什麼是 RC 放電計算器?
這個計算器用來模擬電容在串聯 RC 電路中,透過電阻放電時電壓如何隨時間衰減。只要輸入初始電壓 V₀、電阻 R、電容 C 以及經過的時間 t,它便會算出該時刻的瞬時電壓 \(V(t)\)、時間常數 \(\tau\)、剩餘的初始電量百分比,以及對應的放電電流。此原理適用於任何線性 RC 電路,不受地區或標準限制。
如何使用
請輸入起始電壓(伏特 V)、電阻(歐姆 Ω)與電容(微法 µF),再填入你想求得電壓的時間(秒)。計算器會在內部自動將 µF 換算成法拉(F),並代入指數衰減方程式求解。
公式解析
核心方程式為 $$V(t) = V_0 \, e^{-t / (R\,C)}$$ 其中 R 與 C 的乘積即為時間常數 \(\tau\),單位是秒。經過一個時間常數後,電壓會降到 \(V_0\) 的 \(e^{-1} \approx 36.8\%\);經過五個時間常數(\(5\tau\))後,一般即視為電容已完全放電(剩餘電量低於 1%)。任一時刻的電流則等於該時刻的 \(V(t)\) 除以 \(R\)。
範例試算
假設 \(V_0 = 10\ \text{V}\)、\(R = 1000\ \Omega\)、\(C = 100\ \text{µF}\),想求 \(t = 0.1\ \text{s}\) 時的電壓。先算時間常數 $$\tau = 1000 \times 100 \times 10^{-6} = 0.1\ \text{s}$$ 此時 \(t/\tau = 1\),因此 $$V(t) = 10 \times e^{-1} = 10 \times 0.3679 \approx 3.679\ \text{V}$$ ——約剩 36.8%,對應的放電電流約為 3.679 mA。
常見問題
為什麼用微法(µF)?市售電容多以 µF 或 nF 標示,因此計算器會先把 µF 換算成法拉(\(\times 10^{-6}\))再進行運算。
多久才算完全放電?就實務而言,經過 \(5\tau\) 後電容保留的電量已不到 1%,即可視為放電完畢。
這個計算器能算充電嗎?不行,它只用於放電。充電過程則遵循 $$V(t) = V_0 (1 - e^{-t / (R\,C)})$$ 這條公式。