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电容电压和电感电流不能突变的本质是什么?

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:1629    更新时间:2021-12-25

电容电压和电感电流不能突变的本质是什么?
电容电压和电感电流到底可不可以突变?

电太抽象了,我用水来解释。

电容器,顾名思义就是个储存电的容器,相对的就是装水的容器,比如水杯;电容器储存的是电荷,而水杯储存的是水分子,电压对应的水压可以理解为水对容器底部的压力。

电容器的电压不能突变,同样水杯的水压也不能突变。根本原因是电容器的电荷量不能突变,水杯里的水分子数量也不能突变。

突变是什么意思?那就是变化过程极快以至于所需的时间无穷小。电容器内的电荷量如果要改变,就要向里面增加或者减少电荷,而单位时间内传输的电荷量就是电流(I=Q/t),突变意味着t→0,在Q一定的情况下t→0,那么I→∞,也就是说如果电容器的电荷量发生突变,则需要无穷大的电流;同样,水杯中的水分子数量确定,如果需要在t→0的极短时间内使水分子数量突变,那就是要有无穷大的“水流”来传输水分子。正是因为这个无穷大的“流”无法实现,所以说他们的“量”就无法突变,由这个“量”产生的“压”也就不能突变。

再说说“电感电流不能突变”。

电感是一根导线,我用水管来描述,这个可能没有上面电容例子那样直观。

水管内充满了水分子,受到两端压力差的作用可以流动。如果我想让水管里的水流方向突变呢?使水流突变可以理解为使水分子的速度改变,这就产生了加速度;水分子是有质量的,根据牛顿第二定律a=F/m可知,要想产生这个加速度,就要施加力,在力的作用下才能产生这个加速度;既然是突变,t→0,那就意味着加速度a→∞,那么按照牛二定律要想产生这个无穷大的加速度,就要有无穷大的力;类似的,若要让电感电流突变,那就要施加无穷大的电压。

其本质就是能量不能突变。电感中的储能方式就是将磁芯材料杂乱无序的磁畴磁化成为一致有序的磁畴(空心电感的储能也可以类比,虽然不准确)。电容中的储能是将无序的电偶极子(或未被极化的电荷对)转化为排列一致的电偶极子,都是一种暂态的储能过程。

物质从无序到有序需要外界对其做功,自身的能量(势能)增加。当从有序恢复到无序的自然状态时,就是能量的释放过程。如果突变,意味着电磁能量凭空少了或多了,除非能把这部分阶跃能量转移成别的形式的能量,否则这是不可能的。

还有要提醒的是,在有些情况,电容电压和电感电流是可以突变的。这时遵循的是磁链守恒和电荷守恒。本质上说是能量守恒和物质守恒。

 


Tags:电感,电容,突变  
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