换句话说，如果电流在电路中流动，我怎么能将电子放入电容器中，这意味着对于我放入电容器中的所有电子来说，相同数量的电子从另一端出来？如果我不取出电子就不能放入电子，那么电容器如何存储它们？

这简单。电容器不存储电荷，而是存储能量。完整电容器中的净电荷（而不是单个板或绝缘体）永远不会改变。一个板上的负电荷的增加与另一板上的负电荷的减少正好平衡。因此，当电流进入一个端子时，相等的电流必须离开另一端子。

这是卡通版本，但对我有用。

电容器中有一个绝缘间隙，因此单个电子不能从一个端子传播到另一个端子。因此，进入的电子与从另一侧射出的电子不同！取而代之的是，入射电子“停”在一块板上。但是该电子的电场从另一侧排斥电子，该电子从另一极板出来，最终到达源极。我们有完整的电路，但是电子在一个板上积聚，而空穴在另一个板上积聚！

现在，板上可以积聚多少电子是有限制的。电子彼此排斥，所以电子越多，另一电子就越难以粘附。我们需要一些迫使他们一起呆在盘子上的东西。那是电压。相反，电子试图互相排斥的事实也是一个电压，即试图使电子在电路中移动的力。

现在，当一个进入的电子使另一个板上的一个电子击中时，离开的电子比进入的电子具有更少的能量，这说明了充电电容器两端的电压降。

当然，即使没有宏观尺度的电子，电子也不会保持静止。他们都互相排斥，互相“反弹”。如果这些场变得太强（电压太高），则相互作用会导致电子穿透板之间的介电势垒。当极板上的电压过高时，盖的泄漏电流会上升。而且如果持续时间太长，电介质会损坏，并且您再也没有一个很好的电容了。

收费可能意味着很多事情。我们可以谈论为电容器充电，例如为炸弹或预付信用卡充电。我们还可以带走以库仑为单位的电荷。

实际上，约6.241×10 ^18个电子确实产生1C的电荷。但是，当人们谈论电容器中的电荷时，他们并不是在谈论电容器中的电子，就像谈论饼干罐中的饼干一样。他们在谈论其他事情。这很令人困惑，但这仍然是他们所做的。

他们实际上在谈论的是电流的积分。也就是说，流过的平均电流乘以流过的时间。如果电流以安培为单位，时间以秒为单位，那么当您将电流乘以时间后，就会得到以安培秒为单位的单位。而且，如果您还记得的话，安培表示每秒1库仑。从而：

也就是说，安培秒是库仑。电流的积分是电荷。因此，当有人说，一个电容“存储电荷1C”，他们并不意味着有电容器的电子1C，他们收取的平均1C已通过通过电容。电容器“存储”了这么多的电荷，因为它现在包含足够的能量，可以将1C的电荷反推回去。

最好将电容器视为能量存储设备，而不是电荷存储设备。当电流流入电容器时，电压会累积在端子上。该电压由板之间的距离分开，从而产生电场。该场是存储能量的地方。另一方面，电感器通过磁场存储能量。

随着电流的流动，相反的电荷会累积在电容器的每个相对板上。电子正试图绕过电路，但它们停在电容器的极板上，一侧留有负电荷，而另一侧留有正电荷。每个电荷的大小可以用以下公式描述：

C = Q / V

电流将持续流动，电荷将继续累积，直到带有电容器的电路稳定为止。例如，如果电路只是一个电池，一个电阻和一个串联的电容器，电流将继续流动，直到电容器电压等于电池电压为止。因此，在没有电流变化的稳态DC电路中，电容器表现为开路，其累积电荷与端子两端的电压和电容成正比。

但是，对于任何非直流电路，描述电容器行为的更好方法是：

我= C *（dV / dt）

因此，如果您使用正弦波电压源，则“流经”电容器​​的电流会不断变化，并且累积的电荷永远不会稳定。想象一下，来回翻转一个装满水的半个瓶子。水不像直流电路中的电流那样连续不断地流动，但它仍在起作用。如果您在水瓶中装有一些怪异的涡轮机装置，它将不断旋转，直到以另一种方式倾斜水瓶时才停止改变方向。

最后，在直流电路中，相等且相反的电荷存储在电容器的每个侧板上。电容器根本不存储电子。它存储费用。由于外部电压差的作用，电子从一侧一直到电路的另一侧。结果是电子在一侧集中，而另一侧不存在，即电荷。在交流电路中，会发生相同的现象，但是这种现象一直在变化。一旦电源电压发生变化，电子就不会以相同的方式被吸引到极板上并开始移动。如果这些电子碰巧通过了像灯泡这样的负载，它们将起作用，灯泡将打开。因此，电流实际上并未在电路周围流动。它就像瓶子里的水一样来回晃动。然而，灯泡点亮所需要的只是移动电子。灯泡不在乎它们以哪种方式移动，只要切换速度足够快，您的眼睛就不会察觉方向的变化。

我还要指出的是，我们在谈论理想电容器。实际上，在足够高的频率下，电容器看起来就像电感器（V = L *（di / dt））。

编辑：

要回答特定问题：电容器中的电荷存储在哪里？

在一个完整的电容器内，不会存储任何净电荷。但是，使用平行板模型，在每个板上都放置了等量和相反量级Q的电荷。当向电容器施加外部电压时，电子以较高的电位从板上逃逸，并以较低的电位被吸引到板上。这些累积的电子在该板上形成负电荷，而另一板没有电子形成正电荷。每个总电荷Q的实际大小取决于电压V和电容C。