电容 vs 电感:能量储存在哪里
电容和电感做的是同一件事——储能、再放能——可它们用的却是完全不同的场。这里把两者并排放在一起:一边是极板上的电荷,一边是线圈里的电流。
电容和电感做的是同一件事——储能、再放能——可它们用的却是完全不同的场。这里把两者并排放在一起:一边是极板上的电荷,一边是线圈里的电流。
电容和电感,是电路里用来储存能量的两种元件。电容是两片隔开一段距离的极板,电感是一段线圈。两者都从电源吸取能量、把能量留住、之后再释放出来——本页把它们并排放在一起,正是为了让那个关键区别一目了然:它们各自把能量储存在哪种场里。
因为在实际表现上,它们的反应几乎处处相反。电容抵抗电压的变化,电感抵抗电流的变化;电容阻断恒定电流却放行变化的信号,电感则大致相反。一旦看明白“一个用电场、一个用磁场”来储能,这些相反的行为就不再是需要死记的结论,而变成很容易想象的画面。
左半是电容:两片极板、极板上带电荷,中间是均匀的电场。右半是电感:一段线圈、里面流过电流,磁场绕着它成环。一条虚线和一枚 vs 徽标把两半分开。底部的两个能量公式,把这种对应关系点得很清楚。
电源把电流送进这两种元件。它们都不会像电阻那样把能量烧掉,而是把能量留住,随时准备还回去。正是这个共同的任务,让它们值得对比——也正是这个共同点,让它们的差异如此说明问题。
电容是两片隔着间隙的导电板。把它接到电源上,一片极板会积起正电荷,另一片积起负电荷。所加电压越高,积累的电荷越多,直到极板电压与电源相等,之后就不再有任何恒定电流流过。
在两片带相反电荷的极板之间,会形成均匀的电场,图中用等距的线条表示。电容的能量真正就储存在这个电场里;由于电荷和电压是同步增长的,所以储能随电压的平方增长:E = ½CV²。
电感是一段线圈。让电流流过它,运动的电荷就会产生磁场,环绕并穿过线圈。电感的能量就储存在这个磁场里;既然磁场随电流增大,储能也就随电流的平方增长:E = ½LI²。
因为储能用的场不同,它们对变化的反应正好相反。电容维持电压稳定、抵抗电压突变;电感和让电流继续流动、抵抗电流突变。所以人们用电容来平滑电压、用电感来平滑电流——两件工具,一个共同的想法:把能量储存在场里。
能量储存在哪里。电容把能量储存在两片带电极板之间的电场里;电感把能量储存在通电线圈周围的磁场里。这一个区别,几乎解释了它们其他所有行为上的差异。
不会。两者都是先把能量存起来、之后再还回去,而不是像电阻那样把能量烧掉。理想器件的能量可以重新返回电路,所以它们被称为无功元件。
因为两片极板之间存在绝缘间隙。电荷不断在极板上积累,直到极板电压与电源相等,之后就再没有恒定电流能跨过这道间隙——所以电容阻断直流,却能让变化的信号通过。
电流一变,线圈周围的磁场也跟着变,而变化的磁场会反推这种变化。电感越大,电流就越难快速改变。
两者本身没有谁更大。电容的储能是二分之一乘 C 乘 V 的平方,电感是二分之一乘 L 乘 I 的平方,取决于元件以及电压或电流的大小,而不是器件的种类。