電容電壓和電感電流不能突變的本質是什麽(me) ?
電容電壓和電感電流到底可不可以突變?
電太抽象了,我用水來解釋。
電容器,顧名思義(yi) 就是個(ge) 儲(chu) 存電的容器,相對的就是裝水的容器,比如水杯;電容器儲(chu) 存的是電荷,而水杯儲(chu) 存的是水分子,電壓對應的水壓可以理解為(wei) 水對容器底部的壓力。
電容器的電壓不能突變,同樣水杯的水壓也不能突變。根本原因是電容器的電荷量不能突變,水杯裏的水分子數量也不能突變。
突變是什麽(me) 意思?那就是變化過程極快以至於(yu) 所需的時間無窮小。電容器內(nei) 的電荷量如果要改變,就要向裏麵增加或者減少電荷,而單位時間內(nei) 傳(chuan) 輸的電荷量就是電流(I=Q/t),突變意味著t→0,在Q一定的情況下t→0,那麽(me) I→∞,也就是說如果電容器的電荷量發生突變,則需要無窮大的電流;同樣,水杯中的水分子數量確定,如果需要在t→0的極短時間內(nei) 使水分子數量突變,那就是要有無窮大的“水流”來傳(chuan) 輸水分子。正是因為(wei) 這個(ge) 無窮大的“流”無法實現,所以說他們(men) 的“量”就無法突變,由這個(ge) “量”產(chan) 生的“壓”也就不能突變。
再說說“電感電流不能突變”。
電感是一根導線,我用水管來描述,這個(ge) 可能沒有上麵電容例子那樣直觀。
水管內(nei) 充滿了水分子,受到兩(liang) 端壓力差的作用可以流動。如果我想讓水管裏的水流方向突變呢?使水流突變可以理解為(wei) 使水分子的速度改變,這就產(chan) 生了加速度;水分子是有質量的,根據牛頓第二定律a=F/m可知,要想產(chan) 生這個(ge) 加速度,就要施加力,在力的作用下才能產(chan) 生這個(ge) 加速度;既然是突變,t→0,那就意味著加速度a→∞,那麽(me) 按照牛二定律要想產(chan) 生這個(ge) 無窮大的加速度,就要有無窮大的力;類似的,若要讓電感電流突變,那就要施加無窮大的電壓。
其本質就是能量不能突變。電感中的儲(chu) 能方式就是將磁芯材料雜亂(luan) 無序的磁疇磁化成為(wei) 一致有序的磁疇(空心電感的儲(chu) 能也可以類比,雖然不準確)。電容中的儲(chu) 能是將無序的電偶極子(或未被極化的電荷對)轉化為(wei) 排列一致的電偶極子,都是一種暫態的儲(chu) 能過程。
物質從(cong) 無序到有序需要外界對其做功,自身的能量(勢能)增加。當從(cong) 有序恢複到無序的自然狀態時,就是能量的釋放過程。如果突變,意味著電磁能量憑空少了或多了,除非能把這部分階躍能量轉移成別的形式的能量,否則這是不可能的。
還有要提醒的是,在有些情況,電容電壓和電感電流是可以突變的。這時遵循的是磁鏈守恒和電荷守恒。本質上說是能量守恒和物質守恒。