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能量还守恒吗?电容的能量哪去了???

端午节,天太热,不想出去玩。于是跑龙岗图书馆借了本书《开关电源故障诊断与排除》。刚看了几页就感觉这是本很实用的书,打算自己买一本留着随时翻阅。

书的第三页,有这么一个小问题。看图:

刚看到时,立马用公式0.5*容量*电压*电压,计算了一下,能量居然少了一半???

这绝不可能。但是为什么会这样,书上没有说的太明白。直说几年前就有论坛讨论过,还让我们去google搜索。这让我等P民情何以堪?算了还是自己做实验分析吧。

先是用multisim仿真,一开始总是不对劲,检查发现是单刀双掷的开关非理想器件,但又不能改成理想的,就改的尽可能接近理想吧,看图:

这样就好了,仿真开始,开关转换之前,看图:

开关转换之后,奇迹出现了,能量不再守恒了???这怎么可能?看图:

还是不太明白怎么搞的。先不管,上真家伙。找了一节新的南孚电池,和两个10F的超级电容。看图:

用示波器连接两个电容,监视其电压变化。刚开始时,两个电容的电压都为0,为了方便讨论,我们给两个电容规定一个编号,A电容,B电容,,示波器蓝色光标显示的是A电压,黄色光标显示B电压,万用表接在B电容上。看图:

网上有说,这种情况损失的能量很有可能以电磁波的形式发射出去了。好吧,一块检测一下,拿来我的德生PL660收音机了,这个可以说是德生便携机里的战斗机了。为防止被强电台信号给压制,找到一个没有电台信号的频率,我使用的是AM。暂且不管这样能不能测出是否有能让电容能量瞬间损失一半的电磁波发出。先这样试一下,万一放电瞬间收音机还真有~呲啦一声响呢?

看图:

好了,废话少说,上电,先给A上电,看图:

万用表在B上接着呢,此时当然没有电压。下一步就是最关键的将两个电容并起来,看图:

看见没有,奇迹出现了,还真是停在了中间电压,电池初始电压是1.6V,现在B上的电压被充满电的A电容充到了0.8V!示波器上也显示两电容的电压也重合到了一起。而且收音机里也没有出现放电瞬间的噪音。神马情况?想来想去,只有一条可能,那就是无处不在的电阻。电容,导线都有ESR,是不是一半的能量消耗在了这些电阻上?先继续看图:,看一下单个电容直接用电池充放电的图:

很明显,由于ESR的存在导致放电曲线不是很陡的那种台阶。当然充电时还与电池内阻和化学反应速度有关。现在我觉的肯有可能是这些电阻的原因给消耗掉了。能量才减少了,虽然内阻很小。但是电容短路瞬间的电流却是很大的。多大?自己算去。能量消耗为0.5*R*I*I,当然电流不是恒定的。所以计算起来也就麻烦些,我数学学的不好,至今停留在初中水平。什么微分啊积分啊,求导啊,统统不懂。所以更加科学全面的计算过程留给牛人吧。但是我很清楚就是这个变化的电流和内阻把能量给消耗掉了。那么每个电容的内阻都不一样,导线也不一样,为什么很多人做这个实验时都是这样情况呢?只有一个可能就是与内阻无关。好吧,继续做实验。我找了两个不同的电阻一个0.1欧姆,一个270欧姆,分别将这两个电阻穿在电容之间,然后试一下电压还能否回到中点。看图:::

先看用0.1欧姆电阻时的放电曲线。看图:

看只是过程变缓了,电压又跑到中间了,比刚才小了一点,是因为这10F的电容太耗电了,电池电压已经降低里一些,看图:

那串个270欧姆会是什么情况呢?看图:::

注意示波器的时基,每格10s。我闲太慢,等不急了,干脆在这个充放电过程中进行更换电阻,我直接弄两个20欧姆的电阻并成一个10欧姆的,然后直接并在那个270欧姆上,会出现什么情况呢?看图:

最终还是回到了中间电压,这样就好理解了损失的那一半能量去哪里了——消耗在无处不再的寄生电阻上了。

好了,图已经上传完了,一个字一个字的敲,一张图一张图的传,我手机USB口还是个坏的,拍的图片先从手机传到网盘,然后再下载到电脑,文件大传的慢,还得截图,再传。很是辛苦,版主是不是该意思意思呢?比如加个精啥的?

继续讨论:

看来理论和现实往往很近确又很遥远。假如,我说假如,电容没有内阻,电线没有电阻,接触点也没有阻抗。一切都是最理想的元件,那么会发生什么情况呢?仿真电路里的电容说是可以当作理想元件,但是模型里肯定不会出现电容电压直接短接的情况,软件也不允许这么做,你想想,如果用电阻为0的导线接在一个充满电的电容上,让软件仿真放电电流是多大,它怎么算?电压除以0电阻。分母是零。电脑还怎么算?电脑要是有思想肯定要骂人了。就算把电阻设置的很小很小,都可以仿真,电阻小,电流大。那么还是我前面说的,很可能与这个电阻多大无关,都会充放电到中间电压。现实无法做这个实验,软件也无法仿真这个实验。那只能一笑了之。我们只需知道问题产生的原因即可。

谢谢大家看完这裹脚布般的长贴。我也是个刚刚转行做开关电源的工程师。喜欢电源,喜欢钻研,喜欢做实验,更希望能结交有共同爱好的朋友,一起学习,一起探索。公共场合不宜留联系方式,有意者请发站内消息。

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2015-06-22 18:28

哈哈,仅供参考

http://www.dianyuan.com/bbs/1485352.html

 

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huxuzhan
LV.3
3
2015-06-23 10:26
@归去来兮
哈哈,仅供参考http://www.dianyuan.com/bbs/1485352.html 

好吧,你链接的帖子我看了,很多牛人,直接就给计算出来了(不过我还是看不懂计算过程,我数学太差),我只能用实验去验证。

但是不知道为啥,那么多人去讨论计算,对于我的实验过程及结果,却是不屑于顾。

看来以后发帖得学你,直接抛出个问题就行了,省时省力

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2015-06-23 10:31

已经被添加到社区经典图库喽

http://www.dianyuan.com/bbs/classic/
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aninstone
LV.4
5
2015-06-23 18:16
@huxuzhan
好吧,你链接的帖子我看了,很多牛人,直接就给计算出来了(不过我还是看不懂计算过程,我数学太差),我只能用实验去验证。但是不知道为啥,那么多人去讨论计算,对于我的实验过程及结果,却是不屑于顾。[图片]看来以后发帖得学你,直接抛出个问题就行了,省时省力[图片]
实验是检验真理的唯一标准  理论计算公式没套对很多时候计算结果是有问题的  你抛出实验过程为什么一定要别人对你“屑于顾”呢?你做实验的目的是为了什么?你发帖子的目的又是为了什么?
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huxuzhan
LV.3
6
2015-06-23 21:17
@aninstone
实验是检验真理的唯一标准 理论计算公式没套对很多时候计算结果是有问题的 你抛出实验过程为什么一定要别人对你“屑于顾”呢?你做实验的目的是为了什么?你发帖子的目的又是为了什么?
目的就是讨论一下实验结果以及得出的结论有没有什么不妥的地方,如果没人讨论,那发帖就真的没有什么意义了。
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whutheyi
LV.3
7
2015-06-26 12:56

实验结果没问题呀!基本接近理论!

难度我太菜了?看不出有什么问题!

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lj53
LV.5
8
2015-06-26 17:57
进来看下,感觉有点头晕了
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ke可可
LV.5
9
2015-06-26 19:40
这么说的话,那一般开关电源后级供电电容损耗都不小咯?
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huxuzhan
LV.3
10
2015-06-26 20:27
@ke可可
这么说的话,那一般开关电源后级供电电容损耗都不小咯?
和那个不是一回事
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ke可可
LV.5
11
2015-06-27 14:39
@huxuzhan
和那个不是一回事

那如果反复进行充放电实验,电容会不会烫,烫的话就与电阻有关了。

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2015-06-29 14:19

能量肯定是守恒滴!电容能量公式计算E=1/2*C*U*U也是不会错滴!

 2个电容的电也肯定是原来1个电容电压的一半!

答案就是 在放的过程中 被内阻和线的电阻在流过电流以热量的形式给散发出去了

能量或者做功就是W=功率*时间=U*I*T!其实就是电压电流在时间长度上 的积分 也就是示波器波形下的面积!

楼主的精神也是相当的佩服滴! 值得学习滴!

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huxuzhan
LV.3
13
2015-06-29 19:51
@Switch Power Supply
能量肯定是守恒滴!电容能量公式计算E=1/2*C*U*U也是不会错滴! 2个电容的电也肯定是原来1个电容电压的一半!答案就是在放的过程中被内阻和线的电阻在流过电流以热量的形式给散发出去了能量或者做功就是W=功率*时间=U*I*T!其实就是电压电流在时间长度上的积分也就是示波器波形下的面积!楼主的精神也是相当的佩服滴!值得学习滴!
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2015-07-04 08:20
@huxuzhan
[图片]
能量还是守恒的。你对电压的认知不够,以为电压少了能量就少了。  现在假设总能不变,然后根据这个公式E=1/2*C*U*U 来反推两个电容并联以后的U试试。
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2015-07-04 20:42
首先对楼主这种认真钻研求证的精神表示佩服,楼主的帖子较长,看了个大概,觉得电容对电容充电,因为有损失,能量减少是正常的,但是不会正好减少一半吧,能量守恒是理想状态的
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探索者2
LV.4
16
2015-07-04 21:36
能量没有减少,能量被C1和C2平分了,所以就只有一半电压了,C1与C2的能量加起来等与原来的能量。
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sarcophile
LV.6
17
2015-07-05 11:59

楼主的实验实在是粗糙了点,对于导线损耗占重要比例的情况,竟然没测导线两端的瞬态电压,那么导线上即使有很大损耗,你怎么知道呢。

 

另外,电磁波的发射用收音机测太儿戏了,最简单的土办法,示波器的地线夹到探头上,形成一个小圆环,靠近辐射的发射源,然后用单次触发来捕捉,多重复几次实验。当然,需要不接电阻,快速变化的电流在探头环上感应出比较明显的瞬态电压

 

理论上的分析,电荷移动必然导致电磁辐射。我认为0电阻、0ESR的情况下,电流趋向于无限大,会引起近乎无限大的电磁辐射,从而消耗无限大的能量,这两者的效果抵消,应该相当于一个感抗吧,或者是天线

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ke可可
LV.5
18
2015-07-05 13:39
@探索者2
能量没有减少,能量被C1和C2平分了,所以就只有一半电压了,C1与C2的能量加起来等与原来的能量。

算能量的时候电压是平方关系,能量少了一半

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ww_ww
LV.2
19
2015-07-05 23:21

可以解算出:

1。可以看出,能量由电阻消耗。

2。在电阻阻值不为零时,所消耗能量与电阻阻值无关。

3。电阻阻值可无限趋近零,但阻值不可为零时,否则没有讨论的意义。

4。此计算不考虑电磁辐射。如考虑,电阻阻值越小电磁辐射越明显,但所消耗总能量不变。

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ybw123
LV.4
20
2015-07-06 07:23
能量被电阻消耗掉。
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2015-07-06 14:19
@探索者2
能量没有减少,能量被C1和C2平分了,所以就只有一半电压了,C1与C2的能量加起来等与原来的能量。
兄弟  你错了 C1与C2 按计算公式 算出来的 其加起来的能量是 原一个电容能量的一半!
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huxuzhan
LV.3
22
2015-07-07 09:52
@sarcophile
楼主的实验实在是粗糙了点,对于导线损耗占重要比例的情况,竟然没测导线两端的瞬态电压,那么导线上即使有很大损耗,你怎么知道呢。 另外,电磁波的发射用收音机测太儿戏了,最简单的土办法,示波器的地线夹到探头上,形成一个小圆环,靠近辐射的发射源,然后用单次触发来捕捉,多重复几次实验。当然,需要不接电阻,快速变化的电流在探头环上感应出比较明显的瞬态电压 理论上的分析,电荷移动必然导致电磁辐射。我认为0电阻、0ESR的情况下,电流趋向于无限大,会引起近乎无限大的电磁辐射,从而消耗无限大的能量,这两者的效果抵消,应该相当于一个感抗吧,或者是天线
唉,在家里做的这实验,只能这样了,收音机测电磁波是很土,只不过想尝试一下看看到底会不会听到杂音,不做推论依据,没有测量导线两端的瞬态电压,但是后面有对比实验,就是串入不同阻值的电阻,依然是能量消耗一半,导线上有瞬间压降是必然的,知道那个值,我也不知道干嘛用。总之为了验证猜想,这些实验也能证明,能量的消耗去向。至于你说的电阻无限小等等,家里就实在没法做这种实验了
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xyx11
LV.6
23
2015-08-31 19:30
@ww_ww
可以解算出:[图片]1。可以看出,能量由电阻消耗。2。在电阻阻值不为零时,所消耗能量与电阻阻值无关。3。电阻阻值可无限趋近零,但阻值不可为零时,否则没有讨论的意义。4。此计算不考虑电磁辐射。如考虑,电阻阻值越小电磁辐射越明显,但所消耗总能量不变。
结论完全正确
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林浩7856
LV.5
24
2015-09-16 09:49

能量并没有减少

    Q等于CU    并联后C变为原来两倍 但Q不变 U则减少为原来的二分之一左右       

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xyx11
LV.6
25
2015-09-16 23:19
@林浩7856
能量并没有减少  Q等于CU  并联后C变为原来两倍但Q不变U则减少为原来的二分之一左右    

电荷没有减少  Q=CU

能量减少了     E=0.5*C*U^2

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