交流电路中的电感与电容有着怎样的表现呢?,很多人都不知道~

时间:2023-06-27作者:佚名

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电感与电容作为储能元件和动态元件,在工程技术中的应用非常广泛,如在电子电路中的滤波、谐振,在电力系统中的补偿、功率传输等。



电感和电容在直流电路中的特性非常简单,简单来说,忽略电阻的情况下,电感在直流电路中相当于短路,而电容在直流电路中相当于开路,如下图1-1所示。


图1-1

当然,实际上的电感线圈和电容器多多少少都会有损耗,即存在电阻,例如电动机线圈的电阻有几欧到几十欧不等,电容的电阻相对较小。

总的来说,电感和电容在直流电路中的应用相对较少,例如电感线圈可以用于电磁铁的励磁,电容器可以用于隔直或储能。它们更多的是应用于交流电路。

那么,电感和电容在交流电路中又有着怎样的表现呢?答案就让我来给大家揭晓吧!

一、正弦交流电路

所谓交流电路,是指电路中的电压和电流随时间作周期性变化的电路,如下图1-2所示。而上文所提及的交流电路,都是指的正弦交流电路。正弦交流电路的电压和电流随时间做正弦规律变化。这里的“正弦规律”可以是正弦函数,也可以是余弦函数,这是因为正弦函数和余弦函数的变化规律相同,它们两者间的区别仅在于相角差。另外,正弦交流电路也是我们日常生活工作中所接触的电路。


图1-2

显然,正弦交流电路中电压、电流的大小和方向都随时间变化,而在电路中,往往需要标定两者的方向,所以这里就涉及到了参考方向和实际方向的问题。如图1-3所示,假定交流电压源的电压参考方向为上正下负,电流的参考方向为从左到右。


图1-3

结合电压电流波形,当电压、电流波形为正半周时,表明其实际方向和参考方向一致;当波形处于负半周时,表明电压和电流实际方向和参考方向相反,图1-3中的蓝色图形为实际方向,黑色为参考方向。

大概了解正弦交流电路后,我们进入这次分享的主要内容。

二、交流电路中的电感和电容

对于电阻而言,流过电阻的电流与电阻两端的电压同步变化,所以不管是大小还是方向,都保持一致的趋势,如图1-4所示。换言之,其电压和电流之间之间的区别仅在于一个比例系数,这个比例系数就是电阻值。


图1-4

但电感和电容比较特别,它们两者的电压和电流都不是同步变化的,而是有一个相位差。所谓相位差,可以理解为电压和电流的变化趋势差,例如在电感元件中,当电流在计时零点的值为零,且随时间变大时,电压在计时零点的值却为最大值,且随时间变小,如下图1-5所示。


图1-5

图1-5所示的电感电压电流波形图,表示了电感的电压超前电流90°,因为撇开时间,仅从波形图来看,两个波形的零点(都是正斜率或负斜率)间最小角度为90°。为什么电感的电压和电流不同步呢?这是因为电感的电压和电流不是正比例关系,而是成微分关系,所以不像电阻那样简单。

类似的,电容的电压和电流也有一个相位差。但区别于电感,在电容元件中,当电流在计时零点的值为零,且随时间变大时,电压在计时零点的值却为最小值(负值),且随时间变大,如下图1-6所示。


图1-6

电容的电压与电流存在相位差的原因与电感一样,都是因为其电压和电流不是正比例关系,但电容的电压与电流成积分关系,所以电感和电容两种的电压电流关系也有区别。为了让大家能够直观看出这个区别,我们以电感和电容的串并联电路为例。

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