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1、 纯电容电路电流超前电压90的本质原因 吴江川一 利用PN节单项导电需加正向电压实验分拣出独立存在的电容电动势Ec如实验接线电路图所示，把二个整流二极管反极性接成正反双向导通交流电流的电路串接在回路内，B是一台小型变压器确保实验安全，输出30伏交流电源，电容器是一个电扇启动电容，1A、2A是二只直流电流表，电压表V画的是欧姆法电压表的原理接线图，目的是便于后面的分析。 1，实验步骤1,打开开关K接上220伏电源，实验线路即为单相半波整流电路，单向半波直流只为电容器充电，电容器充满电后2A的指示归0，电流为0，测得电容器直流电压为峰值电压41伏，由于K打开只有D2工作，只能为电容器单向充电，由于
2、二极管PN节单向导电，电容器放电通路被二极管D2反向截止，即使断开电源，电容器也不能通过30伏低压绕组短路放电，电容器是一个储能元件，充电后能脱离充电电源作为一个独立电源使用，在绝缘良好的情况下电能可以储存很长时间，大容量电容器现在可作为公共汽车的电源，被当作可充电电池使用，电容器也是一个危险的电器元件，使用不当会照成人身伤害，特别是高压电容器，所以它具有独立的电动势Ec。2，实验步骤2，开关闭合双向交流电流回路沟通，直流电流表1A、2A有电流流过10ma电容器电压交流30伏，电容器充放电正常。3，实验分析，利用二极管PN节单向导电性，把正弦交变电流I分成二个通路，电流正半周流过二极管D1负半
3、周流过二极管D2，参看示波器测出的电压，电流波形图一,（090），（270360）二极管D1导通，（90270）二极管D2导通，二极管PN节导通的先决条件是PN节加正向电压，电流电压同方向，而波形图上（90180），（270360）电压与电流反方向，电压不但不能推动电流流过二极管反倒是使二极管反向截止，在此区间必然会有一个与电流同方向的电动势提供正向电压推动电流流过二极管，参看电路图电路里有二个电动势，一个是电源电动势E2，另一个是电容器储能电动势Ec，它们都是正弦交流电，电容器充电时Ec的极性与电源电动势极性相同，正极对正极，负极对负极，两者在同一串联回路内方向相反即推动电流时电流方向相反，
4、在同一充电放电周期内电容器的极性不变，充电电流流进电容器放电电流流出电容器，电流方向相反，根据以上分析，推出波形图二，E2，Ec的瞬时极性（0180）都是上正下负，正极对正极，负极对负极，（180360）都是上负极，下正极，负极对负极，正极对正极，参考PN节单向导电的必要条件，正确的电容器充放电过程是这样的，（090）电源电动势E2正半周上升区间，为二极管D1加正向电压推动电流流过D1，随着电容器极板上正负电荷的不断积累Ec随同E2上升，但E2始终大于Ec，m点的电位高于N点的电位，E2、Ec极性都是上正下负，正极对正极，负极对负极参看电路图，充电电流流进电容器，大小关系如波形图-Ec所示，绿
5、色虚线低于黑色E2波形表示E2Ec，Ec阻滞E2的充电电流，E2克服Ec的阻滞为电容器充电，开始时（0）E2电压上升快，E2变化大，极板上的自由电子多，E2-Ec的差值大，所以电流大，随着电容器极板上正负电荷的积累Ec模拟贴合E2一同上升，当电源电动势E2达到最大值时（90）E2=0，E2=Ec电压平衡E2-Ec=0，E2不能在为电容器充电，充电电流I下降到零值。代数和（+E2）+（-Ec）中+E2大，电流与E2同方向，同在正半轴侧。（90180）电源电动势波形下降区间E2和Ec的极性都没有改变还是上正下负，正极对正极，负极对负极，随着电源电动势E2的周期性正弦下降，电容器储存电荷电动势Ec
6、E2，绿虚线高于黑实线，Ec的电动势推动电流流过二极管D2，Ec-E2的电位差为D2提供正向电压，N点的电位高于m点的电位，电容器的放电电流流出电容器，充电电流和放电电流方向相反，开始阶段Ec、E2的差压小，E2的下降速度慢，阻滞Ec的放电能力强，放电电流小，Ec的电压也高，Ec的大小与放电的电流成反比，E2的正弦下降规律是E2越来越大，EcE2的差值越来越大，Ec的放电电流也越来越大，电容器两极板上积存的正负电荷通过导线和电源E2的绕组线圈闭合回路不断中和而消耗，Ec快速下降，瞬时会Ec=E2，Ec-E2=0，电容器瞬时停止放电，随着E2继续下降，Ec又大于E2，Ec推动电流流过E2回路继续
7、放电，就这样E2阻滞并控制Ec的放电电流，Ec模拟并贴合着E2的变化，90附近Ec=E2，是电压平衡也是充电和放电转换点（电流I改变方向点），E2初始下降慢（E2小），Ec-E2差压小，放电电流I小，E2下降速度越来越快，180E2=0，E2不在阻滞Ec的放电，Ec的闭合放电回路处于短路状态，放电电流I达到最大幅值，电容器极板上积存的正负电荷全部中和完毕，代数和（+E2）+（-Ec）中-Ec大，电流与-Ec同方向，I、Ec曲线同在负半轴侧。（180270）电源E2改变极性，上负极下正极，电容器储能电动势Ec的极性也变为上负极下正极，负极对负极正极对正极，电容器极板上没有正负电荷只有大量的自由电
8、子，E2的负半周上升区间对电容器充电，开始时自由电子多，E2正弦规律上升快，还没有储能阻滞电动势Ec，充电电流I最大，随着极板上正负电荷的累计增加，Ec小于并模拟贴合着E2上升，E2克服Ec的反向阻滞对电容器充电，E2达到最大值时E2=0，Ec=E2，无压差，E2停止对电容器充电，电流I减小到零，E2、Ec处于等值平衡状态（充电放电电流变向转换点），在此区间内E2推动电流流过二极管D2，N点的电位高于m点的电位，Ec阻滞着E2对电容器的充电。代数和（-E2）+（+Ec）中-E2大，I和-E2同方向，I和E2的曲线同在负半轴侧。（270360）区间E2和Ec的极性都没有改变，上负极下正极，随着E
9、2负半周正弦规律周期性下降，存储并保持下来的正负电荷的储能电动势Ec大于E2，通过电源回路放电，E2阻滞并控制Ec放电，Ec推动电流流过二极管D1，m点的电位高于N点的电位，代数和（-E2）+（+Ec）中+Ec大，I与+Ec同方向，I和Ec的曲线在同在正半轴侧，就这样周而复始的电源电动势和电容储能电动势同极性电压平衡转换，在电源电动势E2波形上升区间为电容器充电，电容器储能电动势Ec阻滞充电电流，达到波峰时E2=Ec电压平衡充电结束（I=0），在电源电动势E2波形下降区间储能电动势Ec克服电源电动势E2的阻滞对电源放电，也就是与电源反复进行能量交换，充电放电电流的最小转换点是电源电动势的最高点
10、（电压平衡点也是电流变向点），放电充电电流的最大过度点是电容器自然短路放电和极板无电荷无阻碍的电源电动势的过零点，电流方向不变，所以电流超前电压90，Ec模拟贴合E2的变化，所以Ec也是正弦波，参考绿虚曲线-Ec直观地说明充电时绿虚线低，E2.大于Ec，放电时绿虚线高，Ec大于E2的微小差别，黑色曲线E2与绿色虚线曲线-Ec几乎重合在一起，图中所画明显分离为的是叙述E2和Ec大小变化人为明显夸大化了，不是真实情况。二 1,示波器电压电流波形图一的新解读，二个正弦电动势E2和Ec同极性并联，电容器在同一充电放电周期内极板电荷极性不变，且与电源电动势极性相同，正极对正极，负极对负极，电路图上黑色细
11、虚线框连接起来的两节电池极性刚好模拟正半周电压U与E2和Ec的并联关系，U=E2=-Ec，U的波形是E2和Ec并联的高电阻电流波形（欧姆法U=RI，测量电压实质就是测量并联电流），并联的E2和Ec同极性等值电压平衡，Ec模拟贴合着E2的波形变化，黑色实线E2的波形与绿色虚线Ec的波形几乎重合在一起，所以U和E2还有Ec的的波形几乎重合在一起。 2,在同一串联回路内，存在两个正弦交变电动势E2和Ec方向相反，二龙治水以电阻电 轮流推动电流流动，如上述波形二分析电流I的波形是E2和Ec的串联零电阻（纯电容电路）的电容充放电波形，示波器测得的波形图一是把E2和Ec的串联零电阻的电流波形与E2和Ec并
12、联的高电阻电流波形放在一起进行比较相位，得出了纯电容电路电流超前电压90。 3。电源电动势和电容储能电动势相位非常特殊示波器难以分辨，Ec和-Ec是同一个电容储能电动势，为了分析叙述和理解把Ec的波形反向旋转180记做-Ec。（a）从等大小同极性并联电压平衡转换角度看，参照实黑线E2和虚绿线-Ec两曲线，电源电压（电源电动势）超前储能电动势Ec一个小小相位角，Ec紧密贴合模拟电源电压U或者电源电动势E2变化。（b），从同一串联回路内两个反向电动势轮流推动电流流动角度看，参照实黑E2（U）曲线和实绿Ec曲线，电源电压（或电源电动势E2）超前储能电动势Ec大于并几乎接近180，电流I超前电源电压U
13、（或电源电动势E2）90，电流滞后储能电动势90，电流I由实黑E2和实绿Ec两曲线的瞬时值代数和决定，表达了方向相反的电源电动势和储能电动势的矢量和在串联零电阻回路里推动电流流动的情行，电流由伏特值相对大的电动势推动。 4.实际电路比较复杂，电源电动势不可能只单独接一个电容器负载，电源电动势经过分压降压以电源电压的形式加在电容器两端，电容和电阻完全独立，电容器本身就是一个纯电容电路所以电容器储能电动势是与加在电容器上的电源电压U等大小同极性并联电压平衡转换的，在波形图2上E2的波形也就是外加电压U的波形，下面的叙述用电源电压代替电源电动势。三 存电容电路和存电感电路的区别：1电容器是利用静电感
14、应的原理把电源生成的正负电荷分别积存在两个极板上，产生电容器储能电动势Ec，直流电路里不导电的电容器在交流电路里电源电压与储能电动势二龙治水，相互平衡轮流推动电流流动形成了充放电流，为了计算电容器在交流电路里流过的电流大小，比照欧姆定律把电压与电流的比值叫容抗Xc，也就是把储能电动势的导电作用折算成了容抗进行电路计算的，电流超前电源电压90，电阻R超前容抗Xc90，电阻与电容器独立分开，任何一个电容器都是一个纯电容元件都有一个电源电压与储能电动势相互电压平衡。2，纯电感电路加在电感两端的电源电压U与自感电动势等大小同极性并联电压平衡转换，从同极性并联电压平衡转换角度看电源电压U小小的滞后自感电
15、动势E，自感电动势模拟贴合着正弦电源电压变化。从串联回路U和E反方向以电阻电轮流推动电流流动角度看电源电压U超前自感电动势E小于180几乎接近180，U超前电流90，电流I超前E90，自感电动势是电感线圈流过电流时电磁场磁化铁芯磁畴，磁畴在充磁失磁过程中在线圈里磁生电分解出正负电荷的自发电现象，电源电压与自感电动势在同一串联回路内方向相反二龙治水，在电源电压U下降区间，U大于E，U克服自感电动势E的阻碍推动电流流过线圈，线圈电流的集合电磁场磁化铁芯，电磁场与铁芯内的磁畴寄生在一起铁芯充磁储能，在电源电压U上升区间自感电动势大于电源电压，克服U的阻滞推动电流流过线圈，自感电动势的电流集合电磁场与
16、磁畴寄生在一起托着铁芯磁畴归零释放磁能，自感电动势与电源进行能量交换，纯电感U和E的电压平衡转换点在电源电压U的最高点即电流方向改变点，U的过零点是电流的最高点，U和E轮流推动电流流动所以电源电压U就超前电流I90，电流I超前自感电动势E90，由于自感电动势E对电源电压U以电阻电的阻碍作用，在直流电路里导电良好的电感线圈在交流电路里导电能力大大下降，比照欧姆定律把加在纯电感线圈两端的电源电压与电流之比叫感抗X，电源电压U超前电流90，感抗X超前电阻90，也就是把自感电动势的阻碍作用折算成了感抗进行电路运算，线圈电阻和电感密不可分很难做到纯电感，这是对纯电感电路电压超前电流90的本质原因一文的补
17、充。示波器测出的波形是U与E的并联高电阻小电流的电压波形和U与E反向串联约零电阻电流的波形，U和E的相位非常特殊，紧密贴合模拟变化，示波器难以分辨，是利用二极管PN节单向导电必加正向电压实验才分清的。四，总结：利用二极管PN节单向导电必加正向电压这一特性，把电容器正负电荷储能电动势Ec和电源电压（或电源电动势）分拣开来，二者紧密贴合略微错开一个相位，电压平衡，在波峰处相互转换，二龙治水轮流推动电流流动完成电容器充电必放电的周期循环，使得充放电电流I超前电源电压90，电流I滞后储能电动势90，电动势或电压是推动电流的源泉，二者是统一的，从本质上解释了纯电容电路电流超前电压90的原因，补充了示波器实验认识的不足，不影响用容抗进行电路计算，电容器的充放电过程可类比一个气源与储气罐的关系，气源压力升高时对储气罐充气气体流入罐里，气压达到最大值时罐内外压力平衡，罐里不但储存了气还储存了气压，气源压力下降时罐内气体在储气罐压力的作用下流出罐内放气，罐内压力贴合并模拟气源压力变化。(E2、Ec、I、U、-Ec在波形图上均为小写)