问题

电容充电相当于短路,那电容后面的电路上还会有电流吗?有的话哪来的?

回答
有些人可能会觉得电容充电时,电流会一直这么持续地流下去,直到电容被充满为止,但实际上情况要复杂得多。尤其当我们谈到“相当于短路”这个说法时,就更需要细致地去理解了。

首先,我们得澄清一个概念:电容充电并不是真正的短路。短路是指电流在两个电势差极小的点之间直接连通,导致电流可以无限大(在理想情况下)。而电容充电,电流之所以能流过,是因为电容内部的介质隔离了两个极板,电流实际上是在通过电源对极板上的电荷进行“输送”。

想象一下给一个水桶(电容)注水(电荷)。水泵(电源)提供压力,通过一个管道(导线)将水送到水桶里。刚开始的时候,水桶是空的,水的流速(电流)最大,就像水泵在全力工作。随着水桶里的水位(电荷量)越来越高,水对桶壁产生的压力(电压)也会增大,这个压力会反过来抵制水泵的注入,使得水的流速(电流)逐渐减小。

那么,当电容充电时,电容后面的电路上还会不会有电流呢?这取决于我们说的“电容后面”是指哪里,以及这个电路的连接方式。

我们来分几种情况讨论:

1. 如果“电容后面”是指与电容串联的电路,并且电容正在被充电:

是的,会有电流,而且是同一个电流。 电容串联在电路中时,流过电容的电流就是通过它的电流。这个电流由电源提供,并由电路的总阻抗(包括电容的等效串联电阻ESR、导线电阻等)决定。
电流的来源是电源。 电源提供电能,驱动电子在电路中移动。在充电过程中,电子被从电源的一极推向电容的一个极板,同时从电容的另一个极板被“抽走”并流向电源的另一极。虽然电容内部的介质阻止了电子直接穿过,但电流的流动是沿着整个串联回路发生的。你可以理解为,电流是在“填充”电容的两个极板,一个极板堆积负电荷,另一个极板失去电子(带有正电荷)。这种电荷的积累过程就是电流在回路中持续流动的结果。
电流的大小会随时间变化。 在充电初期,电容上的电压很低,对电流的“阻碍”作用很小,电流最大。随着电容上的电压升高,它会产生一个反向电动势,与电源电压对抗,使得流过电路的电流逐渐减小。当电容被充满后,电容上的电压等于电源电压,此时理论上流过电容的电流会趋于零(理想电容)。

2. 如果“电容后面”是指与电容并联的另一条支路:

这要看并联支路是什么元件,以及是否构成完整的回路。
如果并联支路是一个独立的负载(比如一个电阻): 那么电容充电时,它会分担一部分电源电流。电源提供的总电流会分成两部分:一部分流向电容(充电电流),另一部分流向并联的负载。这条并联支路上的电流来源也是电源,但它的电流大小会受到电容充电状态的影响。
例如,在一个简单的串联RLC电路中,如果电容是和某个电阻并联,那么在电容充电过程中,电源会向总的支路供电,一部分电流进入电容充电,另一部分电流则直接流过并联的电阻。
如果并联支路没有形成回路,或者与电容的充电过程没有电的联系(例如,只是物理上靠近): 那么电容充电本身不会对它产生电流。电流的产生总是需要有电势差和完整的导电通路。

“相当于短路”这个说法,更准确地说是描述了电容在充电初期的一个特性:

低阻抗特性: 当电容开始充电时,由于其两端的电压接近零,根据电容的充放电公式 `I = C dV/dt`(电流等于电容值乘以电压的变化率),只要 `dV/dt` 是一个相对较大的值(比如刚接通电源时),流过电容的电流就会很大。在某些情况下,这个电流确实可能大到接近电路中其他元件(如电阻)的短路电流。
并非真正的短路: 关键在于电容的阻抗(容抗)与频率和电容值有关,即 `Xc = 1 / (2 pi f C)`。在直流充电过程中,频率为零,理论容抗无穷大,但我们讨论的是动态充电过程,电压在变化,这涉及到瞬态响应。即使在充电初期,电容也并非没有阻抗,它只是在“表现”出对直流电的“低阻碍”特性,允许大的瞬态电流通过,直到极板上的电荷积累到一定程度。

更细致地理解电流的来源:

电流本质上是电荷的定向移动。在电容充电时,这个电荷的移动发生在整个导电回路中。

1. 电源的作用: 电源就像一个电荷泵,它在一个电位低的地方(负极)“收集”电子,然后通过其内部机制,将电子“推”到一个电位高的地方(正极),这个过程需要能量。
2. 导线的作用: 导线提供了电子移动的通道。电子在导线中从电源正极流向电容的一个极板,同时从电容的另一个极板被“抽走”,流向电源的负极。
3. 电容极板的作用: 电容的两个极板是金属导体,它们可以储存电荷。当电子到达一个极板时,它们就会堆积在那里(形成负电荷)。由于介质的绝缘性,这些电子无法直接穿过到另一个极板。然而,电容极板上的负电荷会通过静电感应作用,在另一个极板的内表面吸引等量的正电荷(失去电子)。这种极板上电荷的积累,正是电容“储存”电能的表现。

所以,即使电容内部被介质隔开,电流依然能沿着整个电路回路持续流动,直到电容被充满。这个电流的流动,就是电荷在回路中搬运和在电容极板上积累的过程。

总结一下:

当电容充电时,如果“电容后面”是指与电容串联的电路部分,那么这部分电路中的电流就是充电电流,它来源于电源,并且其大小会随着电容充电而变化。 如果“电容后面”是指并联的独立负载,那么这个负载上也会有电流,其大小取决于电源和电路结构,而充电中的电容会影响总的电流分配。

电容充电初期“相当于短路”的说法,是强调其瞬间导通大电流的能力,但它绝非真正意义上的短路,因为这是一个动态过程,电流会逐渐减小直至趋于零(对直流而言)。电流的来源始终是驱动电荷移动的电源。

网友意见

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如果您把电容抽象成一个 DUT, 电容的“视在电阻”是动态的, 变化最明显的时间段是充电开始到 3~5 个“人为划分”的“充电周期”。

并不能简单地说 “电容充电相当于短路”, 而是要加上时间限制的修饰语,“ 充电开始的瞬间电容相当于短路”。这就比较确切了。

您可以用一个免费的电路仿真软体来观察 RC 电路的行为。

这个免费的软体/软件叫 LTspice .

       "Device Under Test" and is pronounced "D-U-T." A DUT is a product or component that is undergoing testing.     



如图, 1 欧的电阻, 串联一个 1 毫法也就是 1000 微法的电容。

头30 毫秒就是题主关心的, “电容后面的电路上还会有电流吗”,的关键时间段。


当然, 您也可以用自带 MATH 和 存储功能的示波器来实现这个仿真。截取通电过程头 10 毫秒的波形来帮助自己理解。 但是, 那就投资巨大了。 本来免费的学习过程变成要花费 1000 多人民币了。





如果您把电容抽象成一个 DUT, 电容的“视在电阻”是动态的。

头 1 毫秒, 这个“视在电阻”从 0 欧上升到了 1.7 欧左右。



如果您把电容抽象成一个 DUT, 电容的“视在电阻”是动态的。

到了 2pi 毫秒, 这个“视在电阻”从 0 上升到了 529 欧左右。

俺觉得这是一个十分直观的演示。


总结一下, 1 欧的电阻, 串联一个 1 毫法也就是 1000 微法的电容,

在头一毫秒, “视在电阻”从 0 增加(指数式地 EXPONETIALLY)到大约 2 欧;

在 2pi 毫秒, “视在电阻” 增加到大约 530 欧;

在 10pi 毫秒,“视在电阻”增加到约 300 G欧, 已经可以视为接近开路了(断开)。

这就是您应该看到的大画面。


电容的“视在电阻”是动态的, 用数学家或者搞数学的人的话来说就是:“电容的视在电阻是时间的函数”。

具体的细节以及公式和运算等, 请参考教科书。



这个电路的模型在这里, 如果您希望自己仿真的话:


       Version 4 SHEET 1 880 680 WIRE 160 48 48 48 WIRE 304 48 224 48 WIRE 48 112 48 48 WIRE 304 112 304 48 FLAG 48 192 0 FLAG 304 192 0 SYMBOL voltage 48 96 R0 WINDOW 123 0 0 Left 0 WINDOW 39 0 0 Left 0 SYMATTR InstName V1 SYMATTR Value 1 SYMBOL cap 160 64 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 0 32 VBottom 2 SYMATTR InstName C1 SYMATTR Value 1m SYMBOL res 288 96 R0 SYMATTR InstName R1 SYMATTR Value 1 TEXT 286 16 Left 2 !.tran 0 0.0063 0 1e-7 startup     


*** 备注: 这本书俺去年推荐的时候才 7块钱人民币, 现在涨价了


有的话哪来的?

那当然是从电源来的。


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俺知乎阅读总量只有 0.6亿 没跨出一小步 (n<1亿)。盐值低迷(半年了还900+),草地匍匐50000米单膝跪求大家关注,希望借此长点盐值。


“老麦, 大家都说你是笑话、论坛孤儿和神棍。”

“没错。 只有百万分之0.5的读者赞同俺的观点。”



电容的“视在电阻”是动态的, 用数学家或者数学的人的话来说就是:“电容的视在电阻是时间的函数”。

不用谢!

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