电学路线 · 给变化一点时间

电源断开,
电压还在吗?

电流可以停,电压未必归零。充一点,留一会儿,再放掉。
让开关、曲线与能量账本一起告诉你发生了什么。

问题的来处1745—1746 年 · 莱顿瓶

电源离开以后,电还能留下吗?

1745—1746 年,克莱斯特以及莱顿的研究者分别探索了储存电荷的装置,后来广为人知的莱顿瓶让电的作用可以在充电之后保留下来。

读一段背景,带着问题动手

1745—1746 年,克莱斯特以及莱顿的研究者分别探索了储存电荷的装置,后来广为人知的莱顿瓶让电的作用可以在充电之后保留下来。

莱顿瓶是早期电容器:导体由绝缘材料分隔,异号电荷分居两侧,能量储存在电场中。它的发展包括多位研究者,常与穆申布鲁克联系在一起。本页是低压理想RC模型,并非历史装置的复刻;真实电容有漏电,开路保持也不会永久不变。

现在,换你来试充到3 V后,先切到开路保持并推进时间,再切到经电阻放电。断开电源和释放储能,为什么是两件不同的事?

故事出处与延伸阅读

时间与电荷实验板

已暂停 · t = 0.00 s

先充到 3 V,再留住它,最后放掉

先播放或单步充电;切“保持”再推进时间,最后切“放电”再推进。

当前已暂停。先推进充电,让电容电压达到3 V。

横轴是仿真时间;切挡保留电压,改参数从零重来。

理想源6 V充电保持放电1000 Ω充电 →介质+−+−+−+−1000 µF异号电荷分居两极板符号深浅仅为示意,Q = C × U 才是电荷量
电容电压 Uc
0.000 V
有符号电流 I
+6.000 mA
正极板电荷 +Q
0.000 mC
储存的能量
0.000 mJ

充电:电源通过电阻分离极板电荷;电压升高,电流逐渐减小。

同一段时间,两种变化。

曲线只记录本页实际推进的采样,最多最近400点;恢复记录不补造过去曲线。

电容电压 / V
600.00 s0.00 s
有符号电流 / mA
60−60.00 s0.00 s

电容加倍,一秒后会充得更高吗?

从零开始,保持6 V与1000 Ω,只把1000 µF改为2000 µF。先预测,再用“单步1 s”留下同刻对照。

容量更大,和同一秒能到更高电压,是一回事吗?

留下两组证据

仅当前页保留最近两组,刷新清除;第三组替换最早一组。恢复后暂停,只从保存时刻的当前点重新画曲线;不恢复任务完成状态。

先留一组,再改变一个条件。

能量也要对得上

留在电场里,
还是变成了热?

W电源 = ½CUc² + W电阻耗散

0.000 = 0.000 + 0.000 mJ

这是从本次零初态累计的能量。放电时电源不再做功,储能转为电阻耗散。三位小数显示可能有舍入差。

模型边界与电流方向

理想电压源、恒阻、理想电容,无漏电、无寄生电阻或电感。保持时开路,电压理想地不变;真实电容会有漏电。没有模拟闪光灯、LED或危险电压装置。

电容介质中没有导电电流穿过:两极板电荷分离,能量存于电场。电流正方向取经电阻流向正极板,充电为正、放电为负。切挡瞬间电压连续,电流可以突变。

从零充电:Uc = E(1−e^(−t/RC));从U₀放电:Uc = U₀e^(−t/RC)。τ时达到最终变化的约63.2%,不代表已经充满;理想指数过程只渐近达到终值。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

断开电源后,电容电压会立即归零吗?

换个条件,再试一次

保存同一电压下的开路与放电状态,比较后续曲线,说明电流通路的作用。

看哪里?

二维看开关与V/I曲线;三维看电阻电容接线,同步当前状态。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

认识电压、电流、电容;定量层涉及指数与单位换算。

先看现象:改变电阻后开始充电,观察电压曲线

再做定量:τ=RC;充电V=E+(V₀−E)e^(−t/RC),储能W=CV²/2。

模型、来源与核验边界

τ=RC;充电V=E+(V₀−E)e^(−t/RC),储能W=CV²/2。

解析核验提示:零初值充电到t=τ时V≈0.632E;理想开路保持电压。

适用范围:理想RC与开关;忽略漏电、寄生参数;保存当前状态不保存过去曲线。

Encyclopaedia Britannica · Leyden jar(历史/延伸阅读;解析关系见本卡,尚未获外部审阅) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。

同一装置,换个角度

空间观察台

上方二维实验负责接线、构造和测量;这里同步呈现当前几何。平面对象置于空间台面,厚度、球体大小及变形显示均为示意,不新增测量值。

三维按需打开;拖动旋转、滚轮缩放,也可用方向键。二维与测量始终可用。