電容器:儲存電荷與能量
至今電流都自由地流過電阻。電容器不一樣:它是兩個由間隙隔開的導體,透過在一片極板堆正電、另一片堆負電來儲存電荷。每一伏特兩端電壓能塞進越多電荷,它的電容就越大。
儲存的電荷等於電容乘以極板兩端電壓。電容以法拉為單位:1 F = 每伏特 1 庫侖。
透過電阻充電:RC 電路
把電池、電阻與一個一開始空的電容器串聯,接通開關。電容器不會瞬間充滿——電阻節流了電流。起初電容器是空的,電流最大;隨著電荷累積、電容器電壓爬升以對抗電池,電流逐漸減小。這就是RC 電路,電荷與電流都遵循平滑的指數曲線。
充電時,電荷從零開始,沿指數曲線逼近其飽和值 Cε。
電流從最大值 ε/R 開始,隨電容器充滿而衰減至零。
時間常數定下時鐘
RC 電路中的每一條指數曲線,都由一個數主宰,那就是時間常數 \tau = RC。它以秒為單位,定下節奏:經過一個時間常數,電容器達到約 63% 的滿電荷;經過大約 五 個時間常數,已充過 99%——實質上已充滿。
時間常數是電阻乘以電容;R 或 C 越大,充放電越慢。
放電:充飽的電容器釋放電荷,以相同的時間常數 τ = RC 指數衰減。
把整條主線串起來
看看你已經走了多遠。你現在能精確說出電流是什麼、由材料與形狀算出電阻、套用歐姆定律與三種功率形式、化簡串並聯網路、把真實電池的內電阻算進去、用克希荷夫兩條定律解出任何糾纏的電路,並追蹤電容器沿指數時鐘充電。這就是直流電路分析的實戰工具箱——與你擁有的每一件小裝置背後所用的完全相同。
這通往何方?這裡的一切都是穩定的直流電。電流一旦開始改變,一個新世界就打開了:移動的電荷或電流會產生磁場(磁的主線),變化的磁場又會反過來推動電流(電磁感應的主線),而電容器與線圈搭配則來回交換能量而振盪,給了我們交流電,並最終給了我們就是光本身的電磁波。那不起眼的電池加燈泡迴路,正是踏上這條路的第一步。