一文彻底讲透电容— 充放电曲线的秘诀

作为电子专业（EE）的学生，应当对三大基础元件之一的电容相当熟悉才对。但下面的问题，是不是常常困扰你：【电容为什么能储电能，为什么隔直通交，为什么可以滤波，为什么两端电压不能突变，怎么徒手画电压电流充放电曲线，怎么理解I=C(du/dt)和Q=CU，怎么理解电容电压滞后电流90度，怎么用仪器测量电容】等。

带有电容的电路分析往往不太容易下手，让我们用一篇文章彻底理顺它，开始吧！

首先，你应该已经知道：

异性相吸。（初中物理）

普通金属片里有相同数量的正电荷粒子和自由电子（带负电），所以对外显得电中和不带电的状态。（高中物理）

最简单的电容是由一对靠得近的金属平板组成的。（初中物理）

电源的本质是对正极的电子克服电场力做功，将其搬运至负极。（高中物理电动势一章，不记得也没关系，这里知道就行）

电流的定义：单位时间内导线截面通过的电子数。（高中物理）

好，可以开始了。本节讨论问题：【电容为什么能储电能，怎么徒手画电压电流充放电曲线】。

图1的电容就是由一对普通的金属平板对组成的，为了说得具体化，【由上述已知第2条】假设上面的金属板（后简称上极板）里只存在4对正负电荷的粒子对（实际上有不计其数对）。然后，突然在该电容两端加一个电源，下图是最初始的状态，上极板里的电荷还没来得及运动，下面我们一点点分析它们会怎么动。

电源正极带正电，【由上述已知第1条】电源正极成功吸引了1个上极板上的电子过去，原与之配对电中和的正电荷粒子标记成绿色（颜色是不是很贴切）。如下图（图2）：

电源正极看，可以啊，很轻松嘛，那我再撬一个电子过来没问题吧，而后，上极板又失去一个自由电子，又一个正电荷粒子变绿。如下图（图3）：

电源正极一看，哟嚯，准备继续吸1个自由电子过来。这时候上极板上的发绿的正电荷粒子数已经有2个了，这些单身的正电荷粒子带正电，【由上述已知第1条】它们和电源正极一样也有吸引自由电子的能力啊，套用初中画力的示意图的方法，当两边的吸引力相等的时候，电源正极不再有能力吸引更多的自由电子过去了，这时候达到一个平衡。如图4：

最后，电源正极吸引来的电子就一直在电源正极呆着吗？不对，【由上述已知第4条】电源的作用就是把这些电子再搬运到电源负极。所以，达到平衡后，电容两个极板电荷的分布如图5（假设下极板在初始时也同样拥有4对正负电荷粒子）。上极板失去的两个电子，最终其实达到了下极板。

敲黑板啦！！！上面的过程，其实就是一个完整的电容充电过程。从时间上看，电源正极起初吸引最容易，受到的拉力（即图中f+）最小，产生的电而后逐渐困难，上极板中的单身正电荷粒子越来越多，产生的拉力越来越大，最后达到平衡，电源正极不再能继续吸引电子，这时就叫充电完成。充电电流方向为电子移动方向的反方向，即从电源正极指向电容上极板。

充电完成后，立即撤掉电源，换成一个电阻，如图6。【由上述已知第1条】下极板的两个电子受到上极板正电荷的吸引，按箭头方向跑到上极板，最终电中和。所以，产生了一个与箭头反方向的电流，这就是电容放电过程。

敲黑板，请看电容放电分析！！！实际情况中，上极板的单身正电荷有无数个，下极板的单身电子有无数个，但数量是相等的。那么下极板的电子到达上极板就有先来后到了，从时间上看，一开始放电的时候，上极板单身正电荷最多，产生的吸引力最大，吸引最多的电子产生最大的电流。逐渐地，上极板的单身正电荷部分被电中和了，产生的吸引力就逐渐降低了，直到下极板的单身电子全部到达上极板，与上极板的单身正电荷电中和完成，电容的放电过程也就完成了。

重重重重重重地敲黑板！！！关于电容的电压电流在充电和放电时随时间的曲线怎么画，掌握一个最重要的点：根据上面的详细分析，不管充电放电，电子的移动都是先容易后难。而电压和电流的变化都是电子移动带来的，所以不管是电压还是电流，不管是充电还是放电，曲线斜率都是先大后小。只要掌握了这个规律，结合大家容易掌握的知识，画出图7的曲线，应该是易如反掌了。

 

审核编辑 黄昊宇