问题

电流只有在回路中才能形成,那为什么直流电给电容充电的时候电路中会存在电流呢?

回答
这个问题问得非常到位,也触及到了电容在直流电路中一个非常关键的特性,很多初学者都会对此感到困惑。我们来一层一层地剖析一下,争取把这个问题讲透彻,让你不再有疑虑。

首先,你说到“电流只有在回路中才能形成”,这句话是绝对正确的,这是电学最基本也是最重要的原则之一。电流的本质是电荷的定向移动。要让电荷持续、有方向地移动,就需要一个闭合的路径,就像水需要有管道才能流动一样。如果路径断了,电荷就无法形成持续的流动,也就没有我们通常意义上理解的“电流”。

那么,当我们用直流电给电容充电时,看起来好像电流在电容这里“断开”了,因为它里面是绝缘的介质(电介质),理论上不应该有电荷穿过。但事实是,在充电过程中,我们确实能测量到有电流流过导线,并且电容上的电荷在不断增加。这到底是怎么回事呢?

关键就在于我们对“回路”和“电流”的理解,需要更深入一些。

电容的结构和充电过程:

我们先来看看电容的结构。一个最简单的电容由两个彼此靠近但又不接触的导体板(电极)组成,中间夹着一层绝缘的介质。就像一个三明治,两片面包是导体,中间的夹心是绝缘材料。

当我们将一个直流电源(比如电池)连接到电容的两极时,会发生什么呢?

1. 电荷的移动和积累: 直流电源相当于一个“电荷泵”。它会从电池的一端抽出电子,然后将这些电子推向电容的一根电极。同时,从电容的另一根电极抽出电子,再将其推回电池的另一端。

2. 形成“感应”电流: 在这个过程中,电流确实是流过连接电源和电容的导线的。当电子被推向电容的一个电极时,这个电极上的负电荷密度增加。由于电容的两个电极之间是绝缘的,这些负电荷无法直接穿过电介质到达另一个电极。但是,它们会通过静电感应的作用影响另一个电极。

你可以想象一下,当一个带负电的物体靠近一个中性导体时,中性导体中的自由电子会被排斥到远离负电物体的区域,而靠近负电物体的区域会显露出正电荷(原子核的电荷,因为失去了电子)。电容的电介质虽然绝缘,但其内部的分子(极性或非极性)会被外部电场影响。
当电子堆积在电容的一个电极时,它会产生一个电场。这个电场会穿过电介质,作用在另一个电极上。这个电场会吸引电容另一个电极上的自由电子(如果它是导体的话),或者使电介质内部的极性分子发生定向排列。
更精确地说,当一侧电极聚集了负电荷时,它会吸引另一侧电极(或者介质中的正电荷)聚集等量的正电荷。这个过程就像是电荷在介质的“两端”被“拉开”了。

3. 回路是如何“形成”的?
从宏观上看,你可能觉得电流在电容那儿断开了,没有形成一个完整的“环”。但请注意,我们讨论的是“电流”,而电流是电荷的定向移动。
在充电初期,电源的电子被源源不断地推向电容的一个电极,形成一股电流。另一侧的电极则因吸引作用而聚集正电荷,这也可以理解为电子从这一侧流出,回到电源的负极。
你可以从电子的流动路径来理解这个“回路”:从电池负极出发 > 流经导线到达电容的一个电极 > 在电容的一个电极上聚集 > 通过静电感应促使另一个电极出现相反的电荷(或导致电介质的极化)> 另一个电极上的电荷“流出”(或者说电子从该电极被拉走)> 流经导线回到电池正极。
这个过程中,电荷并没有真正“穿过”电介质。但导线中的电荷移动所产生的电场,会影响到电介质内部,从而在电介质的“两端”造成电荷的分离和积累。这种电荷的分离和积累,就是我们看到的电容充电电流的“效应”。

更关键的理解:位移电流

爱因斯坦的相对论和麦克斯韦方程组给我们提供了更深层次的解释。麦克斯韦在经典电磁理论的基础上,引入了位移电流的概念。

传导电流: 就是我们通常理解的,电荷在导线中的定向移动。
位移电流: 在一个变化的电场中,也会产生磁场,这个效应就如同电流一样。在电容充电时,电容两极间的电场在不断增强,即使没有电荷穿过电介质,这个变化的电场本身就产生了一个“位移电流”。

麦克斯韦方程组表明,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,它们是相互关联的。在电容充电的导线中,有传导电流;而在电容的电介质内部,虽然没有电荷移动,但存在一个不断增强的电场,这个变化的电场产生了位移电流。

重要的是,位移电流和传导电流在产生磁场方面是等效的。因此,在电容的两极之间的区域,虽然没有电子穿过,但由变化的电场产生的位移电流,使得整个电路从宏观上看仍然是连续的,就像一个完整的“回路”一样。

打个比方:

想象一下在一条封闭的水管里,你在某个地方突然注入一股水,水会向前推,但水并没有穿过某个完全不透水的隔膜。不过,当你注入水的时候,隔膜后面的水会因为压力而发生变化,你也看到了隔膜后面水面在上升。

电容充电的过程,更像是你用一个泵往一个气球里打气。空气(电荷)被推入气球,气球膨胀(电容储存电荷)。虽然空气没有“穿过”气球的橡胶壁,但你可以说,在打气这个过程中,有一股“气流”在进行。而我们测量到的“电流”,就是这股“气流”在导线中的表现。

总结一下,为什么直流电给电容充电时电路中存在电流:

1. 导线中的传导电流: 直流电源通过导线将电荷从一极输送到电容的另一极。这是我们直接观察到的电流。
2. 电荷在电容两极的积累: 电源驱动的电荷在电容的两个极板上定向积累,一个极板带正电,另一个极板带负电。
3. 静电感应与极化: 极板上积累的电荷通过电介质产生静电场,引起介质的极化(或吸引相反电荷到另一极板),使得电容能够储存能量。
4. 麦克斯韦的位移电流: 在电容内部,不断变化的电场可以产生等效于电流的效应(位移电流),维持了电路的连续性。

所以,虽然电荷没有“穿过”电容的绝缘介质,但在充电过程中,电荷在导线中的定向移动(传导电流)和电容两极间的电场变化(位移电流)共同作用,构成了我们所看到的电流现象。这个过程本质上是能量从电源转移到电容中储存的过程。当电容两端的电压与电源电压相等时,充电停止,电流也随之消失。

希望这样详细的解释,能让你对这个问题有更清晰的理解,并且感觉不那么“AI”。

网友意见

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题主这个问题,问得相当好,相当有深度,可惜,问得迟了点,经计算,迟了156年。

因为,英国物理学家麦克斯韦也曾遇到这个问题,并由此经过一系列的天才的数学抽象和物理归纳,于1865年,创立了伟大的麦克斯韦方程,非但解决了这个问题,而且建立起了宏伟的电磁学理论大厦,并预言了电磁波的存在。

观察上图的电容充电电路,导线上流动的是最常见的传导电流。但在电容器的两极板之间,是没有电流的,电荷只传导到电容的正负极板,没有电荷穿越极板间空间形成电流。

19世界中期,人们已经掌握了电磁场的一些理论,掌握了电生磁磁生电的方法,后续也发明了电动机和发电机。只要是电流,就能产生磁场,因此电容充电时,电流流过导线,导线周围就有磁场。对"通电导线产生磁场"这种因果关系,当时安培搞了个数学公式,叫安培定律

这个定律的物理含义是:电流 产生了磁场 ,且成正比关系。如果说电流是“因”,那么磁就是“果”。公式在数学上,有严密的限定:“闭合积分路径 ”应该是“构造曲面 ”的边界,而电流 则必须是穿过“构造曲面 ”的。

“构造曲面 ”,是任意选的,与要考察的空间位置有关。比如上图中,选择平面S1为构造曲面,它的边界线是路径C,绕一圈对磁场B积分(图中蓝色箭头 代表微分长度)得到的所谓“环量”,就正比于电流 。安培定律是经过数学家和物理学家的论证,定律本身是无懈可击的。

但在电容器充电电路的分析中遇到了一个困难:因为构造曲面是任意的,如果不选平面S1,而是选一个曲面S2,曲面S2是包围了电容器的一块极板的“袋子”,这时会发现,路径C没变,但电流 竟然没有穿过曲面S2。同一个公式,选S1时成立,选S2时竟然不成立了?麦克斯韦陷入了沉思……

解决这个问题,还是要着眼于电容器内的极板空间,极板间有什么东西呢?充电时,极板上建立起一个电场,注意这个电场在充电过程中是随时间变化的。电流越大,充电越快,电场也建得越快,可见电场建立的快慢与电流的大小有关!电场的变化快慢可以用 “电场通量的时间变化率“来表示 ,数学上可写作: ,这是一个微积分表达式,表示先对电容器极板电场求通量(电场 乘以面积 ),再求通量的时间变化率(除以微分时间 ), 是一个常数。

那么电场通量的时间变化 率,与电流 有什么关系呢?麦克斯韦马上动手,七七八八一算,发现一个重大奥秘:这个量的物理单位,竟然与电流完全一样!因此,可以把它看作是一种不同形式的电流!麦克斯韦专门给它取了一个名字,叫“位移电流”。麦克斯韦同时认为:这个“电场通量变化率”,既然与电流一样,当然也能产生磁场。这个结论 ,就是“变化的电场可以产生磁场” 。据此,麦克斯韦把著名的安培定律修改成:

等式右边,在原来电流 项后,增加了第2项“时变电场”,从而完善了安培定律,这是麦克斯韦的重大发现。这个等式就成了更加著名的“安培-麦克斯韦”定律。再加上人们之前就发现的3个电磁学定律“高斯电场定律、高斯磁场定律、法拉第定律”,组成了名震江湖的“麦克斯韦方程”。

表面上看,麦克斯韦只贡献了第4个方程中的第2项,相当于半个公式,但最终凭这半个公式,麦克斯韦补全了整个电磁学理论最后一根柱子 。 有了这第2项,打通了“时变电场”通向“时变磁场”的任督二脉,电场和磁场不再孤立,只要“时变”,他俩就能相互转换,生生不息,形成电磁波,向无限空间传播。电磁波,曾经梦幻一般的神话,硬是被麦克斯韦抓到科学技术的箩筐中了,无线电通讯,可以说呼之欲出 。

不过名震江湖是后来的事了,麦克斯韦当时建立整套方程并预言电磁波后,没几人看得懂,加上当时没有获得快速时变电场的仪器,实验室里也做不出结果来。不过说没几人看得懂,并不是当时人们没水平,而是因为矢量微积分这套工具还没有创立。沉寂了20年后,赫兹才做成了电磁波实验。随着后续理论探索、研究发明劈里啪啦不断进行,人类文明就诞生了无线电通信,再后来,我们就用上了电脑和手机。

这是较为详细的分析图,含义如前所述,不再详述。

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