纯电容电路电流超前电压九十度的本质原因一一一.doc
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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
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