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電子學專題(1)──電容只儲存一半的能量,剩下的跑哪去了?

反光鏡 | 2021-01-24 15:12:19 | 巴幣 4 | 人氣 381

當我回顧當初讀的電子學,很多視為理所當然的東西,一旦仔細探討就會感覺非常奇怪。這才發現,原來這就是學術上存在的悖論。
我們以最簡單的電容充電為例。

假設有一個理想電壓源,其電壓為V,對一理想電容,其電容值為C,進行充電。透過積分可導出,此電容最終獲得的能量為0.5*C*(V²)。由於充電完成後,電容上儲存了電荷量為Q,根據另一式子C=Q/V,能量也可以寫成0.5*Q*V。

這時出現一個問題,我們知道這個理想電壓源,實際上對於這整個電路供給了能量,其值為 Q*V。但為何最後電容只吸收了 0.5*Q*V ,也就是一半呢?剩下的一半跑哪去了?
我們來看幾種網友的回答:
  • 說法1:剩下一半能量消耗在電阻、或是電線的電阻上了
    • 反駁:整個電路只有理想電壓源、理想導線跟理想電容。哪來的電阻可以消耗能量?
  • 說法2:轉變為電磁波,以另一種形態儲存著(displacement current?)
    • 雖然我有學過電磁學但還是請大神來解答
  • 說法3:反正就是會耗一半能量,因為是數學導出來的,就跟複數不存在但大家還是在用啊
    • 完全放棄直覺觀念理解,理論推導派
非常湊巧,維基百科出現了同樣的條目,雖然維基百科並非完全正確,但我覺得這篇的分析很有條理。這篇是把理想電壓源換成電容,變成充好電的電容A,對整個電路中的電容A跟B充電,概念跟電壓源對電容充電差不多。以下翻譯:

這是一個在很多電子學相關文獻中探討的老問題。跟其他科學上的悖論不同,這個悖論並不來自於基礎物理學,而是來自電路理論中對於「理想電路」定義的侷限。假定電路是由理想的電路元件構成,則上述的描述在物理上是無法實現的,在電路理論中這種現象很常見。
如果連接兩個電容的導線、開關跟電容自身都被視為理想,也就是不存在電阻或電感特性,則關閉開關瞬間,會將兩個不同電壓值的點連接在一起,造成一「 無限大 」的電流在電路中流動。 「無限大」的現象將造成一個沒有被假設的狀況出現,因此解決方法需要放寬幾個電路元件的特性。為了解決這個問題,將根據我們想要哪種電路元件的特性「被放棄」來決定:
簡單來講,問題出在導線
白話一點就是說,為了理想化電路,我們經常會假設導線沒電阻也沒電感特性,但這樣假設就會出現「無限大電流」這樣不符合電路理論的現象。為了避免電路理論出現意料之外的特性,我們 不能假設導線既沒有電阻也沒有電感成分 ,一定要保留某個非理想的特性

  • 狀況0(理想導線):大多數人都是卡在這裡。假設導線沒有電感特性、也沒有電阻特性,根據I=V/R,因為R=0所以該電路的電流為無限大。因為電路理論中不允許無限大電流的存在,因此此種情形下無解,後續能量跑哪兒去的討論也沒有意義。
  • 狀況1:假設導線只有電感特性、沒有電阻特性 ,電流就不會是無限大,電路也不會消耗能量,最後也不會達到穩定狀態,而是會持續震盪。此時整個電路就是一個LC電路,電荷會在兩個電容間來回震盪,電容上的電壓和電流會成弦波震盪。沒有任何能量會消耗,此時總能量=兩個電容儲存的能量+導線造成的磁場儲存的能量。
  • 狀況2:假設導線只有電感特性、沒有電阻特性、而且有非0的長度,這個震盪電路將會作為一個天線,並且會藉著輻射電磁波而損失能量。 整個電路其實就等同於RLC電路。電流的變化將呈現指數衰減弦波的形式。此時兩個電容儲存的只剩原本提供能量的一半,剩下消失的一半能量是以電磁波的形式輻射出去。
  • 狀況3:假設導線只有電阻特性,則等效於RC電路,且電流會以指數形式衰減至0。此時兩個電容儲存的只剩原本提供能量的一半,剩下消失的一半能量是以熱的形式在導線上消耗掉,且不管導線電阻值為何,能量都會消耗掉一半。導線電阻值決定的是消耗能量的速度快慢,也就是所謂的RC時間常數。
  • 狀況4:假設導線有電阻、電感特性、而且有非0的長度作為天線,消耗的能量依然是一半,只是消耗的能量同時包含了輻射出去的電磁波以及電阻消耗的熱。
下面還提到一個更極端的例子,能量不只消失一半,而是完全消失了?

假設一個電容被充電到V,另一個電容被充電到-V,並將V跟-V對接起來。因為最後電壓被抵銷為0,最終兩個電容儲存的能量為0。代表原本儲存的能量完全消失了。

是誰想出這個神奇情況的

最後附上表格整理:
導線具備的非理想特性 狀況0 狀況1 狀況2 狀況3 狀況4
電阻特性R x x x o o
電感特性L x o o x o
長度非0 x x o x o
剩下能量跑去哪
違反電路理論
探討無意義
儲存在導線
產生的磁場上
在導線上以電磁波
形式輻射出去
在導線上以
形式消耗掉
電磁波輻射
+消耗
備註
理想導線下
此題無解
LC
(能量永遠保持
在電路上)
RLC RC 實際導線

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